Android 系统性能优化（25）---Dalvik 与ART

时间：2021-03-04 03:48:03

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
Android 系统性能优化（25）---Dalvik 与ARTQQ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
在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。

Android 系统性能优化（25）---Dalvik 与ARTDVM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。

Android 系统性能优化（25）---Dalvik 与ARTDVM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。


DVM和ART的GC日志与Java虚拟机的日志有较大的区别，这篇文章就对DVM和ART的GC日志进行分析。

1.DVM的GC日志

在 DVM 中，每次垃圾收集都会将GC日志打印到 logcat 中，具体的格式为：

D/dalvikvm: <GC_Reason> <Amount_freed>, <Heap_stats>, <External_memory_stats>, <Pause_time>

可以看到DVM的日志共有5个信息，其中GC Reason有很多种，这里将它单独拿出来进行介绍。

引起GC原因

GC Reason就是指引起GC原因，有以下几种：

  • GC_CONCURRENT：当堆开始填充时，并发GC可以释放内存。
  • GC_FOR_MALLOC：当堆内存已满时，app尝试分配内存而引起的GC，系统必须停止app并回收内存。
  • GC_HPROF_DUMP_HEAP：当你请求创建 HPROF 文件来分析堆内存时出现的GC。
  • GC_EXPLICIT：显示的GC，例如调用System.gc()（应该避免调用显示的GC，信任GC会在需要时运行）。
  • GC_EXTERNAL_ALLOC：仅适用于 API 级别小于等于10 ，用于外部分配内存的GC。

其他信息

除了引起GC原因，其他的信息为：

  • Amount_freed：本次GC释放内存的大小。
  • Heap_stats：堆的空闲内存百分比 （已用内存）/（堆的总内存）。
  • External_memory_stats：API 级别 10 及更低级别的内存分配 （已分配的内存）/（引起GC的阀值）。
  • Pause time：暂停时间，更大的堆会有更长的暂停时间。并发暂停时间显示了两个暂停：一个出现在垃圾收集开始时，另一个出现在垃圾收集快要完成时。

实例分析 

D/dalvikvm: GC_CONCURRENT freed 2012K, 63% free 3213K/9291K, external 4501K/5161K, paused 2ms+2ms

这个GC日志的含义为：引起GC的原因是GC_CONCURRENT；本次GC释放的内存为2012K；堆的空闲内存百分比为63%，已用内存为3213K，堆的总内存为9291K；暂停的总时长为4ms。

2.ART的GC日志

ART的GC日志与DVM不同，ART 不会为没有明确请求的垃圾收集打印GC日志。只有在认为GC速度慢时才会打印GC日志，更确切来说，仅在GC暂停超过5ms 或GC持续时间超过 100ms 时才会打印GC日志。如果app未处于可察觉的暂停进程状态，那么它的GC不会被认为是慢速的。ART的GC日志始终会记录显式的垃圾收集。

ART的GC日志具体的格式为：

I/art: <GC_Reason> <GC_Name> <Objects_freed>(<Size_freed>) AllocSpace Objects,
 <Large_objects_freed>(<Large_object_size_freed>) <Heap_stats> LOS objects, <Pause_time(s)>

引起GC原因

ART的引起GC原因（GC_Reason）要比DVM多一些，有以下几种：

  • Concurrent： 并发GC，不会使App的线程暂停，该GC是在后台线程运行的，并不会阻止内存分配。
  • Alloc：当堆内存已满时，App尝试分配内存而引起的GC，这个GC会发生在正在分配内存的线程。
  • Explicit：App显示的请求垃圾收集，例如调用System.gc()。与DVM一样，最佳做法是应该信任GC并避免显示的请求GC，显示的请求GC会阻止分配线程并不必要的浪费 CPU 周期。如果显式的请求GC导致其他线程被抢占，那么有可能会导致 jank（App同一帧画了多次)。
  • NativeAlloc：Native内存分配时，比如为Bitmaps或者RenderScript分配对象， 这会导致Native内存压力，从而触发GC。
  • CollectorTransition：由堆转换引起的回收，这是运行时切换GC而引起的。收集器转换包括将所有对象从空闲列表空间复制到碰撞指针空间（反之亦然）。当前，收集器转换仅在以下情况下出现：在内存较小的设备上，App将进程状态从可察觉的暂停状态变更为可察觉的非暂停状态（反之亦然）。
  • HomogeneousSpaceCompact：齐性空间压缩是指空闲列表到压缩的空闲列表空间，通常发生在当App已经移动到可察觉的暂停进程状态。这样做的主要原因是减少了内存使用并对堆内存进行碎片整理。
  • DisableMovingGc：不是真正的触发GC原因，发生并发堆压缩时，由于使用了 GetPrimitiveArrayCritical，收集会被阻塞。一般情况下，强烈建议不要使用 GetPrimitiveArrayCritical，因为它在移动收集器方面具有限制。
  • HeapTrim：不是触发GC原因，但是请注意，收集会一直被阻塞，直到堆内存整理完毕。

垃圾收集器名称

GC_Name指的是垃圾收集器名称，有以下几种：

  • Concurrent mark sweep (CMS)：CMS收集器是一种以获取最短收集暂停时间为目标收集器，采用了标记-清除算法（Mark-Sweep）实现。 它是完整的堆垃圾收集器，能释放除了Image Space之外的所有的空间。
  • Concurrent partial mark sweep：部分完整的堆垃圾收集器，能释放除了Image Space和Zygote Spaces之外的所有空间。关于Image Space和Zygote Spaces可以查看Android内存优化（一）DVM和ART原理初探这篇文章。
  • Concurrent sticky mark sweep：分代收集器，它只能释放自上次GC以来分配的对象。这个垃圾收集器比一个完整的或部分完整的垃圾收集器扫描的更频繁，因为它更快并且有更短的暂停时间。
  • Marksweep + semispace：非并发的GC，复制GC用于堆转换以及齐性空间压缩（堆碎片整理）。

其他信息

  • Objects freed：本次GC从非Large Object Space中回收的对象的数量。
  • Size_freed：本次GC从非Large Object Space中回收的字节数。
  • Large objects freed： 本次GC从Large Object Space中回收的对象的数量。
  • Large object size freed：本次GC从Large Object Space中回收的字节数。
  • Heap stats：堆的空闲内存百分比 （已用内存）/（堆的总内存）。
  • Pause times：暂停时间，暂停时间与在GC运行时修改的对象引用的数量成比例。目前，ART的CMS收集器仅有一次暂停，它出现GC的结尾附近。移动的垃圾收集器暂停时间会很长，会在大部分垃圾回收期间持续出现。

实例分析 

I/art : Explicit concurrent mark sweep GC freed 104710(7MB) AllocSpace objects, 
21(416KB) LOS objects, 33% free, 25MB/38MB, paused 1.230ms total 67.216ms

这个GC日志的含义为：引起GC原因是Explicit ；垃圾收集器为CMS收集器；释放对象的数量为104710个，释放字节数为7MB；释放大对象的数量为21个，释放大对象字节数为416KB；堆的空闲内存百分比为33%，已用内存为25MB，堆的总内存为38MB；GC暂停时长为1.230ms，GC总时长为67.216ms。

参考资料


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