怎么理解Android虛擬機體系結構

本篇內容主要講解“怎么理解Android虛擬機體系結構”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“怎么理解Android虛擬機體系結構”吧!

1. 什么是Dalvik虛擬機

Dalvik是Google公司自己設計用于Android平臺的Java虛擬機，它是Android平臺的重要組成部分，支持dex格式(Dalvik  Executable)的Java應用程序的運行。dex格式是專門為Dalvik設計的一種壓縮格式，適合內存和處理器速度有限的系統。Google對其進行了特定的優化，使得Dalvik具有高效、簡潔、節省資源的特點。從Android系統架構圖知，Dalvik虛擬機運行在Android的運行時庫層。

2. Dalvik虛擬機的功能

Dalvik作為面向Linux、為嵌入式操作系統設計的虛擬機，主要負責完成對象生命周期管理、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進程管理的特定，對其進行了面向對象的設計，使得可以同時運行多個進程，而傳統的Java程序通常只能運行一個進程，這也是為什么Android不采用JVM的原因。Dalvik為了達到優化的目的，底層的操作大多和系統內核相關，或者直接調用內核接口。另外，Dalvik早期并沒有JIT編譯器，直到Android2.2才加入了對JIT的技術支持。

3. Dalvik虛擬機和Java虛擬機的區別

本質上，Dalvik也是一個Java虛擬機。但它特別之處在于沒有使用JVM規范。大多數Java虛擬機都是基于棧的結構(詳情請參考：理解Java虛擬機體系結構)，而Dalvik虛擬機則是基于寄存器。基于棧的指令很緊湊，例如，Java虛擬機使用的指令只占一個字節，因而稱為字節碼。基于寄存器的指令由于需要指定源地址和目標地址，因此需要占用更多的指令空間。Dalvik虛擬機的某些指令需要占用兩個字節。基于棧和基于寄存器的指令集各有優劣，一般而言，執行同樣的功能，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時間，而需要更多指令空間意味著數據緩沖(d-cache)更易失效。更多討論，虛擬機隨談(一)：解釋器，樹遍歷解釋器，基于棧與基于寄存器，大雜燴  給出了非常詳細的參考。

Java虛擬機運行的是Java字節碼，而Dalvik虛擬機運行的是專有文件格式dex。在Java程序中，Java類會被編譯成一個或多個class文件，然后打包到jar文件中，接著Java虛擬機會從相應的class文件和jar文件中獲取對應的字節碼。Android應用雖然也使用Java語言，但是在編譯成class文件后，還會通過DEX工具將所有的class文件轉換成一個dex文件，Dalvik虛擬機再從中讀取指令和數據。dex文件除了減少整體的文件尺寸和I/O操作次數，也提高了類的查找速度。

由下圖可以看到，jar和apk文件的組成結構，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制來節省內存。常量池存儲類中的所有字面常量，它包括字符串常量、字段常量等值。

總的來說，Dalvik虛擬機具有以下特點：

• 使用dex格式的字節碼，不兼容Java字節碼格式

• 代碼密度小，運行效率高，節省資源

• 常量池只使用32位的索引

• 有內存限制

• 默認棧大小是12KB(3個頁，每頁4KB)

• 堆默認啟動大小為2MB，默認***值為16MB

• 堆支持的最小啟動大小為1MB，支持的***值為1024MB

• 堆和棧參數可以通過-Xms和-Xmx修改

4. Dalvik系統結構

實際上，Dalvik是基于Apache Harmony(Apache軟件基金會的Java  SE項目)的部分實現，提供了自己的一套庫，即上層Java應用程序編寫所使用的API。

以上圖示來自tech-insider。Apache  Harmony大體上分為三個層：操作系統、Java虛擬機、Java類庫。它的特點在于虛擬機和類庫內部被高度模塊化，每一個模塊都有一定的接口定義。操作系統層與虛擬機層之間的接口由Portability  Layer定義，它封裝了不同操作系統的差異，為虛擬機和類庫的本地代碼提供了一套統一的API訪問底層系統調用。虛擬機與類庫之間的接口除了Java規范定義的JNI、JVMITI外，還加入了一層虛擬機接口，由內核類和本地代碼組成。實現了虛擬機接口的虛擬機都可以使用Harmony的類庫實現，并且可以被Harmony提供的同一個Java啟動程序啟動。

下面是Dalvik虛擬機的結構圖：

一個應用首先經過DX工具將class文件轉換成Dalvik虛擬機可以執行的dex文件，然后由類加載器加載原生類和Java類，接著由解釋器根據指令集對Dalvik字節碼進行解釋、執行。***，根據dvm_arch參數選擇編譯的目標機體系結構。

4.1 dex文件結構

dex文件結構和class文件結構差異的地方很多，但從攜帶的信息上看，dex和class文件是一致的。

• header：存儲了各個數據類型的起始地址、偏移量等信息。

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

• methods_ids：函數信息，包括所屬類及對應的proto信息。

更多dex格式的內容，Android安全–Dex文件格式詳解  這篇文章進行了非常詳細的介紹。雖然dex文件的結構很緊湊，但想要運行時的性能得到進一步提升，還需要對dex文件進行進一步優化。優化主要針對以下幾個方面：

• 調整所有字段的字節序和對齊結構中的每一個域

• 驗證dex文件中的所有類

• 對一些特定的類進行優化，對方法里的操作碼進行優化

dex文件經過優化后文件大小會膨脹，大約增加到原來的1~4倍。對于內置應用，一般在系統編譯后，便會生成優化文件(odex: Optimized  dex)。一個Android應用程序，需要經過以下過程才可以在Dalvik虛擬機上運行：

• 把Java源文件編譯成class文件

• 使用DX工具把class文件轉換成dex文件

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

• 將APK安裝到Android設備運行 

上圖(來自網絡)詳盡地展示了最終簽名后的APK是怎么來的。

4.2 Dalvik類加載器

一個dex文件需要類加載器加載原生類和Java類，然后通過解釋器根據指令集對Dalvik字節碼進行解釋和執行。Dalvik類加載器使用mmap函數，將dex文件映射到內存中，通過普通的內存讀取操作即可訪問dex文件，然后解析dex文件內容并加載其中的類到哈希表中。

4.2.1 解析dex

總的來說，dex文件可以抽象為三個部分：頭部、索引、數據。通過頭部可以知道索引的位置和數目，以及數據區的起始位置。將dex文件映射到內存后，Dalvik會調用dexFileParse函數對其進行分析，分析的結果放到DexFile數據結構中。DexFile中的baseAddr指向映射區的起始位置，pClassDefs指向class索引的起始位置。為了加快class的查找速度，還創建一個哈希表，對class名字進行哈希并生成索引。

4.2.2 加載class

解析工作完成后就進行class的加載，加載的類需要用ClassObject數據結構來存儲。

typedef struct Object {      ClassObject* clazz;  // 類型對象      Lock lock;           // 鎖對象  } Object;

其中clazz指向ClassObject對象，還包含一個Lock對象。如果其它線程想要獲取它的鎖，只有等這個線程釋放。Dalvik每加載一個class都會對應一個ClassObject對象，加載過程會在內存中分配幾個區域，分別存放directMethod,  virtualMethod, sfield, ifield。這些信息從dex文件的數據區中讀取。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;        // 訪問標記         #ifdef PROFILE_FIELD_ACCESS          u4 gets;          u4 puts;      #endif  };

待得到class索引后，實際的加載由loadClassFromDex來完成。首先它會讀取class的具體數據，分別加載directMethod,  virtualMethod,  ifield和sfield，然后為ClassObject數據結構分配內存，并讀取dex文件的相關信息。加載完成后，將加載的class通過dvmAddClassToHash函數放入哈希表，以方便下次查找;***，通過dvmLinkClass查找該類的超類，如果有接口類則加載相應的接口類。

4.3 Dalvik解釋器

對于任何虛擬機來說，解釋器無疑是核心的部分，所有的Java字節碼都經過解釋器解釋執行。由于Dalvik解釋器的效率很重要，Android分別實現了C語言版和各種匯編語言版的解釋器。解釋器通常是循環執行，需要一個入口函數調用處理程序執行***條指令，而后每條指令執行時引出下一條指令，通過函數指針調用處理程序。

4.4 內存管理

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

垃圾收集的***步是標記出活動對象，因為沒有辦法識別那些不可訪問的對象，這樣所有未被標記的對象就是可以回收的垃圾。當進行垃圾收集時，需要停止Dalvik虛擬機的運行(除垃圾收集外)，因此垃圾收集又被稱作STW(stop-the-world)。Dalvik虛擬機在運行過程中要維護一些狀態信息，這些信息包括：每個線程所保存的寄存器、Java類中的靜態字段、局部和全局的JNI引用，JVM中的所有函數調用會對應一個相應C的棧幀。每一個棧幀里可能包含對對象的引用，比如包含對象引用的局部變量和參數。所有這些引用信息被加入到一個根集合中，然后從根集合開始，遞歸查找可以從根集合出發訪問的對象。因此，Mark過程又叫做追蹤，追蹤所有可被訪問的對象。

垃圾收集的第二步就是回收內存。在Mark階段通過markBits位圖可以得到所有可訪問的對象集合，而liveBits位圖表示所有已經分配的對象集合。通過比較liveBits位圖和markBits位圖的差異就是所有可回收的對象集合。Sweep階段調用free來釋放這些內存給堆。

在底層內存實現上，Android系統使用的是msspace，這是一個輕量級的malloc實現。除了創建和初始化用于存儲普通Java對象的內存堆，Android還創建三個額外的內存堆：

• “livebits”(用來存放堆上內存被占用情況的位圖索引)

• “markbits”(在GC時用于標注存活對象的位圖索引)

• “markstack”(在GC中遍歷存活對象引用的標注棧)

虛擬機通過一個名為gHs的全局HeapSource變量來操控GC內存堆，而HeapSource里通過heaps數組可以管理多個堆(Heap)，以滿足動態調整GC內存堆大小的要求。另外HeapSource里還維護一個名為”livebits”的位圖索引，以跟蹤各個堆(Heap)的內存使用情況。剩下兩個數據結構”markstack”和”markbits”都是用在垃圾回收階段。

上圖中”livebits”維護堆上已用的內存信息，而”markbits”這個位圖索引則指向存活的對象。  A、C、F、G、H對象需要保留，因此”markbits”分別指向他們(***的H對象尚在標注過程中，因此沒有指針指向它)。而”markstack”就是在標注過程中跟蹤當前需要處理的對象要用到的標志棧，此時其保存了正在處理的對象F、G和H。

4.5 Dalvik的啟動流程

Dalvik進程管理是依賴于linux的進程體系結構的，如要為應用程序創建一個進程，它會使用linux的fork機制來復制一個進程。Zygote是一個虛擬機進程，同時也是一個虛擬機實例的孵化器，它通過init進程啟動。之前的文章有對此過程有詳細介紹：Android系統啟動分析(Init->Zygote->SystemServer->Home  activity)。此處分析Dalvik虛擬機啟動的相關過程。

AndroidRuntime類主要做了以下幾件事情：

• 調用startVM創建一個Dalvik虛擬機，JNI_CreateJavaVM真正創建并初始化虛擬機實例

• 調用startReg注冊Android核心類的JNI方法

• 通過Zygote進程進入Java層

在JNI中，dvmCreateJNIEnv為當前線程創建和初始化一個JNI環境，即一個JNIEnvExt對象。***調用dvmStartup來初始化前面創建的Dalvik虛擬機實例。函數dvmInitZygote調用了系統的setpgid來設置當前進程，即Zygote進程的進程組ID。這一步完成后，Dalvik虛擬機的創建和初始化工作就完成了。

5. Android的啟動

• 啟動電源，加載引導程序到RAM

• BootLoader引導

• Linux Kernel啟動

• Init進程創建

• Init fork出Zygote進程，Zygote進程創建虛擬機;創建系統服務

• Android Home Launcher啟動 

到此，相信大家對“怎么理解Android虛擬機體系結構”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續學習！