Android内存优化(一)DVM和ART原理初探

1-ClSMKlNwdXNTaLbRpHTqtg_副本.jpg
相关文章
Android性能优化系列
Java虚拟机系列

前言

要学习Android的内存优化,首先要了解Java虚拟机,此前我用了多篇文章来介绍Java虚拟机的知识,就是为了这个系列做铺垫。在Android开发中我们接触的是与Java虚拟机类似的Dalvik虚拟机和ART虚拟机,这一篇我们就来了解它们的基本原理。

1.Dalvik虚拟机

Dalvik虚拟机( Dalvik Virtual Machine ),简称Dalvik VM或者DVM。它是由Dan Bornstein编写的,名字源于他的祖先居住过的名为Dalvik的小渔村。DVM是Google专门为Android平台开发的虚拟机,它运行在Android运行时库中。需要注意的是DVM并不是一个Java虚拟机(以下简称JVM),至于为什么,下文会给你答案。

DVM与JVM的区别

DVM之所以不是一个JVM ,主要原因是DVM并没有遵循JVM规范来实现。DVM与JVM主要有以下区别。

基于的架构不同
JVM基于栈则意味着需要去栈中读写数据,所需的指令会更多,这样会导致速度慢,对于性能有限的移动设备,显然不是很适合。
DVM是基于寄存器的,它没有基于栈的虚拟机在拷贝数据而使用的大量的出入栈指令,同时指令更紧凑更简洁。但是由于显示指定了操作数,所以基于寄存器的指令会比基于栈的指令要大,但是由于指令数量的减少,总的代码数不会增加多少。

执行的字节码不同
在Java SE程序中,Java类会被编译成一个或多个.class文件,打包成jar文件,而后JVM会通过相应的.class文件和jar文件获取相应的字节码。执行顺序为: .java文件 -> .class文件 -> .jar文件
而DVM会用dx工具将所有的.class文件转换为一个.dex文件,然后DVM会从该.dex文件读取指令和数据。执行顺序为:
.java文件 –>.class文件-> .dex文件
QQ截图20170602163255.png

如上图所示,.jar文件里面包含多个.class文件,每个.class文件里面包含了该类的常量池、类信息、属性等等。当JVM加载该.jar文件的时候,会加载里面的所有的.class文件,JVM的这种加载方式很慢,对于内存有限的移动设备并不合适。
而在.apk文件中只包含了一个.dex文件,这个.dex文件里面将所有的.class里面所包含的信息全部整合在一起了,这样再加载就提高了速度。.class文件存在很多的冗余信息,dex工具会去除冗余信息,并把所有的.class文件整合到.dex文件中,减少了I/O操作,提高了类的查找速度。

DVM允许在有限的内存中同时运行多个进程
DVM经过优化,允许在有限的内存中同时运行多个进程。在Android中的每一个应用都运行在一个DVM实例中,每一个DVM实例都运行在一个独立的进程空间。独立的进程可以防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。

DVM由Zygote创建和初始化
Android系统启动流程(二)解析Zygote进程启动过程这篇文章中我介绍过 Zygote,可以称它为孵化器,它是一个DVM进程,同时它也用来创建和初始化DVM实例。每当系统需要创建一个应用程序时,Zygote就会fock自身,快速的创建和初始化一个DVM实例,用于应用程序的运行。

DVM架构

DVM的源码位于dalvik/目录下,其中dalvik/vm目录下的内容是DVM的具体实现部分,它会被编译成libdvm.so;dalvik/libdex会被编译成libdex.a静态库,作为dex工具使用;dalvik/dexdump是.dex文件的反编译工具;DVM的可执行程序位于dalvik/dalvikvm中,将会被编译成dalvikvm可执行程序。DVM架构如下图所示。

DVM架构_副本.png
从上图可以看出,首先Java编译器编译的.class文件经过DX工具转换为.dex文件,.dex文件由类加载器处理,接着解释器根据指令集对Dalvik字节码进行解释、执行,最后交与Linux处理。

DVM的运行时堆

DVM的运行时堆主要由两个Space以及多个辅助数据结构组成,两个Space分别是Zygote Space(Zygote Heap)和Allocation Space(Active Heap)。Zygote Space用来管理Zygote进程在启动过程中预加载和创建的各种对象,Zygote Space中不会触发GC,所有进程都共享该区域,比如系统资源。Allocation Space是在Zygote进程fork第一个子进程之前创建的,它是一种私有进程,Zygote进程和fock的子进程在Allocation Space上进行对象分配和释放。
除了这两个Space,还包含以下数据结构:

  • Card Table:用于DVM Concurrent GC,当第一次进行垃圾标记后,记录垃圾信息。
  • Heap Bitmap:有两个Heap Bitmap,一个用来记录上次GC存活的对象,另一个用来记录这次GC存活的对象。
  • Mark Stack:DVM的运行时堆使用标记-清除(Mark-Sweep)算法进行GC,不了解标记-清除算法的同学查看Java虚拟机(四)垃圾收集算法这篇文章。Mark Stack就是在GC的标记阶段使用的,它用来遍历存活的对象。

2.ART虚拟机

ART(Android Runtime)是Android 4.4发布的,用来替换Dalvik虚拟,Android 4.4默认采用的还是DVM,系统会提供一个选项来开启ART。在Android 5.0时,默认采用ART,DVM从此退出历史舞台。

ART与DVM的区别

DVM中的应用每次运行时,字节码都需要通过即时编译器(JIT,just in time)转换为机器码,这会使得应用的运行效率降低。而在ART中,系统在安装应用时会进行一次预编译(AOT,ahead of time),将字节码预先编译成机器码并存储在本地,这样应用每次运行时就不需要执行编译了,运行效率也大大提升。

ART的运行时堆

与DVM的GC不同的是,ART的GC类型有多种,主要分为Mark-Sweep GC和Compacting GC。ART的运行时堆的空间根据不同的GC类型也有着不同的划分,如果采用的是Mark-Sweep GC,运行时堆主要是由四个Space和多个辅助数据结构组成,四个Space分别是Zygote Space、Allocation Space、Image Space和Large Object Space。Zygote Space、Allocation Space和DVM中的作用是一样的。Image Space用来存放一些预加载类,Large Object Space用来分配一些大对象(默认大小为12k)。其中Zygote Space和Image Space是进程间共享的。
采用Mark-Sweep GC的运行时堆空间划分如下图所示。

DVM和ADT(1).png

除了这四个Space,ART的Java堆中还包括两个Mod Union Table,一个Card Table,两个Heap Bitmap,两个Object Map,以及三个Object Stack。如果想要跟多的了解它们,请参考ART运行时Java堆创建过程分析 – 罗升阳这篇文章。

参考资料
《深入解析Android虚拟机》
《Android技术内幕-系统卷》
《Android性能优化最佳实践》
stackoverflow:关于dvm存储的问题
Dalvik Virtual Machine – COSC 530
ART运行时Java堆创建过程分析 – 罗升阳
Dalvik虚拟机Java堆创建过程分析 – 罗升阳
ART运行时垃圾收集机制简要介绍和学习计划 – 罗升阳
Android 性能优化—Android memory 参数tuning(二)

刘望舒 wechat
我的新书《Android进阶之光》已出版,更多成体系的Android相关原创技术干货尽在微信公众号「刘望舒」。
0%