Android 虚拟机 (Dalvik & ART)_art虚拟机

一、概述

我们知道Android的程序虽然也是使用Java/Kotlin语言编码，并生成.class字节码，但并不能直接运行在JVM上，而是运行在自己的VM上。而Android程序之所以不能在JVM上运行的根本原因是.class字节码文件并不是Android的最终可执行文件(执行效率问题)，而是一个过渡产物，最终会生成dex文件在Android VM上执行。

1.1 Android虚拟机分类：

Android VM大体分为两种： Dalvik 虚拟机和 ART虚拟机。

• Dilvik 虚拟机：Android 5.0 版本之前。
• ART虚拟机：Android 5.0 版本全面使用。

1.2 虚拟机的演变及优化：

• Android 1.0，使用Dalvik作为Android虚拟机运行环境，此时的虚拟机是一个解释执行器。
• Android 2.2，Android 虚拟机中加入了JIT编译器（Just-In-Time Compiler）。
• Android 4.4，全新的ART虚拟机运行环境诞生，此时ART和Dalvik是共存的，用户可以在两者之间进行选择。
• Android 5.0，ART全面取代了Dalvik成为了Android虚拟机运行环境，并使用AOT预编译技术在安装Apk时全量预编译 。
• Android 7.0，ART虚拟机采用 JIT/AOT混合编译模式。

二、Dalvik

Dalvik是Google公司自己设计用于Android平台的虚拟机，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，经过优化的Dalvik，具有高效、简洁、节省资源的特点，同时还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。

2.1 Dalvik和JVM的区别

• Dalvik 基于寄存器，而 JVM 基于栈。
• 指令数量：基于寄存器的操作指令，会增加操作数的大小(劣势)，但是会大大减少操作指令的数量(优势)
• 操作效率：基于寄存器(CPU上)的指令操作速度比基于操作数栈(主存)的速度快。
• 移植性：基于寄存器执行效率好，但是可移植性差，难跨平台。
• Dalvik虚拟机有共享机制，不同应用之间在运行时可以共享相同的类，拥有更高的效率。

2.2 JIT（Just-In-Time Compile）

Android 2.2之前，Dalvik虚拟机是通过解释器 (解释器逐条读入字节码 -> 逐条翻译成机器码 -> 执行机器码)来执行程序的，效率低。针对这个问题，引进了JIT（即时编译器）技术。它是一种优化手段。

JIT技术：将解释过的机器码缓存起来，下次再执行时到这个方法的时候，则直接从缓存里面取出机器码来执行。减少了读取字节码和翻译字节码的操作。以此来提高效率。JIT技术的引入使得Dalvik的性能提升了3~6倍。

注意： 并不是所有执行过的代码对应的机器码都会被缓存起来。而是只有被认定为热点代码（Hot Spot Code） 的代码才会。这里所指的热点代码主要有两类，包括：

1. 被多次调用的方法
2. 被多次执行的循环体（虽然只是循环体被多次执行，但仍是将整个方法的机器码缓存起来）。
   
   

缺点： JIT技术的缺点：

1. 每次重新启动引用都需要重新编译。
2. 运行时比较耗电。

三、ART 虚拟机

ART虚拟机在Android 5.0开始替换Dalvik虚拟机，其处理应用程序执行的方式不同于Dalvik虚拟机，它不使用JIT而是使用了AOT（Ahead-Of-Time），也就是提前编译技术。并对垃圾收集器也进行了改进和优化。

预先编译机制(AOT)可提高应用的性能。同时ART 还具有比 Dalvik 更严格的安装时验证。

3.1 AOT（Ahead-Of-Time）预先编译技术

AOT(提前编译技术)： 简单来说就是提前将字节码转换成本地机器码，然后存储在本地磁盘上，运行时可以直接执行，避免了Dalvik时期的应用运行时再来解释字节码。运行时效率大大提高。

在Android 7.0 之前，Android系统安装Apk时，会进行一次全量预编译，将字节码预先编译成本地机器码，生成 oat文件，并存储在本地磁盘上。这样在App每次运行时就不需要重新编译，可以直接使用编译好本地机器码，运行效率大大提升。但是这也使得安装应用的时间大大增加，于是在Android7.0及之后，又重新引进了JIT技术，形成JIT/AOT混合编译模式。

混合编译的特点：

• 应用在安装的时候，不进行AOT预编译。
• 应用运行时直接通过解释器翻译字节码为机器码然后执行。（在应用运行期间使用了JIT技术）并同时记录热点代码信息到profile文件中。
• 手机进入空闲或充电状态的时候，系统会扫描APP目录下的profile文件，并通过AOT对热点代码进行编译。
• 下一次启动时，会根据profile文件来运行已编译好的机器码，避免在运行时对已经转换为机器码的方法又进行了JIT编译。
• 应用运行期间会持续对热点代码进行记录，以方便在空闲或充电时进行AOT，以此循环。

使用JIT编译器来对AOT编译器进行补充，降低了Apk安装的时间，提升了运行时性能，节省了存储空间，加快应用运行速度。

小结：
Android 7.0以前，采用AOT全量预编译，Apk安装时预编译dex生成对应的机器码文件。但预编译量大导致Apk安装时间长。
Android 7.0及之后，采用JIT/AOT混合编译模式，根据对应的profile在空闲时进行AOT预编译。

参考： 实现 ART 即时 (JIT) 编译器

3.2 Dalvik与ART虚拟机的区别

• Dalvik每次都要编译再运行，Art只会安装时启动编译(7.0之前全量预编译)。
• Art占用空间比Dalvik大（原生代码占用的存储空间更大），就是用“空间换时间”。
• Art减少编译，减少了CPU使用频率，使用明显改善电池续航。
• Art应用启动更快、运行更快、体验更流畅、触感反馈更及时。

3.3 Interpreter解释器、JIT、AOT的在ART上的使用

解释器： 逐条读入字节码 -> 逐条翻译成机器码 -> 执行机器码，重复执行同一代码时需要重新翻译执行。
JIT编译器： 对运行时的热点代码(热点代码)进行编译，且缓存在内存中，当下次继续执行时，直接从内存中获取，减少重复编译。
AOT编译器： 在运行前将字节码转换为机器码，在运行时直接运行转换后的机器码。

3.4 垃圾回收方面的优化

Android虚拟机（Dalvik && ART）学习

四、Android中的几种文件

4.1 Apk文件

APK 文件其实是 zip 格式，在Window平台上可以直接将后缀格式改为zip进行解压。解压后的目录如下图所示：

4.2 dex文件

dex 文件是可被Dalvik虚拟机识别并执行的文件， Dalvik 会执行 .dex 文件中的 dalvik 字节码，但一般Dalvik在执行dex优化后的文件(即odex文件)。

dex文件特点：

• dex文件是Android系统中的一种文件，是一种特殊的数据格式，和Apk、jar等格式文件类似。
• 文件更加紧凑：dex文件是能够被DVM识别，加载并执行的文件格式。相比于Jar文件，dex会把所有包含的信息整合在一起，减少冗余信息，从而降低了加载文件时的I/O耗时，提高类的查找速度。
• dex文件包含应用程序的全部操作指令和运行时数据。
• 相对于PC上的JVM能运行 .class文件，Android上的Dalvik虚拟机能运行 .dex 文件。

.dex文件和 .class文件的格式对照：

dex 文件结构：

4.3 引起dex文件65535问题的原因

当Android系统启动一个Apk时，会通过 dexopt 工具对dex进行优化。dexopt 的执行过程是在第一次加载dex文件的时候执行的。这个过程会生成一个odex文件，即Optimised Dex (执行odex的效率会比直接执行Dex文件的效率要高很多)。但早期Android系统中， dexopt 有一个问题(即65535问题)。dexopt会把每一个类的方法id检索起来，存在一个链表结构里面。但是这个链表的长度是用一个 short类型(2^16=65536)来保存的，导致了方法id的数目不能够超过65536个。

4.4 odex文件 (Optimized DEX)

背景： 对Android dex文件进行优化来说，需要注意的一点是dex文件的结构是紧凑的，但是我们还是要想方设法进行运行速度的提高，因此我们仍然需要对dex文件进一步优化。

odex文件的使用场景：

安装阶段： Apk在安装时，系统会进行验证和优化，目的是为了校验代码合法性及优化代码执行速度。当验证和优化后，系统会从Apk中提取dex文件进行优化，并将优化后的产物(odex文件)保存到 data/dalvik-cache 目录下。
运行阶段： 当运行Apk的时候，会直接加载odex文件，避免重复验证和优化，加快了Apk的响应时间。

odex 文件的生成过程：

Android 5.0之前：Dalvik虚拟机

Dalvik虚拟机会在执行dex文件前对dex文件做优化，生成可执行文件odex，保存到 data/dalvik-cache 目录，最后把Apk文件中的dex文件删除。

注意： 此时生成的odex文件后缀依然是dex ，它是一个dex文件，里面仍然是字节码，而不是本地机器码。

Android5.0 <= Version < Android 8.0 (Android O)：ART虚拟机

Android5.0之后使用ART虚拟机，ART虚拟机使用AOT预编译生成oat文件。oat文件是ART虚拟机运行的文件，是ELF格式二进制文件。oat文件包含dex和编译的本地机器指令，因此比Android5.0之前的odex文件更大。

oat文件生成过程：

1. App在首次安装的时候，dex2oat 工具默认会把 dex文件翻译成本地机器指令，生成ELF格式的OAT文件，并将其放在了 /data/dalvik-cache 或 /data/app/packagename/ 目录下，此时oat文件后缀格式为odex。
2. ART加载oat文件后不需要经过处理就可以直接运行，它在编译时就从字节码装换成机器码了，因此运行速度更快。
   Dalvik虚拟机执行程序dex文件前，系统会对dex文件做优化，生成可执行文件odex，保存到 data/dalvik-cache 目录，最后把apk文件中的dex文件删除。 (注意：此时生成的odex文件后缀依然是dex ，它是一个dex文件，里面仍然还是字节码，而不是本地机器码。)
   
   注意： Android5.0及之后版本生成的 oat文件后缀还是odex，但是已经不是android5.0 及之前版本的文件格式，而是ELF格式封装的本地机器码。可以认为oat在dex上加了一层壳，可以从oat里提取出dex。

Android O及之后(>=Android 8.0)：ART虚拟机

Android 8.0及之后版本，dex2oat会直接生成两个oat文件 (即vdex文件 和 odex文件)。其中 odex 文件是从vdex 文件中提取了部分模块生成的一个新的可执行二进制码文件，odex 从vdex 中提取后，vdex 的大小就减少了。

文件生成过程：

1. App在首次安装的时候，odex 文件就会生成在 /system/app/<packagename>/oat/ 下。
2. 在系统运行过程中，虚拟机将其 从/system/app 下 copy 到 /data/davilk-cache/ 下。
3. odex + vdex = Apk 的全部源码 （vdex 并不是独立于odex 的，文件 odex + vdex 才代表一个Apk ）。

odex 的优点和缺点：

优点：

1. 启动快： 省去了系统第一次启动应用时从Apk文件中读取dex文件，并对dex文件做优化的过程。和
2. 对RAM的占用（Apk文件中的dex如果不删除，同一个应用就会存在两个dex文件：apk中和 data/dalvik-cache 目录下）。
3. 安全性：防止第三方用户反编译系统的软件（odex文件是跟随系统环境变化的，改变环境会无法运行；而apk文件中又不包含dex文件，无法独立运行）

劣势：

1. 优化后的odex文件大小通常是原dex文件的1~4倍 (空间换时间)。

4.5 vdex文件

vdex文件是 Android O (Android 8.0) 新增的格式包，其目的是为了降低dex2oat时间。

dex2oat的触发场景：

1. 当系统OTA (系统升级) 后，用户自己安装的应用是不会发生任何变化的，但 framework 代码已经发生了变化，因此就需要重新对这些应用也做dex2oat。如果没有vdex文件，则需要重新校验Apk里dex文件合法性；如果存在vdex文件，就可以省略校验的过程，节省一部分时间。
2. 当App的 JIT Profile 信息变化时，background dexopt会在后台重新做dex2oat，因为有了vdex，这个时候也可以直接跳过dex文件的校验流程。

dex 文件直接转化的可执行二进制码文件：

1. App在首次安装的时候，vdex文件就会生成在 /system/app/<packagename>/oat/下。
2. 在系统运行过程中，虚拟机将其从 /system/app 下 copy 到 /data/davilk-cache/ 下。

4.6 art文件

art文件是由虚拟机执行odex文件后，记录虚拟机执行Apk启动的常用函数地址信息后生成出来的文件(记录函数地址信息方便寻址)，目的 是用于加快应用启动速度。通常会在data/dalvik-cache/ 目录中保存常用的jar包的相关地址记录。

1. 第一次开机不会生成在 /system/app/<packagename>/oat/ 下，以后也不会。
2. odex 文件在运行时，虚拟机会计算函数调用频率，进行函数地址的修改。
3. 最后在 /data/davilk-cache/ 由虚拟机生成 art文件(art文件生成)。
4. 生成 art文件后，/system/app 下的odex 和 vdex 会无效，即使你删除，apk也会正常运行。
5. push 一个新的apk file 覆盖之前 /system/app 下Apk file ，会触发 PMS 扫描时下发 force_dex 的flag ，强行生成新的vdex 文件 ，覆盖之前的vdex 文件，由于某种机制，这个新vdex 文件会copy到 /data/dalvik-cache/ 下，于是 art 文件也变化了。

4.7 oat文件

ART虚拟机运行的是oat文件，oat文件是一种Android私有ELF文件格式，oat文件包含有从dex文件翻译而来的本地机器指令，还包含有原来的dex文件内容(如下图所示)，因此oat文件比odex文件更大。APK在安装的过程中，会通过dex2oat工具生成一个OAT文件(文件后缀还是odex)。对于apk来说，oat文件实际上就是对odex文件的包装，即oat=odex。

注意： Android5.0 及之后的版本，oat文件的后缀还是odex，但是已经不是android5.0 之前的文件格式，而是ELF格式封装的本地机器码。可以认为oat在dex上加了一层壳，可以从oat里提取出dex。

oat的文件结构：

dex2oat的过程如下图所示：

参考

• 实现 ART 即时 (JIT) 编译器
• https://lief-project.github.io/doc/latest/api/python/oat.html#lief.OAT.Binary
• https://m.eefocus.com/embedded/525061