Android Dalvik虚拟机之Dalvik虚拟机的特点

Google于2007年底正式发布了Android SDK，Dalvik虚拟机也第一次进入了人们的视野。它的作者是丹.伯恩斯坦（Dan Bornstein）。Dalvik虚拟机作为Android平台的核心组件，拥有如下几个特点：

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。

1. Dalvik虚拟机与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。
Java虚拟机与Dalvik虚拟机架构不同。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。测试代码如下：

package t1;public class Hello {public static void main(String[] args) {Hello hello = new Hello();System.out.println(hello.foo(5, 3));}public int foo(int a,int b) {return (a + b) * (a - b);}
}

将以上内容保存为Hello.java。打开命令提示符，执行命令：

$ javac -source 1.6 -target 1.6 Hello.java

注：如果使用1.7及以上版本的JDK编译Hello.java，生成Hello.class默认的版本会比较低，使用dx生成dex文件会提示class文件无效。解决方法是强制指定class文件的版本。

继续上面的讨论，执行上面的命令生成Hello.class文件。然后执行命令：

./dx --dex --output=t1/Hello.dex t1/Hello.class

执行上面的命令前，命令行进入到dx工具所在的目录（位于Android SDK的platform-tools目录中），再把t1/Hello.class目录与文件copy到dx工具所在的目录，然后再执行上面的命令生成dex文件。

接下来在Hello.class所在目录使用javap反编译Hello.class查看foo()函数的Java字节码，执行以下命令：

$ javap -c -cp . Hello.class

命令执行后得到如下代码（foo()函数部分）：

public int foo(int, int);Code:0: iload_11: iload_22: iadd3: iload_14: iload_25: isub6: imul7: ireturn

下面再使用dexdump（位于Android sdk的platform-tools目录中）查看foo()函数的Dalvik字节码，执行以下命令：

$ ./dexdump -d t1/Hello.dex

命令执行后整理输出结果，可以得到如下代码（foo()函数部分）：

000198:                                             |[000198] t1.Hello.foo:(II)I
0001a8: 9000 0304                                   |0000: add-int v0, v3, v4
0001ac: 9101 0304                                   |0002: sub-int v1, v3, v4
0001b0: b210                                        |0004: mul-int/2addr v0, v1
0001b2: 0f00                                        |0005: return v0

查看上面的Java字节码，发现foo()函数一共占用了8个字节，代码中每条指令占用1个字节。比起Java虚拟机字节码，上面的Dalvik字节码显得简洁很多，只有4条指令就完成了下面的操作。

通过上面的分析可以发现，基于寄存器架构的Dalvik虚拟机与基于栈架构的Java虚拟机相比，由于生成的代码指令减少了，程序执行速度会更快一些。

2. Dalvik虚拟机是如何执行程序的

Android系统由Linux内核，函数库，Android运行时，应用程序框架以及应用程序组成。Dalvik虚拟机属行Android运行时环境，它与一些核心库共同承担Android应用程序的运行工作。

Android系统启动加载完内核后，第一个执行的是init进程，init进程首先要做的是设备的初始化工作，然后读取inic.rc文件并启动系统中的重要外部程序 Zygote。Zygote进程是Android所有进程的孵化器进程，它启动后会首先初始化Dalvik虚拟机，然后启动system_server并进入Zygote模式，通过socket等候命令。当执行一个Android应用程序时，system_server进程通过Binder IPC方式发送命令给Zygote，Zygote收到命令后通过fork自身创建一个Dalvik虚拟机的实例来执行应用程序的入口函数，这样一个程序就启动完成了。

Zygote提供了三种创建进程的方法：

fork()，创建一个Zygote进程（这种方式实际不会被调用）
forkAndSpecialize()，创建一个非Zygote进程
forkSystemServer()，创建一个系统服务进程。

其中，Zygote进程可以再fork()出其他进程，非Zygote进程则不能fork其他进程，而系统服务进程在终止后它的子进程也必终止。当进程fork成功后，执行的工作就交给了Dalvik虚拟机。Dalvik虚拟机首先通过loadClassFromDex()函数完成类的装载工作，每个类被成功解析后都会拥有一个ClassObject类型的数据结构存储在运行时环境中，虚拟机使用gDvm.loadedClasses全局哈希表来存储与查询所有装载进来的类，随后，字节码验证器使用dvmVerifyCodeFlow()函数对装入的代码进行校验，接着虚拟机调用FindCass()函数查找并装载main方法类，随后调用dvmInterpret()函数初始化解释器并执行字节码流。

3. 关于Dalvik虚拟机JIT（即时编译）

JIT（Just-in-time Compilation，即时编译），又称为动态编译，是一种通过在运行时将字节码翻译为机器码的技术，使得程序的执行速度更快。Android2.2版本系统的Dalvik虚拟机引入了JIT技术，官方宣称新版的Dalvik虚拟机比以往执行速度快3～6倍。主流的JIT包含两种字节码编译方式：

method方式：以函数或方法为单位进行编译。
trace方式：以trace为单位进行编译。

method方式很好理解，那什么是trace方式呢？在函数中一般很少是顺序执行代码的，多数的代码都分成了好几条执行路径，其中函数的有些路径在实际运行过程中是很少被执行的，这部分路径被称为“冷路径”，而执行比较频繁的路径被称为“热路径”。采用传统的method方式会编译整个方法的代码，这会使得在“冷路径”上浪费很多编译时间，并且耗费更多的内存；trace方法编译则能够快速地获取“热路径”代码，使用更短的时间与更少的内存来编译代码。

目前，Dalvik虚拟机默认采用trace方式编译代码，同时也支持采用method方式来编译。

原文：https://my.oschina.net/fhd/blog/365256

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