深入理解Java虚拟机 - 以Android为例

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Java语言的最大优势就是一次编译，处处运行的特性，通过javac编译器将源代码编译成通用的中间形式——字节码，然后再由java解释器逐条将字节码解释为机器码来执行。尽管在性能上，Java远不如C++这类编译型语言，但由于良好的平台移植性而大行其道，其中的关键技术就是Java虚拟机。

一、什么是JVM

JVM（Java Virtual Machine）是一台虚拟的计算机，本质上通过定义一组技术规范，在物理的计算机上模拟实现各种功能。
JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。在执行字节码时，实际上最终还是把字节码解释成具体平台上的机器指令执行，属于用户态。

Java虚拟机包括一套字节码指令集、一组寄存器、一个栈、一个垃圾回收堆和一个存储方法域。详细资料请参见jvm原理。

Java Community Process组织管理所有Java技术标准，主要途径是发布JSR - Java Specification Requests，Java虚拟机也不例外。
JVM涉及的核心技术规范包括：

二、JVM的运行模式

以最常见的Oracle JDK为例，我们可以查看其版本信息如下：

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bogon:~ sj$ java -version
java version "15.0.2" 2021-01-19
Java(TM) SE Runtime Environment (build 15.0.2+7-27)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 15.0.2+7-27, mixed mode, sharing)

其中，JVM使用的引擎是HotSpot，基于Server版本，使用Mixed mode混合模式。

Server模式启动采用重量级的虚拟机，对代码进行更多的优化；而Client模式采用轻量级的虚拟机，启动速度更快。
尽管Server启动慢，但稳定后的运行速度比Client远远要快。
64位版本默认都采用Server模式。

Bytecode被称为字节码，是因为字节码文件由十六进制值组成，而JVM以两个十六进制值为一组，即以字节为单位进行读取。在Java中一般是用javac命令编译源代码为字节码文件，一个.java文件从编译到运行的示例如图1所示。

为了优化Java的性能 ，JVM在解释器之外引入了即时（Just In Time）编译器：当程序运行时，解释器首先发挥作用，代码可以直接执行。随着时间推移，即时编译器逐渐发挥作用，把越来越多的代码编译优化成本地代码，来获取更高的执行效率。解释器这时可以作为编译运行的降级手段，在一些不可靠的编译优化出现问题时，再切换回解释执行，保证程序可以正常运行。

即时编译器极大地提高了Java程序的运行速度，而且跟静态编译相比，即时编译器可以选择性地编译热点代码，省去了很多编译时间，也节省很多的空间。目前，即时编译器已经非常成熟了，在性能层面甚至可以和编译型语言相比。不过在这个领域，大家依然在不断探索如何结合不同的编译方式，使用更加智能的手段来提升程序的运行速度。

三、Android的虚拟机技术演进

Apple基于软硬件一体化的商业模式，很自然地选择Object C作为iPhone的开发语言，并获得了更为优秀的性能。
反之，由于Google自身并不生产硬件设备，Android必须面对如何适配不同硬件平台的难题，采用Java技术标准几乎是唯一的解决方案。

在分析Android虚拟机之前，我们先明确几个概念：

  • APK - Android Package: Android应用的安装包，本质是一个zip打包文件，其中多个目录分别存储：DEX执行文件、资源文件和系统配置文件
  • DEX - Dalvik EXecutable: Android Dalvik的可执行文件，注意，其基于Dalvik字节码，并非Java的标准字节码
  • ART - Android Runtime: Android 运行时环境

实际上，开发Android应用开发的路径是：**.java文件 -> .class文件 -> .dex文件**。

开发者基于Java语言开发源代码文件，然后编译成Java字节码文件，再使用转换工具dx转换为DEX字节码文件，最后在Dalvik虚拟机中执行（可能是解释方式，也可能编译模式）。

1. 早期的Dalvik虚拟机

Dalvik是Google公司自己设计用于Android平台的虚拟机，在Android 5.0之前采用，其基本演进路线是：

  • 2008年，Android发布，Dalvik VM的执行引擎是只有解释器的；
  • 2010年，Android 2.2发布，Dalvik VM引入了JIT编译器，JIT的引入使得Dalvik的性能提升了3～6倍；
  • 2013年，Android 4.4发布，Dalvik和ART并存；

Dalvik VM的设计思想与Java虚拟机相似，但并不遵循JVM规范来实现，存在着明显的差异：

  1. 基于寄存器的技术实现，而非基于栈
    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。
  2. 自定义的字节码
    Dalvik 有 218 个操作码，它们与 Java 中的 200 个操作码有本质的不同。
    例如，有十几种操作码用于在堆栈和局部变量列表之间传输数据，而在 Dalvik 中完全没有。
  3. Class类加载方式不同
    标准Java应用开发提交的是.jar文件，JVM将动态加载其中包含的全部.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。
    对于Android，其通过dx工具将所有的.class文件合并、精简并转换为单一的.dex文件，然后交给DVM执行，既减少了I/O操作，又提高了运行速度。
  4. 多实例并发能力
    针对手机终端有限的内存和计算能力，DVM允许同时运行多个虚拟机的实例，并且每一个Dalvik 应用作为一个独立的Linux进程执行，防止在虚拟机崩溃的时候所有程序都被关闭。
    具体来说，DVM由Zygote创建和初始化，每当系统需要创建一个应用程序时，Zygote就会fork自身，快速地创建和初始化一个DVM实例，用于应用程序的运行。

Dalvik VM的主要问题是性能！
早期的纯解释器执行显然速度慢，Android 2.2加入了JIT编译器，采用了解释器+JIT编译的方式，虽然运行性能提升了，可是每次启动应用都需要动态编译生成机器码，这会拖慢应用的启动速度。

2. 中期的ART虚拟机

  • 2013年，Android 4.4引入了ART VM，改为AOT - Ahead Of Time的编译模式（静态编译）。
    其运行模式是：应用在第一次安装的时候，字节码就会预先编译成机器码，使其成为真正的本地应用；之后打开App的时候，不需要额外的翻译工作，直接使用本地机器码运行。
  • 2014年，Android 5.0发布，ART取代了Dalvik成为了VM，同时AOT也成为了唯一的编译模式。

对比Dalvik，ART是安装的时候就编译好了，执行的时候直接运行机器码，开启应用速度明显提高。

有一段时间，Huawei手机总是提示正在进行APP优化，其实就是编译生成机器码。

但是，ART的缺点也是明显的，一是应用安装的时间长，二是消耗更多的存储空间，因为需要持久化保存机器码。

3. 全新的Hybrid模式(Interpreter + JIT + AOT)

2016年，Android N 引入了一种包含编译、解释和 JIT（Just In Time）的混合运行时，以便在安装时间、内存占用、电池消耗和性能之间获得最好的折衷.
这种混合模式仍被简称为 AOT，但是其含义变成“全时段的编译”（All-Of-the-Time compilation）

其主要特征为：

  1. 在App第一次启动的时候，系统会直接以Intercept的方式来运行，以便快速启动；
  2. 在App第一次启动的同时，启动Compilation Daemon Service服务，负责在系统空闲的时候，后台ART针对热代码进行静态编译，其他代码不做编译;
  3. ART包含了一个新的、更快的JIT解释器，负责动态生成机器码，但并不是进行持久化存储；
  4. 代码在执行期间被分析函数调用情况，分析结果保存在Profile文件中，以便未来生成AOT，这就是Profile Guided AOT；
  5. ART采用了深度内联等几种更高级的技巧，对代码进行更深度的优化。

这种混合使用 AOT、解释、JIT 的策略的全部优点如下

  • 即使是大应用，安装时间也能缩短到几秒
  • 系统升级能更快地安装，因为不再需要优化这一步
  • 应用的内存占用更小，有些情况下可以降低 50%
  • 改善了性能
  • 更低的电池消耗

四、结论

  1. 与Javascript V8引擎相似，Android虚拟机也走向了混合编译模式。
  2. 华为的方舟编译器，宣称抛弃了虚拟机，全部采用机器码，支持Java和C++的混合编译，但又宣称自主设计了统一的中间表示MapleIR，后续可以深入研究与Java的关系？

参考文献

官方网站

技术研究