Android ART虚拟机

2022-05-24 08:52:11

Android 4.4提供了一种与Dalvik截然不同的运行环境ART(Android runtime)支持,ART源于google收购的Flexycore的公司。ART模式与Dalvik模式最大的不同在于，启用ART模式后，系统在安装应用的时候会进行一次预编译，将字节码转换为机器语言存储在本地，这样在运行程序时就不会每次都进行一次编译了，执行效率也大大提升。

虚拟机切换设置

Settings> Developer Options> Select Runtime

ART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。

ART缺点

1、更大的存储空间占用，可能会增加10%-20%。
2、更长的应用安装时间。

Dalvik虚拟机性能优化

1、DEX代码安装时或第一次动态加载时odex化处理。
2、Android2.2版本提供了JIT机制提升性能；

JIT(Just-In-Time)，用来在运行时动态地将执行频率很高的dex字节码编译成本地机器码，然后再执行。通过JIT，就可以有效地提高Dalvik虚拟机的执行效率。但是，应用每次运行的时候，部分字节码都需要通过JIT转换为机器码，降低了应用程序运行效率。而ART则是使用AOT进行处理（Ahead-Of-Time），所谓AOT是指在运行以前就把中间代码静态编译成本地代码，这就减去了JIT运行时的转换时间，因此，即使Dalvik采用了JIT，Dalvik总体性能还是不能与直接执行本地机器码的ART虚拟机相比。

AOT的编译器分两种模式：
1. 在开发机上编译预装应用；
C/C++开发应用程序的时候，编译器直接就把它们翻译成目标机器码。
2. 在设备上编译新安装的应用；
在应用安装时将dex字节码翻译成本地机器码。

Android虚拟机适配

Zygote进程在启动的过程中，会创建一个Dalvik虚拟机。Zygote进程通过自我复制的方式来创建应用程序进程，省去的不仅仅是应用程序进程创建Dalvik虚拟机的时间，Zygote通过AndroidRutime::start函数创建Dalvik虚拟机。在Android系统中，Davik虚拟机实现在libdvm.so中，ART虚拟机实现在libart.so中，通过persist.sys.dalvik.vm.lib系统属性来选择运行指定虚拟机。无论Dalvik还是ART，都实现了三个相同的接口函数：
1. JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs -- 获取虚拟机的默认初始化参数
2. JNI_CreateJavaVM -- 在进程中创建虚拟机实例
3. JNI_GetCreatedJavaVMs -- 获取进程中创建的虚拟机实例

JniInvocation提供统一了接口：

libnativehelper\JniInvocation.cpp

jint JniInvocation::JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs(void* vmargs) {
  return JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs_(vmargs);
}

jint JniInvocation::JNI_CreateJavaVM(JavaVM** p_vm, JNIEnv** p_env, void* vm_args) {
  return JNI_CreateJavaVM_(p_vm, p_env, vm_args);
}

jint JniInvocation::JNI_GetCreatedJavaVMs(JavaVM** vms, jsize size, jsize* vm_count) {
  return JNI_GetCreatedJavaVMs_(vms, size, vm_count);
}

该函数间接调用以下函数来实现：

extern "C" jint JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs(void* vm_args) {
  return JniInvocation::GetJniInvocation().JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs(vm_args);
}

extern "C" jint JNI_CreateJavaVM(JavaVM** p_vm, JNIEnv** p_env, void* vm_args) {
  return JniInvocation::GetJniInvocation().JNI_CreateJavaVM(p_vm, p_env, vm_args);
}

extern "C" jint JNI_GetCreatedJavaVMs(JavaVM** vms, jsize size, jsize* vm_count) {
  return JniInvocation::GetJniInvocation().JNI_GetCreatedJavaVMs(vms, size, vm_count);
}

libnativehelper\JniInvocation.h

static JniInvocation* jni_invocation_;
void* handle_;//保存so库的首地址
jint (*JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs_)(void*);
jint (*JNI_CreateJavaVM_)(JavaVM**, JNIEnv**, void*);
jint (*JNI_GetCreatedJavaVMs_)(JavaVM**, jsize, jsize*);

因此JniInvocation对外提供的接口函数是由JniInvocation中定义的函数指针来实现。JniInvocation中定义的函数指针是在哪里初始化的呢？我们知道Android虚拟机是在Zygote进程中通过调用AndroidRuntime::start()函数启动的：

frameworks\base\core\jni\AndroidRuntime.cpp

void AndroidRuntime::start(const char* className, const char* options)
{
   ...
    /* start the virtual machine */
    JniInvocation jni_invocation;
    jni_invocation.Init(NULL);
    JNIEnv* env;
    if (startVm(&mJavaVM, &env) != 0) {
        return;
    }
    onVmCreated(env);
	...
}

在启动虚拟机前通过调用JniInvocation::Init()函数来初始化JniInvocation中声明的函数指针

bool JniInvocation::Init(const char* library) {
#ifdef HAVE_ANDROID_OS
  char default_library[PROPERTY_VALUE_MAX];
  property_get("persist.sys.dalvik.vm.lib", default_library, "libdvm.so");
#else
  const char* default_library = "libdvm.so";
#endif
  if (library == NULL) {
    library = default_library;
  }

  handle_ = dlopen(library, RTLD_NOW);
  if (handle_ == NULL) {
    ALOGE("Failed to dlopen %s: %s", library, dlerror());
    return false;
  }
  //查找JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs函数指针
  if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs_),
                  "JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs")) {
    return false;
  }
  //查找JNI_CreateJavaVM函数指针
  if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_CreateJavaVM_),
                  "JNI_CreateJavaVM")) {
    return false;
  }
  //查找JNI_GetCreatedJavaVMs函数指针
  if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_GetCreatedJavaVMs_),
                  "JNI_GetCreatedJavaVMs")) {
    return false;
  }
  return true;
}

该函数就是根据persist.sys.dalvik.vm.lib属性值来加载不同的虚拟机动态库，并从动态库中查找JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs，JNI_CreateJavaVM，JNI_GetCreatedJavaVMs函数首地址

bool JniInvocation::FindSymbol(void** pointer, const char* symbol) {
  *pointer = dlsym(handle_, symbol);
  if (*pointer == NULL) {
    ALOGE("Failed to find symbol %s: %s\n", symbol, dlerror());
    dlclose(handle_);
    handle_ = NULL;
    return false;
  }
  return true;
}

Dalvik字节码生成过程

应用安装时采用的代码优化方式不同：
Dalvik ： dex2opt
ART ： dex2oat

ART本地码生成过程

Dalvik dex代码经过dex => optimized dex => JIT cache这个过程，内存中需要同时容纳odex和JIT cache两份代码;换成ART以后，就变成dex => oat，内存里只放oat就可以。

两个运行环境产生的优化代码路径及文件名都为：/data/dalvik-cache/app/data@app@{package name}.apk@classes.dex,但是ART环境产生的优化代码文件大小明显比Dalvik环境产生大。OAT文件其实就是基于ELF格式的一种私有文件格式。

dex2oat编译过程

开发者开发出的应用程序经过编译和打包之后，仍然是一个包含dex字节码的APK文件。既然应用程序包含的仍然是dex字节码，而ART虚拟机需要的是本地机器码，这就必然要有一个翻译的过程。Android系统在应用程序安装时，通过dex2oat工具将应用的dex字节码翻译成本地机器码。

ART相关源代码：

Android ART虚拟机

OAT文件加载流程

1、读取oatdata符号地址获取Oat数据 startAddress。

2、读取oatlastword符号地址获取OAT数据 endAddress。

3、通过startAddress和endAddress定位Oat数据。

4、解析Oat数据。构建方法定位所需数据结构。

然后就可以调用加载OAT文件的代码了。

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ART本地码生成过程

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