android ART学习

android ART

ART（Android Runtime）
是Android5.0以后所使用的一种新的虚拟机。ART采用Ahead-of-time（AOT：Android系统自带的dex2oat工具把APK里面的.dex文件转化成OAT文件，OAT文件是一种Android私有ELF文件格式，它不仅包含有从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）技术，
应用在第一次安装的时候，字节码就会预先编译成本地机器码，之后每次打开应用，执行的都是本地机器码，去除了运行时的解释执行，效率更高，启动更快（运行时内存占用空间较少同样意味着编译二进制需要更高的存储）。
ART同时也改善了性能、垃圾回收（Garbage Collection）、应用程序除错以及性能分析

ART运行时内部使用的Java堆的主要组成包括：
四个Space：Image Space、Zygote Space、Allocation Space、Large Object Space
两个Mod Union Table
一个Card Table
两个Heap Bitmap：Live Bitmap、Mark Bitmap
两个Object Map：Live Object Map、 Mark Object Map
三个Object Stack：Live Stack、Mark Stack、Allocation Stack
Image Space
是不能分配新对象的
Image Space和Zygote Space在Zygote进程和应用程序进程之间进行共享，
Allocation Space
每个进程都独立地拥有一份
Mod Union Table对象：
一个用来记录在GC并行阶段在Image Space上分配的对象对在Zygote Space和Allocation Space上分配的对象的引用。
另一个用来记录在GC并行阶段在Zygote Space上分配的对象对在Allocation Space上分配的对象的引用。
Allocation Stack：
用来记录上一次GC后分配的对象，用来实现类型为Sticky的Mark Sweep Collector。
Live Stack：
配合allocation_stack_一起使用，用来实现类型为Sticky的Mark Sweep Collector。
Mark Stack：
用来在GC过程中实现递归对象标记

Image Space和Zygote Space之间
隔着一段用来映射system@framework@boot.art@classes.oat文件的内存。
system@framework@boot.art@classes.oat是一个OAT文件，它是由系统启动类路径中的所有DEX文件翻译得到的，
Image Space映射的是一个system@framework@boot.art@classes.dex文件，这个文件保存的是在生成system@framework@boot.art@classes.oat这个OAT文件的时候需要预加载的类对象
（需要预加载的类由/system/framework/framework.jar文件里面的preloaded-classes文件指定）。
以后只要系统启动类路径中的DEX文件不发生变化（即不发生更新升级），那么以后每次系统启动只需要将文件system@framework@boot.art@classes.dex直接映射到内存即可。

由于system@framework@boot.art@classes.dex文件保存的是一些预先创建的对象，并且这些对象之间可能会互相引用，
因此须保证system@framework@boot.art@classes.dex文件每次加载到内存的地址都是固定的（这个固定的地址保存在system@framework@boot.art@classes.dex文件开头的一个Image Header中。
此外system@framework@boot.art@classes.dex文件也依赖于system@framework@boot.art@classes.oat文件，因此也会将后者固定加载到Image Space的末尾。

Image Space <–> system@framework@boot.art@classes.dex // 它为system@framework@boot.art@classes.oat文件需预加载的类对象
//系统启动类路径中的DEX文件不发生变化，则每次系统启动只需将文件system@framework@boot.art@classes.dex直接映射到内存即可，须确保加载到内存的地址都是固定，该地址存放于一个Image Header中
|
v
system@framework@boot.art@classes.oat //系统启动类路径中的所有DEX文件翻译得到，固定加载到Image Space的末尾
|
v
Zygote Space

ART运行时对象的创建：
可分配内存的Space有三个：Zygote Space、Allocation Space和Large Object Space
Zygote Space在还没有划分出Allocation Space之前，就在Zygote Space上分配，
而当Zygote Space划分出Allocation Space之后，就只能在Allocation Space上分配。因此实际上应用运行的时候能够分配内存也就Allocation Space和Large Object Space。

而分配的对象究竟是存入上面的哪个Space呢？满足如下三个条件的内存，存入Large Object Space：
1、Zygote Space已经划分除了Allocation Space，
2、分配对象是原子类型数组，如int[] byte[] boolean[],
3、分配的内存大小大于一定的门限值。

对于分配对象时内存不足的问题，是通过垃圾回收和在允许范围内增长堆大小解决的。由于垃圾回收会影响程序，因此ART运行时采用力度从小到大的进垃圾回收策略。
一旦力度小的垃圾回收执行过后能满足分配要求，那就不需要进行力度大的垃圾回收了（跟dalvik虚拟机的对象分配策略也是类似的）。

ART的运行原理：
1、Android系统启动过程中创建的Zygote进程利用ART运行时导出的Java虚拟机接口创建ART虚拟机。
2、APK在安装的时候，里面的classes.dex文件会被工具dex2oat翻译成本地机器指令，最终得到一个ELF格式的oat文件。
3、APK运行时，生成的oat文件会被加载到内存，并且ART虚拟机可以通过里面的oatdata和oatexec段找到任意一个类的方法对应的本地机器指令来执行。

—oat文件中的oatdata包含用来生成本地机器指令的dex文件内容
—oat文件中的oatexec包含有生成的本地机器指令。

ART中查找类和方法：
1、在DEX文件中找到目标DEX类的编号，并且以这个编号为索引，在OAT文件中找到对应的OAT类。
2、在DEX文件中找到目标DEX方法的编号，并且以这个编号为索引，在上一步找到的OAT类中找到对应的OAT方法。
3、使用找到的OAT方法的成员变量begin_和code_offset_，计算出该方法对应的本地机器指令

说明：
DEX文件中的类和方法称之为DEX类和DEX方法，
OTA中的类和方法称之为OTA类和OTA方法，
ART运行时将类和方法称之为Class和ArtMethod。
ART中一个已经加载的Class对象包含了一系列的ArtField对象和ArtMethod对象：
ArtField对象用来描述成员变量信息
ArtMethod用来描述成员函数信息对于每一个ArtMethod对象，它都有一个解释器入口点和一个本地机器指令入口点

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