### **概述** Android應用程序是運行在Dalvik虛擬機里面的，并且每一個應用程序對應有一個單獨的Dalvik虛擬機實例。Android應用程序中的Dalvik虛擬機實例實際上是從Zygote進程的地址空間拷貝而來的，這樣就可以加快Android應用程序的啟動速度。Dalvik虛擬機與Java虛擬機共享有差不多的特性，例如，它們都是解釋執行，并且支持即時編譯（JIT）、垃圾收集（GC）、Java本地方法調用（JNI）和Java遠程調試協議（JDWP）等，差別在于兩者執行的指令集是不一樣的，并且前者的指令集是基本寄存器的，而后者的指令集是基于堆棧的。 本系列文章主要將Dalvik虛擬機的內存管理、垃圾收集、即時編譯、Java本地調用、進程和線程管理等。理解Dalvik虛擬機的上述實現細節，有助于在運行時修改程序的行為，例如，攔截Java函數的調用。 * Dalvik虛擬機概述 * Dalvik虛擬機的啟動過程 * Dalvik虛擬機的運行過程 * JNI函數的注冊過程 * Dalvik虛擬機進程 * Dalvik虛擬機線程 #### **Dalvik虛擬機概述** Dalvik虛擬機由Dan Bornstein開發，名字來源于他的祖先曾經居住過的位于冰島的同名小漁村 Dalvik虛擬機起源于Apache Harmony項目，后者是由Apache軟件基金會主導的，目標是實現一個獨立的、兼容JDK 5的虛擬機，并根據Apache License v2發布 **Dalvik虛擬機與Java虛擬機的區別**  * 基于堆棧的Java指令(1個字節)和基于寄存器的Dalvik指令(2、4或者6個字節)各有優劣 * 一般而言，執行同樣的功能， Java虛擬機需要更多的指令（主要是load和store指令），而Dalvik虛擬機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指令緩沖（i-cache）更易失效 * Dalvik虛擬機使用dex（Dalvik Executable）格式的類文件，而Java虛擬機使用class格式的類文件 * 一個dex文件可以包含若干個類，而一個class文件只包括一個類 * 由于一個dex文件可以包含若干個類，因此它可以將各個類中重復的字符串只保存一次，從而節省了空間，適合在內存有限的移動設備使用 * 一般來說，包含有相同類的未壓縮dex文件稍小于一個已經壓縮的jar文件 **Dex文件的生成**  **Dex文件的優化** * 將invoke-virtual指令中的method index轉換為vtable index – 加快虛函數調用速度 * 將get/put指令中的field index轉換為byte offset – 加快實例成員變量訪問速度 * 將boolean/byte/char/short變種的get/put指令統一轉換為32位的get/put指令 – 減小VM解釋器的大小，從而更有效地利用CPU的i-cache * 將高頻調用的函數，例如String.length，轉換為inline函數 – 消除函數調用開銷 * 移除空函數，例如Object.`<init>` -- 消除空函數調用 * 將可以預先計算的數據進行預處理，例如預先生成VM根據class name查詢class的hash table – 節省Dex文件加載時間以及內存占用空間 * 將invoke-virtual指令中的method index轉換為vtable index ~~~ invoke-virtual {v1, v2}, method@BBBB → invoke-virtual-quick {v1,v2},vtable #0xhh ~~~ * 將get/put指令中的field index轉換為byte offset ~~~ iget-object v0, v2, field@BBBB → iget-object-quick v0,v2,[obj+0x100] ~~~ 備注： http://www.haogongju.net/art/1171347 http://mylifewithandroid.blogspot.com/2009/05/about-quick-method-invocation.html http://source.android.com/devices/tech/dalvik/dex-format.html **Dex文件的優化時機** * VM在運行時即時優化，例如使用DexClassLoader動態加載dex文件時。這時候需要指定一個當前進程有寫權限的用來保存odex的目錄。 * APP安裝時由具有root權限的installd優化。這時候優化產生的odex文件保存在特權目錄/data/dalvik-cache中。 * 編譯時優化。這時候編譯出來的jar/apk里面的classes.dex被提取并且優化為classes.odex保存在原jar/apk所在目錄，打包在system image中。 **內存管理** * Java Object Heap 大小受限，16M/24M/32M/48M/… * Bitmap Memory(External Memroy)： 大小計入Java Object Heap * Native Heap 大小不受限 **Java Object Heap** * 用來分配Java對象。Dalvik虛擬機在啟動的時候，可以通過-Xms和-Xmx選項來指定Java Object Heap的最小值和最大值。 * Java Object Heap的最小和最大默認值為2M和16M。但是廠商會根據手機的配置情況進行調整，例如，G1、Droid、Nexus One和Xoom的Java Object Heap的最大值分別為16M、24M、32M 和48M。 * 通過ActivityManager.getMemoryClass可以獲得Dalvik虛擬機的Java Object Heap的最大值。 **Bitmap Memory** * 用來處理圖像。在HoneyComb之前，Bitmap Memory是在Native Heap中分配的，但是這部分內存同樣計入Java Object Heap中。這就是為什么我們在調用BitmapFactory相關的接口來處理大圖像時，會拋出一個OutOfMemoryError異常的原因：**java.lang.OutOfMemoryError:?bitmap?size?exceeds?VM?budget** * ?在HoneyComb以及更高的版本中，Bitmap Memory就直接是在Java Object Heap中分配了，這樣就可以直接接受GC的管理。 **Native Heap** * 在Native Code中使用malloc等分配出來的內存，這部分內存不受Java Object Heap的大小限制。 * 注意，不要因為Native Heap可以自由使用就濫用，因為濫用Native Heap會導致系統可用內存急劇減少，從而引發系統采取激進的措施來Kill掉某些進程，用來補充可用內存，這樣會影響系統體驗。 **垃圾收集(GC)** * Step 1: Mark，使用RootSet標記對象引用 * Step 2: Sweep，回收沒有被引用的對象 **GingerBread之前** * Stop-the-word，也就是垃圾收集線程在執行的時候，其它的線程都停止 * ?Full heap collection，也就是一次收集完全部的垃圾 * 一次垃圾收集造成的程序中止時間通常都大于100ms **GingerBread之后** * Cocurrent，也就是大多數情況下，垃圾收集線程與其它線程是并發執行的 * ?Partial collection，也就是一次可能只收集一部分垃圾 * 一次垃圾收集造成的程序中止時間通常都小于5ms * Dalvik虛擬機執行完成一次垃圾收集之后，我們通常可以看到類似以下的日志輸出： ~~~ D/dalvikvm(9050):?GC_CONCURRENT?freed?2049K,?65%?free?3571K/9991K,?external?4703K/5261K,?paused?2ms+2ms?? ~~~ * GC_CONCURRENT表示并行GC，2049K表示總共回收的內存，3571K/9991K表示Java Object Heap統計，即在9991K的Java Object Heap中，有3571K是正在使用的，4703K/5261K表示External Memory統計，即在5261K的External Memory中，有4703K是正在使用的，2ms+2ms表示垃圾收集造成的程序中止時間 **即時編譯(JIT)** * 從2.2開始支持JIT，并且是可選的，編譯時通過WITH_JIT宏進行控制 * 基于執行路徑(Executing Path)對熱門的代碼片斷進行優化(Trace JIT)，傳統的Java虛擬機以Method為單位進行優化(Method JIT) * 可以利用運行時信息進行激進優化，獲得比靜態編譯語言更高的性能，如Lazy Unlocking機制，可以參考《Oracle JRockit: The Definitive Guide》一書 * 實現原理：http://blog.reverberate.org/2012/12/hello-jit-world-joy-of-simple-jits.html * 支持JDWP（Java Debug Wire Protocol）協議 * 每一個Dalvik虛擬機進程都都提供有一個端口來供調試器連接 * DDMS提供有一個轉發端口8870，通過它可以同時調試多個Dalvik虛擬機進程  #### **Dalvik虛擬機的啟動過程** Dalvik虛擬機由Zygote進程啟動，然后再復制到System Server進程和應用程序進程  * startVM的過程中會創建一個JavaVMExt，并且該JavaVMExt關聯有一個JNIInvokeInterface，Native Code通過它來訪問Dalvik虛擬機  * startVM的過程中還會為當前線程關聯有一個JNIEnvExt，并且該JNIEnvExt 關聯有一個JNINativeInterface，Native Code通過它來調用Java函數或者訪問Java對象  **Dalvik虛擬機在Zygote進程啟動的過程中，還會進一步預加載Java和Android核心類庫以及系統資源**  **Dalvik虛擬機從Zygote進程復制到System Server進程之后，它們就通過COW(Copy On Write)機制共享同一個Dalvik虛擬機實例以及預加載類庫和資源**  **Dalvik虛擬機從Zygote進程復制到應用程序進程之后，它們同樣會通過COW(Copy On Write)機制共享同一個Dalvik虛擬機實例以及預加載類庫和資源**  #### **Dalvik虛擬機的運行過程** * Dalvik虛擬機在Zygote進程中啟動之后，就會以ZygoteInit.main為入口點開始運行 * Dalvik虛擬機從Zygote進程復制到System Server進程之后，就會以SystemServer.main為入口點開始運行 * Dalvik虛擬機Zygote進程復制到應用程序進程之后，就會以ActivityThread.main為入口點開始運行 * 上述入口點都是通過調用JNINativeInterface接口的成員函數CallStaticVoidMethod來進入的 J **JNINativeInterface->CallStaticVoidMethod對應的實現為CallStaticVoidMethodV**  **CallStaticVoidMethodV調用dvmCallMethodV**  **在Dalvik虛擬機中，無論是Java函數，還是Native函數，都是通過Method結構體來描述的**  > **備注**： > struct Method定義在文件dalvik/vm/oo/Object.h中 **在Dalivk虛擬機中，通過dvmIsNativeMethod判斷一個函數是Java函數還是Native函數**  > **備注**： > dvmIsNativeMethod定義在文件dalvik/vm/oo/Object.h中 **Native函數直接由CPU執行，Java函數由Dalvik虛擬機解釋執行，即通過dvmInterpret函數執行**  **Dalvik虛擬機標準解釋器：dvmInterpretStd**  **Invoke-direct指令由函數invokeDirect執行**  **函數invokeDirect調用?invokeMethod執行**  #### **JNI函數的注冊過程** **JNI函數注冊示例 -- ClassWithJni**  **JNI函數注冊示例 -- shy_luo_jni_ClassWithJni_nanosleep**  **System.loadLibrary**  **Runtime.loadLibrary**  **Runtime.nativeLoad**  **dvmLoadNativeCode**  **JNI_OnLoad**  **jniRegisterNativeMethods**  **RegisterNatives**  **dvmRegisterJNIMethod**  **dvmUseJNIBridge**  **dvmSetNativeFunc**  #### **Dalvik虛擬機進程** * Dalvik虛擬機進程與下層的Linux進程是一一對應的 * 當ActivityManagerService啟動一個組件的時候，發現用來運行該組件的應用程序進程不存在，就會請求Zygote進程創建 * Zygote進程通過調用Zygote類的成員函數forkAndSpecialize來創建 **Zygote.forkAndSpecialize**   **forkAndSpecializeCommon**  * Dalvik虛擬機線程與下層的Linux線程是一一對應的 * 在Java層中，可以創建一個Thread對象，并且調用該Thread對象的成員函數start來啟動一個Dalvik虛擬機線程 * 在Native層中，也可以通過創建一個Thread對象，并且調用該Thread對象的成員函數run來啟動一個Dalvik虛擬機線程 **在Java層創建Dalvik虛擬機線程--Thread.start**  **VMThread.create**  **dvmCreateInterpThread**  **線程啟動函數：interpThreadStart**  **dvmCreateJNIEnv**  **在Native層創建Dalvik虛擬機線程--Thread::run**  **createThreadEtc**  **androidCreateThreadEtc**  > **注意**，函數指針gCreateThreadFn所指向的函數在Dalvik虛擬機啟動時已經被修改為javaCreateThreadEtc **javaCreateThreadEtc**  **androidCreateRawThreadEtc**  **AndroidRuntime::javaThreadShell**  **javaAttachThread**  **AttachCurrentThread**  **attachThread**  **dvmAttachCurrentThread**