Android随笔-虚拟机

概述

Android开发虽然基于Java，但是有自己的虚拟机，Android应用程序运行在ART/Dalvik虚拟机上，并非Java虚拟机。Android虚拟机其实也算是Java虚拟机，两者大部分特性是相同的，主要不同在于执行文件和执行指令集。

• Java中xxx.java文件编译后生成.class文件。
• Android中xxx.java代码编译后生成.dex文件，打包后再解压可以看到有很多.dex文件。
• 一个.dex文件包含很多class，而一个.class文件中只有一个class。
• 每一个Android应用程序都对应一个单独的Android虚拟机实例。

虚拟机

虚拟机位于程序与硬件之间，将程序翻译成各种CPU可以执行的指令，而不用关心CPU架构，实现一次编译，到处运行的效果。

Java虚拟机

Java虚拟机是基于栈的，即每一个运行的线程，都有一个独立的栈，每调用一个方法，栈中就会多一个栈帧，最顶部的栈帧就是当前正在执行的方法，而虚拟机通过操作数栈对栈帧进行操作，所以栈就是方法调用的记录。

通过Java中编译生成的字节码Bytecode，可以看到Java程序是怎样一步一步的执行，详细过程可以参考Java随笔-方法执行与栈帧。
总得来讲就是程序计数器记录程序执行位置，操作数栈不断的压栈、出栈，局部变量表不停的存值、取值，操作数栈再不断的压栈、出栈，执行计算…。

Android虚拟机

Dalvik

Android虚拟机最开始默认使用的是Dalvik虚拟机执行.dex文件，从Android2.2开始支持即时编译JIT（Just In Time），在程序运行的过程中选择热点代码（经常执行的代码）进行编译或优化。Dalvik和JVM很相似，Android5.0后被废弃。
与JIT一起的还有Interpreter（解释执行），就是一边把字节码翻译成当前硬件平台的机器码一边执行。启动比较快，就是执行效率低下。

ART

Android4.4开始在开发中选项中引入了ART（Android Runtime），在Android5.0后就完全使用ART。ART执行的是本地机器码，所以执行效率要比Dalvik快很多，能明显减少卡顿现象，这也是为什么废弃Dalvik使用ART的原因。
ART 采用了一种叫AOT (ahead of time) 来代替目前的在 runtime 时的 Interpreter 与 JIT。ART 不是等到App运行的时候才去运行dex文件，而是在App安装的时候就通过 AOT编译器 将.dex文件通过dex2oat编译为对应的.oat二进制文件，dex中的字节码会被编译成本地机器码。当用户点击App的启动图标时，ART直接加载.oat文件去执行。其中那个.oat文件就是一个ELF文件，其是当前机器的可执行的文件。所以ART在安装应用的时候要比Dalvik慢一点。

• dexopt
  使用Dalvik加载dex文件时，会对dex文件进行验证和优化，dex被优化后就成了odex文件。
• dex2oat
  ART在安装时对dex文件执行提前编译操作，编译为OAT文件，实际上也是ELF机器码。

混合编译

从Android N开始，Android开始混合使用AOT编译，解释执行，JIT。执行步骤如下：

1. 首次安装APP时，不使用AOT编译，减少了安装时间。系统会通过Interpreter解释执行的方式启动APP，提升了启动速度。
2. APP运行过程中热点代码使用JIT编译。
3. 使用JIT编译的方法会被记录在配置文件Profile中。
4. 当设备充电或处于空闲的时候，编译守护线程会对Profile中记录的方法进行AOT编译，将dex文件编译成oat文件。
5. 再次运行APP时，直接执行oat文件。

比较

Android虚拟机基于Java虚拟机，所以先说Java虚拟机。Android虚拟机基于寄存器，没有操作数栈，少了很多出入栈的操作。

Android虚拟机与JVM想比程序指令明显减少，数据移动数据次数也明显减少。