Android Dalvik虚拟机简介

本文章编辑自：<wbr style="line-height:25px"><a rel="nofollow" href="http://carvencao.blog.sohu.com/154325146.html" style="color:rgb(207,121,28); line-height:25px; text-decoration:none">http://carvencao.blog.sohu.com/154325146.html</a> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#003366; line-height:25px"></span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Java虚拟机（JVM）</span><span style="color:#003366; line-height:25px">是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。它有自己完善的硬件架构（如处理器、堆栈、寄存器等），还具有相应的指令系统。</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">其指令集基于栈架构，执行其特有的*.class文件格式</span><span style="line-height:25px; color:rgb(0,51,102)">.</span><span style="line-height:25px; color:rgb(0,51,102)">使用“Java虚拟机”程序就是为了支持与操作系统无关、在任何系统中都可以运行的程序。</span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#0000ff; line-height:25px">AndroidDalvik虚拟机</span><span style="color:#003366; line-height:25px">是Android程序的虚拟机，是Android中Java程序的运行基础。</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">其指令集基于寄存器架构，执行其特有的*.dex文件格式。</span><span style="color:#000080; line-height:25px">它</span><span style="color:#003366; line-height:25px">通过dex字节码来完成对象生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全异常管理、垃圾回收等重要功能。它的核心内容是实现库（libdvm.so），大体由C语言实现。依赖于</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Linux</span><span style="color:#003366; line-height:25px">内核的一部分功能——线程机制、内存管理机制，能高效使用内存，并在低速CPU上表现出的高性能。</span><span style="color:#ff6600; line-height:25px">每一个Android应用在底层都会对应一个独立的Dalvik虚拟机实例，其代码在虚拟机的解释下得以执行</span><span style="color:#003366; line-height:25px">。</span> </div> <div style="line-height:25px"> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#0000ff; line-height:25px">Dalvik VM</span><span style="color:#000080; line-height:25px">与</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Apache Harmony</span><span style="color:#000080; line-height:25px">项目关系源远流长，因此，与</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">JVM</span><span style="color:#000080; line-height:25px">关系自然就密切了。</span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#000080; line-height:25px">然而：</span><span style="color:#ff6600; line-height:25px">Dalvik VM ≠Java VM</span> </div> <div style="line-height:25px"><span style="color:#0000ff; line-height:25px">dalvik基于寄存器，而JVM基于栈</span></div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#0000ff; line-height:25px">Dalvik虚拟机</span><span style="color:#000080; line-height:25px">执行的是特有的</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">*.dex文件格式</span><span style="color:#000080; line-height:25px">，而JVM运行的是*.class文件格式。</span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#0000ff; line-height:25px">Dalvik虚拟机</span><span style="color:#000080; line-height:25px">有以下几个优势：</span> </div> <div style="line-height:25px"><span style="color:#0000ff; line-height:25px"> 1、在编译时提前优化代码而不是等到运行时</span></div> <div style="line-height:25px"><span style="color:#0000ff; line-height:25px"> 2、 虚拟机很小，使用的空间也小；被设计来满足可高效运行多种虚拟机实例。</span></div> <div style="line-height:25px"><span style="color:#0000ff; line-height:25px"><span style="line-height:25px; white-space:pre"></span>3、常量池已被修改为只使用32位的索引，以简化解释器</span></div> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#0000ff; line-height:25px">JVM</span><span style="color:#000080; line-height:25px">的字节码主要是零地址形式的，概念上说</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">JVM是基于栈的架构</span><span style="color:#000080; line-height:25px">。</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Android</span><span style="color:#000080; line-height:25px">平台上应用程序的主要开发语言是</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Java</span><span style="color:#000080; line-height:25px">，</span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#000080; line-height:25px">它通过其中的</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Dalvik VM</span><span style="color:#000080; line-height:25px">来运行</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Java</span><span style="color:#000080; line-height:25px">程序。为了能正确实现语义，</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Dalvik VM</span><span style="color:#000080; line-height:25px">的许多设计都考虑到与</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">JVM</span><span style="color:#000080; line-height:25px">的兼容性；但它却采用了</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">基于寄存器</span><span style="color:#000080; line-height:25px">的架构，其字节码主要是</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">二地址/三地址的混合形式</span><span style="color:#000080; line-height:25px">。</span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#000080; line-height:25px"> 基于栈与基于寄存器的架构，谁更快？现在实际的处理器，大多都是基于寄存器的架构，从侧面反映出</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">基于寄存器比基于栈的架构更与实际的处理器接近</span><span style="color:#000080; line-height:25px">。但对于</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">VM</span><span style="color:#000080; line-height:25px">来说，源架构的求值栈或者寄存器都可能是用实际机器的内存来模拟的，所以性能特性与实际硬件又有不同。</span><span style="color:#ff6600; line-height:25px">一般认为基于寄存器架构的Dalvik VM比基于栈架构JVM执行效率更高</span><span style="color:#000080; line-height:25px">，原因是：</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">虽然零地址指令更紧凑，但完成操作需要更多的load/store指令，也意味着更多的指令分派（instruction dispatch）次数与内存访问次数；访问内存是执行速度的一个重要瓶颈，二地址或三地址指令虽然每条指令占的空间较多，但总体来说可以用更少的指令完成操作，指令分派与内存访问次数都较少</span><span style="color:#000080; line-height:25px">。</span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#000080; line-height:25px">另外，关于JVM的指令集的详细内容请阅读《</span><strong><a title="阅读全文" target="_blank" href="http://hubingforever.blog.163.com/blog/static/17104057920117822653653/" style="color:rgb(207,121,28); line-height:25px; text-decoration:none">JVM指令详解</a></strong><span style="line-height:25px; color:rgb(0,0,128)">》</span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#000080; line-height:25px">我们从下面的</span><span style="line-height:25px">图1</span>和<span style="line-height:25px">图2</span><span style="color:#000080; line-height:25px">可以看到与同一段Java代码对应的Java bytecode 与Dalvid bytecode的比较。</span> </div> <div style="line-height:25px"><span style="color:#000080; line-height:25px"><span style="line-height:25px">图1</span></span></div> <div style="line-height:25px"> <div style="line-height:25px; color:rgb(0,0,128)"><img alt="Android Dalvik虚拟机简介 - hubingforever - 民主与科学" src="http://img.ph.126.net/LtgcA1ha2JIrEzCpCUUwqA==/2886525886184642588.jpg" style="line-height:25px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-bottom-width:0px; border-left-width:0px; border-style:initial; border-color:initial; max-width:100%; margin-top:0px; margin-right:10px; margin-bottom:0px; margin-left:0px"></div> <span style="line-height:25px">图2</span><span style="color:#000080; line-height:25px"></span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#000080; line-height:25px"></span> <div style="line-height:25px"><img alt="Android Dalvik虚拟机简介 - hubingforever - 民主与科学" src="http://img.ph.126.net/Hgse4DjfemmSZE75DPevJg==/2769713770849720213.jpg" style="line-height:25px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-bottom-width:0px; border-left-width:0px; border-style:initial; border-color:initial; max-width:100%; margin-top:0px; margin-right:10px; margin-bottom:0px; margin-left:0px"></div> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="line-height:25px">注意</span><span style="color:#000080; line-height:25px">：JVM中，并不是每条指令都占一个单元的，比如</span><span style="color:#ff6600; line-height:25px"><span style="line-height:25px">if_icmple</span>,<span style="line-height:25px">ifeq</span></span><span style="color:#000080; line-height:25px">等指令</span> </div> <div style="line-height:25px"> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#003366; line-height:25px"> 一个应用中会定义很多类，编译完成后即会有很多相应的</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">class</span><span style="color:#003366; line-height:25px">文件，</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">class</span><span style="color:#003366; line-height:25px">文件间会有不少冗余的信息。</span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#003366; line-height:25px">dex字节码和标准Java的字节码（Class）在结构上的一个区别是</span><span style="color:#ff6600; line-height:25px">dex字节码将多个文件整合成一个</span><span style="color:#003366; line-height:25px">，这样，除了减少整体的文件尺寸，I/O操作，也提高了类的查找速度。</span><span style="color:#003366; line-height:25px">原来每个类文件中的常量池现在由</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">DEX文件中一个常量池来管理</span><span style="color:#003366; line-height:25px">。</span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#003366; line-height:25px"> 对于</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Android</span><span style="color:#003366; line-height:25px">的</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">JAVA</span><span style="color:#003366; line-height:25px">应用程序,是先把用</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">JDK</span><span style="color:#003366; line-height:25px">把</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Java源码</span><span style="color:#003366; line-height:25px">编译成</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">*.class</span><span style="color:#003366; line-height:25px">文件，然后再用</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Android</span><span style="color:#003366; line-height:25px">提供的</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">DX工具</span><span style="color:#003366; line-height:25px">转化为</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">*.dex</span><span style="color:#003366; line-height:25px">文件的。如<span style="line-height:25px">图3</span></span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#003366; line-height:25px"> 另外，</span><span style="color:#ff6600; line-height:25px">dex文件</span><span style="color:#003366; line-height:25px">可以进行进一步优化生成</span><span style="color:#ff6600; line-height:25px">odex文件</span><span style="color:#003366; line-height:25px">。</span><span style="line-height:25px; color:rgb(0,51,102)">优化后的dex文件大小会有所增加，应该是原dex文件的1-4倍。</span> </div> <div style="line-height:25px"><span style="line-height:25px; color:rgb(0,51,102)">优化主要是针对以下几个方面：</span></div> <div style="line-height:25px"><span style="color:#000080; line-height:25px"><span style="line-height:25px; white-space:pre"></span>1、调整所有字段的字节序（LITTLE_ENDIAN）和对齐结构中的没一个域</span></div> <div style="line-height:25px"><span style="color:#000080; line-height:25px"><span style="line-height:25px; white-space:pre"></span>2、验证dex文件中的所有类</span></div> <div style="line-height:25px"><span style="color:#000080; line-height:25px"><span style="line-height:25px; white-space:pre"></span>3、对一些特定的类进行优化，对方法里的操作码进行优化</span></div> <div style="line-height:25px"><span style="line-height:25px">图3</span></div> </div> <div style="line-height:25px"> <div style="line-height:25px; color:rgb(0,51,102); font-weight:bold"><img alt="Android Dalvik虚拟机简介 - hubingforever - 民主与科学" src="http://img.ph.126.net/k-X8dW4gZnM58HKylzPqew==/2546222639341458313.jpg" style="line-height:25px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-bottom-width:0px; border-left-width:0px; border-style:initial; border-color:initial; max-width:100%; margin-top:0px; margin-right:10px; margin-bottom:0px; margin-left:0px"></div> <div style="line-height:25px"> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#ff6600; line-height:25px">每一个Android应用都运行在一个Dalvik虚拟机实例里</span><span style="color:#003366; line-height:25px">，而每一个虚拟机实例都是一个独立的进程空间。每个进程之间可以通信（IPC，Binder机制实现）。虚拟机的线程机制，内存分配和管理，Mutex等等都是依赖底层操作系统而实现的。</span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="line-height:25px; color:rgb(0,51,102)"> </span><span style="color:#ff6600; line-height:25px">不同的应用在不同的进程空间里运行</span><span style="color:#003366; line-height:25px">，当一个虚拟机关闭或意外中止时不会对其它 虚拟机造成影响，可以最大程度的保护应用的安全和独立运行。</span> </div> <div style="line-height:25px"> <span style="line-height:25px; color:rgb(0,51,102)"></span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Zygote</span><span style="color:#003366; line-height:25px">是虚拟机实例的孵化器。</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">AndroidRuntime.cpp</span><span style="color:#003366; line-height:25px">中调用</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">com.android.internal.os</span><span style="line-height:25px; color:rgb(0,51,102)">中的</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">ZygoteInit</span><span style="line-height:25px; color:rgb(0,51,102)">类的</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">main()方法，</span><span style="color:#003366; line-height:25px">执行会完成一个分裂，分裂出来的子进程继续初始化</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Java</span><span style="color:#003366; line-height:25px">层的架构，这个分裂出来的进程就是</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">system_server</span><span style="color:#003366; line-height:25px">。每当系统要求执行一个</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Android</span><span style="color:#003366; line-height:25px">应用程序，</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Zygote</span><span style="color:#003366; line-height:25px">就会</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">FORK</span><span style="color:#003366; line-height:25px">出</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">一个子进程</span><span style="color:#003366; line-height:25px">来执行该应用程序。这样做的好处显而易见：</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Zygote</span><span style="color:#000080; line-height:25px">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等操作，而在系统需要一个新的虚拟机实例时，</span><span style="color:#0000ff; line-height:25px">Zygote</span><span style="color:#000080; line-height:25px">通过复制自身，最快速的提供个系统。关于此可以参见</span><span style="line-height:25px">图4</span>和<span style="line-height:25px">图5</span><span style="color:#000080; line-height:25px">.</span><span style="color:#003366; line-height:25px">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。</span> </div> </div> </div> <div style="line-height:25px"><span style="line-height:25px">图4</span></div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#003366; line-height:25px"></span> <div style="line-height:25px"><img alt="Android Dalvik虚拟机简介 - hubingforever - 民主与科学" src="http://img.ph.126.net/TOL4-NeyDqxighgUSz9mgg==/2732840548900624314.jpg" style="line-height:25px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-bottom-width:0px; border-left-width:0px; border-style:initial; border-color:initial; max-width:100%; margin-top:0px; margin-right:10px; margin-bottom:0px; margin-left:0px"></div> </div> <div style="line-height:25px"><span style="line-height:25px">图5</span></div> <div style="line-height:25px"> <span style="color:#000080; line-height:25px"></span> <div style="line-height:25px"><img alt="Android Dalvik虚拟机简介 - hubingforever - 民主与科学" src="http://img.ph.126.net/qq085q7oxSCcPJMBm7pTdg==/1090152584817234546.jpg" style="line-height:25px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-bottom-width:0px; border-left-width:0px; border-style:initial; border-color:initial; max-width:100%; margin-top:0px; margin-right:10px; margin-bottom:0px; margin-left:0px"></div> </div> <div style="line-height:25px">结束！</div> </wbr>