怎么理解Android虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu)

本篇內(nèi)容主要講解“怎么理解Android虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu)”，感興趣的朋友不妨來(lái)看看。本文介紹的方法操作簡(jiǎn)單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來(lái)帶大家學(xué)習(xí)“怎么理解Android虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu)”吧!

1. 什么是Dalvik虛擬機(jī)

Dalvik是Google公司自己設(shè)計(jì)用于Android平臺(tái)的Java虛擬機(jī)，它是Android平臺(tái)的重要組成部分，支持dex格式(Dalvik  Executable)的Java應(yīng)用程序的運(yùn)行。dex格式是專門為Dalvik設(shè)計(jì)的一種壓縮格式，適合內(nèi)存和處理器速度有限的系統(tǒng)。Google對(duì)其進(jìn)行了特定的優(yōu)化，使得Dalvik具有高效、簡(jiǎn)潔、節(jié)省資源的特點(diǎn)。從Android系統(tǒng)架構(gòu)圖知，Dalvik虛擬機(jī)運(yùn)行在Android的運(yùn)行時(shí)庫(kù)層。

2. Dalvik虛擬機(jī)的功能

Dalvik作為面向Linux、為嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的虛擬機(jī)，主要負(fù)責(zé)完成對(duì)象生命周期管理、堆棧管理、線程管理、安全和異常管理，以及垃圾回收等。Dalvik充分利用Linux進(jìn)程管理的特定，對(duì)其進(jìn)行了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，使得可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，而傳統(tǒng)的Java程序通常只能運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程，這也是為什么Android不采用JVM的原因。Dalvik為了達(dá)到優(yōu)化的目的，底層的操作大多和系統(tǒng)內(nèi)核相關(guān)，或者直接調(diào)用內(nèi)核接口。另外，Dalvik早期并沒(méi)有JIT編譯器，直到Android2.2才加入了對(duì)JIT的技術(shù)支持。

3. Dalvik虛擬機(jī)和Java虛擬機(jī)的區(qū)別

本質(zhì)上，Dalvik也是一個(gè)Java虛擬機(jī)。但它特別之處在于沒(méi)有使用JVM規(guī)范。大多數(shù)Java虛擬機(jī)都是基于棧的結(jié)構(gòu)(詳情請(qǐng)參考：理解Java虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu))，而Dalvik虛擬機(jī)則是基于寄存器?；跅５闹噶詈芫o湊，例如，Java虛擬機(jī)使用的指令只占一個(gè)字節(jié)，因而稱為字節(jié)碼?；诩拇嫫鞯闹噶钣捎谛枰付ㄔ吹刂泛湍繕?biāo)地址，因此需要占用更多的指令空間。Dalvik虛擬機(jī)的某些指令需要占用兩個(gè)字節(jié)。基于棧和基于寄存器的指令集各有優(yōu)劣，一般而言，執(zhí)行同樣的功能，前者需要更多的指令(主要是load和store指令)，而后者需要更多的指令空間。需要更多指令意味著要多占用CPU時(shí)間，而需要更多指令空間意味著數(shù)據(jù)緩沖(d-cache)更易失效。更多討論，虛擬機(jī)隨談(一)：解釋器，樹遍歷解釋器，基于棧與基于寄存器，大雜燴  給出了非常詳細(xì)的參考。

Java虛擬機(jī)運(yùn)行的是Java字節(jié)碼，而Dalvik虛擬機(jī)運(yùn)行的是專有文件格式dex。在Java程序中，Java類會(huì)被編譯成一個(gè)或多個(gè)class文件，然后打包到j(luò)ar文件中，接著Java虛擬機(jī)會(huì)從相應(yīng)的class文件和jar文件中獲取對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼。Android應(yīng)用雖然也使用Java語(yǔ)言，但是在編譯成class文件后，還會(huì)通過(guò)DEX工具將所有的class文件轉(zhuǎn)換成一個(gè)dex文件，Dalvik虛擬機(jī)再?gòu)闹凶x取指令和數(shù)據(jù)。dex文件除了減少整體的文件尺寸和I/O操作次數(shù)，也提高了類的查找速度。

由下圖可以看到，jar和apk文件的組成結(jié)構(gòu)，以及class文件和dex文件的差異。dex格式文件使用共享的、特定類型的常量池機(jī)制來(lái)節(jié)省內(nèi)存。常量池存儲(chǔ)類中的所有字面常量，它包括字符串常量、字段常量等值。

總的來(lái)說(shuō)，Dalvik虛擬機(jī)具有以下特點(diǎn)：

• 使用dex格式的字節(jié)碼，不兼容Java字節(jié)碼格式

• 代碼密度小，運(yùn)行效率高，節(jié)省資源

• 常量池只使用32位的索引

• 有內(nèi)存限制

• 默認(rèn)棧大小是12KB(3個(gè)頁(yè)，每頁(yè)4KB)

• 堆默認(rèn)啟動(dòng)大小為2MB，默認(rèn)***值為16MB

• 堆支持的最小啟動(dòng)大小為1MB，支持的***值為1024MB

• 堆和棧參數(shù)可以通過(guò)-Xms和-Xmx修改

4. Dalvik系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)際上，Dalvik是基于Apache Harmony(Apache軟件基金會(huì)的Java  SE項(xiàng)目)的部分實(shí)現(xiàn)，提供了自己的一套庫(kù)，即上層Java應(yīng)用程序編寫所使用的API。

以上圖示來(lái)自tech-insider。Apache  Harmony大體上分為三個(gè)層：操作系統(tǒng)、Java虛擬機(jī)、Java類庫(kù)。它的特點(diǎn)在于虛擬機(jī)和類庫(kù)內(nèi)部被高度模塊化，每一個(gè)模塊都有一定的接口定義。操作系統(tǒng)層與虛擬機(jī)層之間的接口由Portability  Layer定義，它封裝了不同操作系統(tǒng)的差異，為虛擬機(jī)和類庫(kù)的本地代碼提供了一套統(tǒng)一的API訪問(wèn)底層系統(tǒng)調(diào)用。虛擬機(jī)與類庫(kù)之間的接口除了Java規(guī)范定義的JNI、JVMITI外，還加入了一層虛擬機(jī)接口，由內(nèi)核類和本地代碼組成。實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)接口的虛擬機(jī)都可以使用Harmony的類庫(kù)實(shí)現(xiàn)，并且可以被Harmony提供的同一個(gè)Java啟動(dòng)程序啟動(dòng)。

下面是Dalvik虛擬機(jī)的結(jié)構(gòu)圖：

一個(gè)應(yīng)用首先經(jīng)過(guò)DX工具將class文件轉(zhuǎn)換成Dalvik虛擬機(jī)可以執(zhí)行的dex文件，然后由類加載器加載原生類和Java類，接著由解釋器根據(jù)指令集對(duì)Dalvik字節(jié)碼進(jìn)行解釋、執(zhí)行。***，根據(jù)dvm_arch參數(shù)選擇編譯的目標(biāo)機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

4.1 dex文件結(jié)構(gòu)

dex文件結(jié)構(gòu)和class文件結(jié)構(gòu)差異的地方很多，但從攜帶的信息上看，dex和class文件是一致的。

• header：存儲(chǔ)了各個(gè)數(shù)據(jù)類型的起始地址、偏移量等信息。

• proto_ids：描述函數(shù)原型信息，包括返回值，參數(shù)信息。比如“test:()V”

• methods_ids：函數(shù)信息，包括所屬類及對(duì)應(yīng)的proto信息。

更多dex格式的內(nèi)容，Android安全–Dex文件格式詳解  這篇文章進(jìn)行了非常詳細(xì)的介紹。雖然dex文件的結(jié)構(gòu)很緊湊，但想要運(yùn)行時(shí)的性能得到進(jìn)一步提升，還需要對(duì)dex文件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)化主要針對(duì)以下幾個(gè)方面：

• 調(diào)整所有字段的字節(jié)序和對(duì)齊結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)域

• 驗(yàn)證dex文件中的所有類

• 對(duì)一些特定的類進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)方法里的操作碼進(jìn)行優(yōu)化

dex文件經(jīng)過(guò)優(yōu)化后文件大小會(huì)膨脹，大約增加到原來(lái)的1~4倍。對(duì)于內(nèi)置應(yīng)用，一般在系統(tǒng)編譯后，便會(huì)生成優(yōu)化文件(odex: Optimized  dex)。一個(gè)Android應(yīng)用程序，需要經(jīng)過(guò)以下過(guò)程才可以在Dalvik虛擬機(jī)上運(yùn)行：

• 把Java源文件編譯成class文件

• 使用DX工具把class文件轉(zhuǎn)換成dex文件

• 使用aapt工具把dex文件、資源文件以及AndroidManifest.xml文件(二進(jìn)制格式)組合成APK

• 將APK安裝到Android設(shè)備運(yùn)行 

上圖(來(lái)自網(wǎng)絡(luò))詳盡地展示了最終簽名后的APK是怎么來(lái)的。

4.2 Dalvik類加載器

一個(gè)dex文件需要類加載器加載原生類和Java類，然后通過(guò)解釋器根據(jù)指令集對(duì)Dalvik字節(jié)碼進(jìn)行解釋和執(zhí)行。Dalvik類加載器使用mmap函數(shù)，將dex文件映射到內(nèi)存中，通過(guò)普通的內(nèi)存讀取操作即可訪問(wèn)dex文件，然后解析dex文件內(nèi)容并加載其中的類到哈希表中。

4.2.1 解析dex

總的來(lái)說(shuō)，dex文件可以抽象為三個(gè)部分：頭部、索引、數(shù)據(jù)。通過(guò)頭部可以知道索引的位置和數(shù)目，以及數(shù)據(jù)區(qū)的起始位置。將dex文件映射到內(nèi)存后，Dalvik會(huì)調(diào)用dexFileParse函數(shù)對(duì)其進(jìn)行分析，分析的結(jié)果放到DexFile數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。DexFile中的baseAddr指向映射區(qū)的起始位置，pClassDefs指向class索引的起始位置。為了加快class的查找速度，還創(chuàng)建一個(gè)哈希表，對(duì)class名字進(jìn)行哈希并生成索引。

4.2.2 加載class

解析工作完成后就進(jìn)行class的加載，加載的類需要用ClassObject數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)。

typedef struct Object {      ClassObject* clazz;  // 類型對(duì)象      Lock lock;           // 鎖對(duì)象  } Object;

其中clazz指向ClassObject對(duì)象，還包含一個(gè)Lock對(duì)象。如果其它線程想要獲取它的鎖，只有等這個(gè)線程釋放。Dalvik每加載一個(gè)class都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)ClassObject對(duì)象，加載過(guò)程會(huì)在內(nèi)存中分配幾個(gè)區(qū)域，分別存放directMethod,  virtualMethod, sfield, ifield。這些信息從dex文件的數(shù)據(jù)區(qū)中讀取。字段Field的定義如下：

struct Field {      ClassObject* clazz;    //所屬類型      const char* name;      // 變量名稱      const char* signature; // 如“Landroid/os/Debug;”      u4 accessFlags;        // 訪問(wèn)標(biāo)記         #ifdef PROFILE_FIELD_ACCESS          u4 gets;          u4 puts;      #endif  };

待得到class索引后，實(shí)際的加載由loadClassFromDex來(lái)完成。首先它會(huì)讀取class的具體數(shù)據(jù)，分別加載directMethod,  virtualMethod,  ifield和sfield，然后為ClassObject數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配內(nèi)存，并讀取dex文件的相關(guān)信息。加載完成后，將加載的class通過(guò)dvmAddClassToHash函數(shù)放入哈希表，以方便下次查找;***，通過(guò)dvmLinkClass查找該類的超類，如果有接口類則加載相應(yīng)的接口類。

4.3 Dalvik解釋器

對(duì)于任何虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)，解釋器無(wú)疑是核心的部分，所有的Java字節(jié)碼都經(jīng)過(guò)解釋器解釋執(zhí)行。由于Dalvik解釋器的效率很重要，Android分別實(shí)現(xiàn)了C語(yǔ)言版和各種匯編語(yǔ)言版的解釋器。解釋器通常是循環(huán)執(zhí)行，需要一個(gè)入口函數(shù)調(diào)用處理程序執(zhí)行***條指令，而后每條指令執(zhí)行時(shí)引出下一條指令，通過(guò)函數(shù)指針調(diào)用處理程序。

4.4 內(nèi)存管理

垃圾收集是Dalvik虛擬機(jī)內(nèi)存管理的核心。此處只介紹Dalvik虛擬機(jī)的垃圾收集功能。垃圾收集的性能在很大程度上影響了一個(gè)Java程序內(nèi)存使用的效率。Dalvik虛擬機(jī)使用常用的Mark-Sweep算法，該算法分Mark階段(標(biāo)記出活動(dòng)對(duì)象)、Sweep階段(回收垃圾內(nèi)存)和可選的Compact階段(減少堆中的碎片)。Android內(nèi)存管理原理  這篇文章講解得很詳細(xì)。

垃圾收集的***步是標(biāo)記出活動(dòng)對(duì)象，因?yàn)闆](méi)有辦法識(shí)別那些不可訪問(wèn)的對(duì)象，這樣所有未被標(biāo)記的對(duì)象就是可以回收的垃圾。當(dāng)進(jìn)行垃圾收集時(shí)，需要停止Dalvik虛擬機(jī)的運(yùn)行(除垃圾收集外)，因此垃圾收集又被稱作STW(stop-the-world)。Dalvik虛擬機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中要維護(hù)一些狀態(tài)信息，這些信息包括：每個(gè)線程所保存的寄存器、Java類中的靜態(tài)字段、局部和全局的JNI引用，JVM中的所有函數(shù)調(diào)用會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)C的棧幀。每一個(gè)棧幀里可能包含對(duì)對(duì)象的引用，比如包含對(duì)象引用的局部變量和參數(shù)。所有這些引用信息被加入到一個(gè)根集合中，然后從根集合開始，遞歸查找可以從根集合出發(fā)訪問(wèn)的對(duì)象。因此，Mark過(guò)程又叫做追蹤，追蹤所有可被訪問(wèn)的對(duì)象。

垃圾收集的第二步就是回收內(nèi)存。在Mark階段通過(guò)markBits位圖可以得到所有可訪問(wèn)的對(duì)象集合，而liveBits位圖表示所有已經(jīng)分配的對(duì)象集合。通過(guò)比較liveBits位圖和markBits位圖的差異就是所有可回收的對(duì)象集合。Sweep階段調(diào)用free來(lái)釋放這些內(nèi)存給堆。

在底層內(nèi)存實(shí)現(xiàn)上，Android系統(tǒng)使用的是msspace，這是一個(gè)輕量級(jí)的malloc實(shí)現(xiàn)。除了創(chuàng)建和初始化用于存儲(chǔ)普通Java對(duì)象的內(nèi)存堆，Android還創(chuàng)建三個(gè)額外的內(nèi)存堆：

• “l(fā)ivebits”(用來(lái)存放堆上內(nèi)存被占用情況的位圖索引)

• “markbits”(在GC時(shí)用于標(biāo)注存活對(duì)象的位圖索引)

• “markstack”(在GC中遍歷存活對(duì)象引用的標(biāo)注棧)

虛擬機(jī)通過(guò)一個(gè)名為gHs的全局HeapSource變量來(lái)操控GC內(nèi)存堆，而HeapSource里通過(guò)heaps數(shù)組可以管理多個(gè)堆(Heap)，以滿足動(dòng)態(tài)調(diào)整GC內(nèi)存堆大小的要求。另外HeapSource里還維護(hù)一個(gè)名為”livebits”的位圖索引，以跟蹤各個(gè)堆(Heap)的內(nèi)存使用情況。剩下兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”markstack”和”markbits”都是用在垃圾回收階段。

上圖中”livebits”維護(hù)堆上已用的內(nèi)存信息，而”markbits”這個(gè)位圖索引則指向存活的對(duì)象。  A、C、F、G、H對(duì)象需要保留，因此”markbits”分別指向他們(***的H對(duì)象尚在標(biāo)注過(guò)程中，因此沒(méi)有指針指向它)。而”markstack”就是在標(biāo)注過(guò)程中跟蹤當(dāng)前需要處理的對(duì)象要用到的標(biāo)志棧，此時(shí)其保存了正在處理的對(duì)象F、G和H。

4.5 Dalvik的啟動(dòng)流程

Dalvik進(jìn)程管理是依賴于linux的進(jìn)程體系結(jié)構(gòu)的，如要為應(yīng)用程序創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，它會(huì)使用linux的fork機(jī)制來(lái)復(fù)制一個(gè)進(jìn)程。Zygote是一個(gè)虛擬機(jī)進(jìn)程，同時(shí)也是一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例的孵化器，它通過(guò)init進(jìn)程啟動(dòng)。之前的文章有對(duì)此過(guò)程有詳細(xì)介紹：Android系統(tǒng)啟動(dòng)分析(Init->Zygote->SystemServer->Home  activity)。此處分析Dalvik虛擬機(jī)啟動(dòng)的相關(guān)過(guò)程。

AndroidRuntime類主要做了以下幾件事情：

• 調(diào)用startVM創(chuàng)建一個(gè)Dalvik虛擬機(jī)，JNI_CreateJavaVM真正創(chuàng)建并初始化虛擬機(jī)實(shí)例

• 調(diào)用startReg注冊(cè)Android核心類的JNI方法

• 通過(guò)Zygote進(jìn)程進(jìn)入Java層

在JNI中，dvmCreateJNIEnv為當(dāng)前線程創(chuàng)建和初始化一個(gè)JNI環(huán)境，即一個(gè)JNIEnvExt對(duì)象。***調(diào)用dvmStartup來(lái)初始化前面創(chuàng)建的Dalvik虛擬機(jī)實(shí)例。函數(shù)dvmInitZygote調(diào)用了系統(tǒng)的setpgid來(lái)設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程，即Zygote進(jìn)程的進(jìn)程組ID。這一步完成后，Dalvik虛擬機(jī)的創(chuàng)建和初始化工作就完成了。

5. Android的啟動(dòng)

• 啟動(dòng)電源，加載引導(dǎo)程序到RAM

• BootLoader引導(dǎo)

• Linux Kernel啟動(dòng)

• Init進(jìn)程創(chuàng)建

• Init fork出Zygote進(jìn)程，Zygote進(jìn)程創(chuàng)建虛擬機(jī);創(chuàng)建系統(tǒng)服務(wù)

• Android Home Launcher啟動(dòng) 

到此，相信大家對(duì)“怎么理解Android虛擬機(jī)體系結(jié)構(gòu)”有了更深的了解，不妨來(lái)實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！