JVM和Android的Dalvik与ART

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1. JVM(Java虚拟机)

JVM是Java编程语言的核心。当我们运行一个程序时,JVM负责将字节码转换为特定机器代码。JVM也是平台特定的,并提供核心的Java方法,例如内存管理、垃圾回收和安全机制等。JVM 是可定制化的,我们可以通过Java 选项(java options)定制它,比如配置JVM 内存的上下界。JVM之所以被称为虚拟的是因为它提供了一个不依赖于底层操作系统和机器硬件的接口。这种独立于硬件和操作系统的特性正是Java程序可以一次编写多处执行的原因。

JVM的结构体系

2. Dalvik

1). 什么是Dalvik

Dalvik是Google公司自己设计用于Android平台的Java虚拟机,它是Android平台的重要组成部分,支持dex格式(Dalvik Executable)的Java应用程序的运行。dex格式是专门为Dalvik设计的一种压缩格式,适合内存和处理器速度有限的系统。Google对其进行了特定的优化,使得Dalvik具有高效、简洁、节省资源的特点。从Android系统架构图知,Dalvik虚拟机运行在Android的运行时库层。
Dalvik 经过优化,允许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例,并且每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux 进程执行。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。很长时间以来,Dalvik虚拟机一直被用户指责为拖慢安卓系统运行速度不如IOS的根源。
2014年6月25日,Android L 正式亮相于召开的谷歌I/O大会,Android L 改动幅度较大,谷歌将直接删除Dalvik,代替它的是传闻已久的ART。

2). Dalvik的功能

Dalvik作为面向Linux、为嵌入式操作系统设计的虚拟机,主要负责完成对象生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全和异常管理,以及垃圾回收等。Dalvik充分利用Linux进程管理的特定,对其进行了面向对象的设计,使得可以同时运行多个进程,而传统的Java程序通常只能运行一个进程,这也是为什么Android不采用JVM的原因。Dalvik为了达到优化的目的,底层的操作大多和系统内核相关,或者直接调用内核接口。另外,Dalvik早期并没有JIT编译器,直到Android2.2才加入了对JIT的技术支持。

3). Dalvik的运行机制

4). Dalvik的系统结构

实际上,Dalvik是基于Apache Harmony(Apache软件基金会的Java SE项目)的部分实现,提供了自己的一套库,即上层Java应用程序编写所使用的API。
Apache Harmony大体上分为三个层:操作系统、Java虚拟机、Java类库。它的特点在于虚拟机和类库内部被高度模块化,每一个模块都有一定的接口定义。操作系统层与虚拟机层之间的接口由Portability Layer定义,它封装了不同操作系统的差异,为虚拟机和类库的本地代码提供了一套统一的API访问底层系统调用。虚拟机与类库之间的接口除了Java规范定义的JNI、JVMITI外,还加入了一层虚拟机接口,由内核类和本地代码组成。实现了虚拟机接口的虚拟机都可以使用Harmony的类库实现,并且可以被Harmony提供的同一个Java启动程序启动。

5).了解一下Android编译打包流程

官方的介绍非常笼统,简而言之,其大致流程就是:编译–>DEX–>打包–>签名和对齐

3. ART

Android 4.4发布了一个ART运行时,准备用来替换掉之前一直使用的Dalvik虚拟机,即Android Runtime
ART 的机制与 Dalvik 不同。在Dalvik下,应用每次运行的时候,字节码都需要通过即时编译器(just in time ,JIT)转换为机器码,这会拖慢应用的运行效率,而在ART 环境中,应用在第一次安装的时候,字节码就会预先编译成机器码,使其成为真正的本地应用。这个过程叫做预编译(AOT,Ahead-Of-Time)。这样的话,应用的启动(首次)和执行都会变得更加快速。

ART的优缺点

优点:
1、系统性能的显著提升。
2、应用启动更快、运行更快、体验更流畅、触感反馈更及时。
3、更长的电池续航能力。
4、支持更低的硬件。
缺点:
1.机器码占用的存储空间更大,字节码变为机器码之后,可能会增加10%-20%(不过在应用包中,可执行的代码常常只是一部分。比如最新的 Google+ APK 是 28.3 MB,但是代码只有 6.9 MB。)
2.应用的安装时间会变长。

4. Dalvik VM (DVM) 与Java VM (JVM)的区别

1) Dalvik 和标准 Java 虚拟机(JVM)的首要差别

  • Dalvik基于寄存器
  • JVM基于栈
  • 基于寄存器的虚拟机对于更大的程序来说,在它们编译的时候,花费的时间更短。
  • JVM字节码中,局部变量会被放入局部变量表中,继而被压入堆栈供操作码进行运算,当然JVM也可以只使用堆栈而不显式地将局部变量存入变量表中。
  • Dalvik字节码中,局部变量会被赋给65536个可用的寄存器中的任何一个,Dalvik指令直接操作这些寄存器,而不是访问堆栈中的元素。

2). Dalvik 和 Java 字节码的区别

  • VM字节码由.class文件组成,每个文件一个class。
  • JVM在运行的时候为每一个类装载字节码。相反的,Dalvik程序只包含一个.dex文件,这个文件包含了程序中所有的类。
  • Java编译器创建了JVM字节码之后,Dalvik的dx编译器删除.class文件,重新把它们编译成Dalvik字节码,然后把它们写进一个.dex文件中。这个过程包括翻译、重构、解释程序的基本元素(常量池、类定义、数据段)。常量池描述了所有的常量,包括引用、方法名、数值常量等。类定义包括了访问标志、类名等基本信息。数据段中包含各种被VM执行的函数代码以及类和函数的相关信息(例如DVM所需要的寄存器数量、局部变量表、操作数堆栈大小),还有实例变量。

3). Dalvik 和 Java SDK的SDK不同。

  • JDK(Java Develop Toolkit),就是针对JAVA语言的SDK。
  • sdk 是 software development kit 是Android 软件开发工具

4). Dalvik 和 Java 运行环境的区别

  • Dalvik 经过优化,允许在有限的内存中同时运行多个虚拟机的实例,并且每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux 进程执行。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。
  • Dalvik虚拟机在android2.2之后使用JIT (Just-In-Time)技术,与传统JVM的JIT并不完全相同,
  • Dalvik虚拟机有自己的 bytecode,并非使用 java bytecode。
  • Dalvik主要是完成对象生命周期管理,堆栈管理,线程管理,安全和异常管理,以及垃圾回收等等重要功能。
  • Dalvik负责进程隔离和线程管理,每一个android应用在底层都会对应一个独立的Dalvik虚拟机实例,其代码在虚拟机的解释下得以执行。
  • 不同于Java虚拟机运行java字节码,Dalvik虚拟机运行的是其专有的文件格式Dex。
  • dex文件格式可以减少整体文件尺寸,提高I/O操作的类查找速度。
  • odex是为了在运行过程中进一步提高性能,对dex文件的进一步优化。
  • 所有的Android应用的线程都对应一个linux线程,虚拟机因而可以更多的依赖操作系统的线程调度和管理机制。
  • 有一个特殊的虚拟机进程Zygote,他是虚拟机实例的孵化器。它在系统启动的时候就会产生,它会完成虚拟机的初始化、库的加载、预制类库和初始化的操作。如果系统需要一个新的虚拟机实例,它会迅速复制自身,以最快的速度提供给系统。对于一些只读的系统库,所有虚拟机实例都和Zygote共享一块内存区域
  • 基于寄存器,基于寄存器的虚拟机虽然比基于堆栈的虚拟机在硬件,通用性上要差一些,但是它的代码执行效率去更好
  • 每一个Android应用都运行在它自己的DVM实例中,每一个DVM实例都是一个独立的进程空间。所有的Android应用的线程都对应一个Linux线程,DVM因此可以更多地依赖操作系统的线程调度和管理机制。不同的应用在不同的进程空间里运行,不同的应用都是用不同的Linux用户来运行以最大程度地保户应用程序的安全性和独立性

5. Dalvik 与 ART 的区别

1). 在Dalvik下,应用每次运行都需要通过即时编译器(JIT)将字节码转换为机器码,即每次都要编译加运行,这虽然会使安装过程比较快,但是会拖慢应用以后每次启动的效率。而在ART 环境中,应用在第一次安装的时候,字节码就会预编译(AOT)成机器码,这样的话,虽然设备和应用的首次启动(安装慢了)会变慢,但是以后每次启动执行的时候,都可以直接运行,因此运行效率会提高。
2). ART占用空间比Dalvik大(字节码变为机器码之后,可能会增加10%-20%),这也是著名的“空间换时间大法”。
3). 预编译也可以明显改善电池续航,因为应用程序每次运行时不用重复编译了,从而减少了 CPU 的使用频率,降低了能耗。

彩蛋

  • 现在智能手机大部分都可以让用户选择使用Dalvik还是ART模式。当然默认还是使用Dalvik模式。
  • 用法:设置-辅助功能-开发者选项(开发人员工具)-选择运行环境(不同的手机设置的步骤可能不一样)。