3.1.14 Android虚拟机及编译过程
一、什么是Dalvik虚拟机
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。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。
二、Dalvik虚拟机的特点
体积小，占用内存空间小；
专有的DEX可执行文件格式，体积更小，执行速度更快；
常量池采用32位索引值，寻址类方法名，字段名，常量更快；
基于寄存器架构，并拥有一套完整的指令系统；
提供了对象生命周期管理，堆栈管理，线程管理，安全和异常管理以及垃圾回收等重要功能；
所有的Android程序都运行在Android系统进程里，每个进程对应着一个Dalvik虚拟机实例。
三、Dalvik虚拟机和Java虚拟机的区别
Dalvik虚拟机与传统的Java虚拟机有着许多不同点，两者并不兼容，它们显著的不同点主要表现在以下几个方面：
Java虚拟机运行的是Java字节码，Dalvik虚拟机运行的是Dalvik字节码。
传统的Java程序经过编译，生成Java字节码保存在class文件中，Java虚拟机通过解码class文件中的内容来运行程序。而Dalvik虚拟机运行的是Dalvik字节码，所有的Dalvik字节码由Java字节码转换而来，并被打包到一个DEX（Dalvik Executable）可执行文件中。Dalvik虚拟机通过解释DEX文件来执行这些字节码。
Dalvik可执行文件体积小。Android SDK中有一个叫dx的工具负责将Java字节码转换为Dalvik字节码。
dx工具对Java类文件重新排列，消除在类文件中出现的所有冗余信息，避免虚拟机在初始化时出现反复的文件加载与解析过程。一般情况下，Java类文件中包含多个不同的方法签名，如果其他的类文件引用该类文件中的方法，方法签名也会被复制到其类文件中，也就是说，多个不同的类会同时包含相同的方法签名，同样地，大量的字符串常量在多个类文件中也被重复使用。这些冗余信息会直接增加文件的体积，同时也会严重影响虚拟机解析文件的效率。消除其中的冗余信息，重新组合形成一个常量池，所有的类文件共享同一个常量池。由于dx工具对常量池的压缩，使得相同的字符串，常量在DEX文件中只出现一次，从而减小了文件的体积。
针对每个Class文件，都由如下格式进行组成：
dex格式文件使用共享的、特定类型的常量池机制来节省内存。常量池存储类中的所有字面常量，它包括字符串常量、字段常量等值。
简单来讲，dex格式文件就是将多个class文件中公有的部分统一存放，去除冗余信息。
Java虚拟机与Dalvik虚拟机架构不同。这也是Dalvik与JVM之间最大的区别。
Java虚拟机基于栈架构，程序在运行时虚拟机需要频繁的从栈上读取或写入数据，这个过程需要更多的指令分派与内存访问次数，会耗费不少CPU时间，对于像手机设备资源有限的设备来说，这是相当大的一笔开销。Dalvik虚拟机基于寄存器架构。数据的访问通过寄存器间直接传递，这样的访问方式比基于栈方式要快很多。
四、Dalvik虚拟机的结构
一个应用首先经过DX工具将class文件转换成Dalvik虚拟机可以执行的dex文件，然后由类加载器加载原生类和Java类，接着由解释器根据指令集对Dalvik字节码进行解释、执行。最后，根据dvm_arch参数选择编译的目标机体系结构。
五、Android APK 编译打包流程
1.Java编译器对工程本身的java代码进行编译，这些java代码有三个来源：app的源代码，由资源文件生成的R文件(aapt工具)，以及有aidl文件生成的java接口文件(aidl工具)。产出为.class文件。
①用AAPT编译R.java文件
②编译AIDL的java文件
③把java文件编译成class文件
2..class文件和依赖的三方库文件通过dex工具生成Delvik虚拟机可执行的.dex文件，包含了所有的class信息，包括项目自身的class和依赖的class。产出为.dex文件。
3.apkbuilder工具将.dex文件和编译后的资源文件生成未经签名对齐的apk文件。这里编译后的资源文件包括两部分，一是由aapt编译产生的编译后的资源文件，二是依赖的三方库里的资源文件。产出为未经签名的.apk文件。
4.分别由Jarsigner和zipalign对apk文件进行签名和对齐，生成最终的apk文件。
总结为：编译-->DEX-->打包-->签名和对齐
六、ART虚拟机与Dalvik虚拟机的区别
什么是ART:
ART代表Android Runtime，其处理应用程序执行的方式完全不同于Dalvik，Dalvik是依靠一个Just-In-Time (JIT)编译器去解释字节码。开发者编译后的应用代码需要通过一个解释器在用户的设备上运行，这一机制并不高效，但让应用能更容易在不同硬件和架构上运行。ART则完全改变了这套做法，在应用安装时就预编译字节码到机器语言，这一机制叫Ahead-Of-Time (AOT）编译。在移除解释代码这一过程后，应用程序执行将更有效率，启动更快。
ART优点：
- 系统性能的显著提升。
- 应用启动更快、运行更快、体验更流畅、触感反馈更及时。
- 更长的电池续航能力。
- 支持更低的硬件。
ART缺点：
- 更大的存储空间占用，可能会增加10%-20%。
- 更长的应用安装时间。
ART虚拟机相对于Dalvik虚拟机的提升
预编译
在dalvik中，如同其他大多数JVM一样，都采用的是JIT来做及时翻译(动态翻译)，将dex或odex中并排的dalvik code(或者叫smali指令集)运行态翻译成native code去执行。JIT的引入使得dalvik提升了3~6倍的性能。
而在ART中，完全抛弃了dalvik的JIT，使用了AOT直接在安装时将其完全翻译成native code。这一技术的引入，使得虚拟机执行指令的速度又一重大提升。
垃圾回收机制
首先介绍下dalvik的GC的过程。主要有有四个过程:
- 当gc被触发时候，其会去查找所有活动的对象，这个时候整个程序与虚拟机内部的所有线程就会挂起，这样目的是在较少的堆栈里找到所引用的对象；
- 注意：这个回收动作和应用程序非并发；
- gc对符合条件的对象进行标记；
- gc对标记的对象进行回收；
- 恢复所有线程的执行现场继续运行。
dalvik这么做的好处是，当pause了之后，GC势必是相当快速的。但是如果出现GC频繁并且内存吃紧势必会导致UI卡顿、掉帧、操作不流畅等。
后来ART改善了这种GC方式， 主要的改善点在将其非并发过程改成了部分并发，还有就是对内存的重新分配管理。
当ART GC发生时:
- GC将会锁住Java堆，扫描并进行标记；
- 标记完毕释放掉Java堆的锁，并且挂起所有线程；
- GC对标记的对象进行回收；
- 恢复所有线程的执行现场继续运行；
- 重复2-4直到结束。
可以看出整个过程做到了部分并发使得时间缩短。据官方测试数据说GC效率提高2倍。
提高内存使用，减少碎片化
Dalvik内存管理特点是:内存碎片化严重，当然这也是Mark and Sweep算法带来的弊端。
可以看出每次GC后内存千疮百孔，本来连续分配的内存块变得碎片化严重，之后再分配进入的对象再进行内存寻址变得困难。
ART的解决：在ART中，它将Java分了一块空间命名为Large-Object-Space，这块内存空间的引入用来专门存放large object。同时ART又引入了moving collector的技术，即将不连续的物理内存块进行对齐。对齐了后内存碎片化就得到了很好的解决。Large-Object-Space的引入是因为moving collector对大块内存的位移时间成本太高。根官方统计，ART的内存利用率提高10倍了左右，大大提高了内存的利用率。