第12讲：DVM 以及 ART 是如何对 JVM 进行优化的？

什么是 Dalvik

Dalvik 是 Google 公司自己设计用于 Android 平台的 Java 虚拟机，Android 工程师编写的 Java 或者 Kotlin 代码最终都是在这台虚拟机中被执行的。在 Android 5.0 之前叫作 DVM，5.0 之后改为 ART（Android Runtime）。

在整个 Android 操作系统体系中，ART 位于以下图中红框位置：

其实称 DVM/ART 为 Android 版的 Java 虚拟机，这种说法并不是很准确。虚拟机必须符合 Java 虚拟机规范，也就是要通过 JCM（Java Compliance Kit）的测试并获得授权，但是 DVM/ART 并没有得到授权。

DVM 大多数实现与传统的 JVM 相同，但是因为 Android 最初是被设计用于手机端的，对内存空间要求较高，并且起初 Dalvik 目标是只运行在 ARM 架构的 CPU 上。针对这几种情况，Android DVM 有了自己独有的优化措施。

Dex 文件

传统 Class 文件是由一个 Java 源码文件生成的 .Class 文件，而 Android 是把所有 Class 文件进行合并优化，然后生成一个最终的 class.dex 文件。dex 文件去除了 class 文件中的冗余信息（比如重复字符常量），并且结构更加紧凑，因此在 dex 解析阶段，可以减少 I/O 操作，提高了类的查找速度。

比如在 course12 目录下，分别创建 Dex1.java 和 Dex2.java，如下所示：

分别通过 javac 命令将它们编译为 .class 文件。

javac Dex1.java  ->  Dex1.class

javac Dex2.java  ->  Dex2.class

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然后通过以下命令将 Dex1.class 和 Dex2.class 打包到一个 jar 文件中。

jar cvf AllDex.jar Dex1.class Dex2.class


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上述命令会在当前目录生成一个 AllDex.jar 文件。

最后使用 dx 命令将 AllDex.jar 进行优化，并生成 AllDex.dex 文件。

dx --dex --output AllDex.dex AllDex.jars

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命令结束后，会在当前目录生成 AllDex.dex 文件。

正常情况下，我们无法通过反编译工具查看其源码，但是可以通过 Android SDK 中的工具 dexdump 查看其字节码：

dexdump -d -l plain AllDex.dex

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上述命令会将 Dex1 和 Dex2 优化后的字节码显示到控制台，内容较多，部分结果如下：

可以看出 Dex1 和 Dex2 的信息都在此 .dex 文件中。

实际上，dex 文件在 App 安装过程中还会被进一步优化为 odex(optimized dex)，此过程还会在后续介绍安装过程时再次提到。

注意：这一优化过程也会伴随着一些副作用，最经典的就是 Android 65535 问题。出现这个问题的根本原因是在 DVM 源码中的 MemberIdsSection.java 类中，有如下一段代码：

如果 items 个数超过 DexFormat.MAX_MEMBER_IDX 则会报错，DexFormat.MAX_MEMBER_IDX 的值为 65535，items 代表 dex 文件中的方法个数、属性个数、以及类的个数。也就是说理论上不止方法数，我们在 java 文件中声明的变量，或者创建的类个数如果也超过 65535 个，同样会编译失败，Android 提供了 MultiDex 来解决这个问题。很多网上的文章说 65535 问题是因为解析 dex 文件到数据结构 DexFile 时，使用了 short 来存储方法的个数，其实这种说法是错误的！

架构基于寄存器&基于栈堆结构

在之前的课时中，我已经介绍过 JVM 的指令集是基于栈结构来执行的；而 Android 却是基于寄存器的，不过这里不是直接操作硬件的寄存器，而是在内存中模拟一组寄存器。Android 字节码和 Java 字节码完全不同，Android 的字节码（smali）更多的是二地址指令和三地址指令，具体Dalvik 指令可以参考官网
Dalvik 字节码

具体看一下 Dalvik 和 JVM 字节码的区别，在上文中提到的 Dex1.java，在 Dex1 中有 add 方法如下：

经过编译为 Dex1.class 之后，查看其字节码为下图所示：

add 方法会使用 4 行指令来完成。而通过 dx 将其优化为 .dex 文件后，再次查看它的 Dalvik 字节码为如下：

解释说明：

add-int 指令需要 3 个寄存器参数：v0、v2、v3。这个指令会将 v2 和 v3 进行相加运算，然后将结果保存在寄存器 v0 中。
return 指令将结果返回。
可以看出， Dalvik 字节码只需要 2 行指令。基于寄存器的指令明显会比基于栈的指令少，虽然增加了指令长度但却缩减了指令的数量，执行也更为快速。用一张表格来对比基于栈和基于寄存器的实现方式如下：

内存管理与回收

DVM 与 JVM 另一个比较显著的不同就是内存结构的区别，主要体现在对”堆”内存的的管理。
Dalvik 虚拟机中的堆被划分为了 2 部分：Active Heap 和 Zygote Heap。如下所示：

上图取自老罗的 Android 源码分析，图中的 Card Table 以及两个 Heap Bitmap 主要是用来记录垃圾收集过程中对象的引用情况，以便实现 Concurrent GC。

为什么要分 Zygote 和 Active 两部分？

Android 系统的第一个 Dalvik 虚拟机是由 Zygote 进程创建的，而应用程序进程是由 Zygote 进程 fork 出来的。

Zygote 进程是在系统启动时产生的，它会完成虚拟机的初始化，库的加载，预置类库的加载和初始化等操作，而在系统需要一个新的虚拟机实例时，Zygote 通过复制自身，最快速的提供一个进程；另外，对于一些只读的系统库，所有虚拟机实例都和 Zygote 共享一块内存区域，大大节省了内存开销。如下图所示：

解释说明：
当启动一个应用时，Android 操作系统需要为应用程序创建新的进程，而这一步操作是通过一种写时拷贝技术（COW）直接复制 Zygote 进程而来。这意味着在开始的时候，应用程序进程和 Zygote 进程共享了同一个用来分配对象的堆。然而，当 Zygote 进程或者应用程序进程对该堆进行写操作时，内核就会执行真正的拷贝操作，使得 Zygote 进程和应用程序进程分别拥有自己的一份拷贝。拷贝是一件费时费力的事情。因此，为了尽量地避免拷贝，Dalvik 虚拟机将自己的堆划分为两部分。

事实上，Dalvik 虚拟机的堆最初只有一个，也就是 Zygote 进程在启动过程中创建 Dalvik 虚拟机时，只有一个堆。但是当 Zygote 进程在 fork 第一个应用程序进程之前，会将已经使用的那部分堆内存划分为一部分，把还没有使用的堆内存划分为另外一部分。前者就称为 Zygote 堆，后者就称为 Active 堆。以后无论是 Zygote 进程，还是应用程序进程，当它们需要分配对象的时候，都在 Active 堆上进行。这样就可以使得 Zygote 堆尽可能少地被执行写操作，因而就可以减少执行写时拷贝的操作时间。

Dalvik 虚拟机堆

在 Dalvik 虚拟机中，堆实际上就是一块匿名共享内存。Dalvik 虚拟机并不是直接管理这块匿名共享内存，而是将它封装成一个 mspace，交给 C 库来管理。为什么要这样做呢？因为内存碎片问题其实是一个通用的问题，不只是 Dalvik 虚拟机在 Java 堆为对象分配内存时会遇到，C 库的 malloc 函数在分配内存时也会遇到。

Android 系统使用的 C 库 bionic 使用了 Doug Lea 写的 dlmalloc 内存分配器，也就是说，我们调用函数 malloc 的时候，使用的是 dlmalloc 内存分配器来分配内存。这是一个成熟的内存分配器，可以很好地解决内存碎片问题。

关于 dlmalloc 内存分配器的设计，可以参考Doug Lea写的这篇文章：A Memory Allocator

总结

本课时主要从 3 个方面介绍 DVM 的一些显著特点。但是实际上 DVM 这个话题很大，有很多细节不能通过一个课时就能讲清楚。需要读者结合整套源码实现才能对 DVM 有更深的理解。

DVM 源码分析的资料与链接

1. Android Dalvik官方文档
2. Dalvik虚拟机Java堆创建过程分析

示例代码代码在 LearnJava工程里的src目录下的deep12jvmdvm包里

源码

链接地址：https://gitee.com/benloogchang/LearnJava.git