android中的dalvik虚拟机浅析

这篇文章内容大部分来自一年前的一篇调研报告，加上对dalvik虚拟机的一些认识，匆忙整理出来供大家参考。如有不对的地方请不吝指出。

I.什么是Dalvik虚拟机?

II.DalvikVM与JVM有什么区别？

III.DalvikVM有什么新的特点？

IV.DalvikVM的架构是怎么样的？

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什么是Dalvik虚拟机？没有人给出过一个明确的定义，但是，我们似乎可以从人们对Java虚拟机的描述中得到些信息。

Java虚拟机（JVM）是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。它有自己完善的硬件架构（如处理器、堆栈、寄存器等），还具有相应的指令系统。使用“Java虚拟机”程序就是为了支持与操作系统无关、在任何系统中都可以运行的程序。

因此，我们不妨对Dalvik虚拟机作出这样的描述： 

  Dalvik虚拟机是Android程序的虚拟机，是Android中Java程序的运行基础。其指令集基于寄存器架构，执行其特有的文件格式——dex字节码来完成对象生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全异常管理、垃圾回收等重要功能。它的核心内容是实现库（libdvm.so），架构由C语言实现。依赖于Linux内核的一部分功能——线程机制、内存管理机制，能高效使用内存，并在低速CPU上表现出的高性能。每一个Android应用在底层都会对应一个独立的Dalvik虚拟机实例，其代码在虚拟机的解释下得以执行。

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然而：DalvikVM ≠Java VMI.dalvik基于寄存器，而JVM基于stack II.Dalvik执行的是特有的DEX文件格式，而JVM运行的是*.class文件格式。

优势：1、在编译时提前优化代码而不是等到运行时

    2、虚拟机很小，使用的空间也小；被设计来  满足可高效运行多种虚拟机实例。

    3、常量池已被修改为只使用32位的索引，以简化解释器

JVM的字节码主要是零地址形式的，概念上说JVM是基于栈的架构。Google Android平台上的应用程序的主要开发语言是Java，通过其中的DalvikVM来运行Java程序。为了能正确实现语义，DalvikVM的许多设计都考虑到与JVM的兼容性；但它却采用了基于寄存器（见补充1）的架构，其字节码主要是二地址/三地址的混合形式。

基于栈与基于寄存器的架构，谁更快？现在实际的处理器，大多都是基于寄存器的架构，从侧面反映出基于寄存器比基于栈的架构更与实际的处理器接近。但对于VM来说，源架构的求值栈或者寄存器都可能是用实际机器的内存来模拟的，所以性能特性与实际硬件又有不同。一般认为基于寄存器架构的DalvikVM比基于栈架构JVM执行效率更高，原因是：虽然零地址指令更紧凑，但完成操作需要更多的load/store指令，也意味着更多的指令分派（instruction dispatch）次数与内存访问次数；访问内存是执行速度的一个重要瓶颈，二地址或三地址指令虽然每条指令占的空间较多，但总体来说可以用更少的指令完成操作，指令分派与内存访问次数都较少。 

我们从下面的截图可以明了的看到与同一段Java代码对应的Java bytecode 与Dalvid bytecode的比较。（摘自网络）

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专有的DEX文件格式

一个应用中会定义很多类，

编译完成后即会有很多相应

的CLASS文件，CLASS文件

间会有不少冗余的信息。

udex字节码和标准Java的字节码（Class）在结构上的一个区别是dex字节码将多个文件整合成一个，这样，除了减少整体的文件尺寸，I/O操作，也提高了类的查找速度。

u原来每个类文件中的常量池现在由DEX文件中一个常量池来管理。

uDEX文件可以进行进一步优化。优化主要是针对以下几个方面：

  1、调整所有字段的字节序（LITTLE_ENDIAN）和对齐结构中的没一个域 

  2、验证DEX文件中的所有类 

  3、对一些特定的类进行优化，对方法里的操作码进行优化，优化优化后的文件大小会有所增加，应该是原DEX文件的1-4倍。odex是为了在运行过程中进一步提高性能，对dex文件的进一步优化， 这个步骤在安装程序的时候可以看到。

DEX文件的生成：

Android系统和Dalvik虚拟机提供了工具（DX） 在把Java源代码编译成CLASS文件后 使用DX工具（见补充2） DEX文件的结构相对于.jar更加紧凑 但是为了获得高效率我们还得进一步对.dex进行优化。

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一个应用，一个虚拟机实例，一个进程！！！

u每一个Android应用都运行在一个Dalvik虚拟机实例里，而每一个虚拟机实例都是一个独立的进程空间。每个进程之间可以通信（IPC，Binder机制实现）。虚拟机的线程机制，内存分配和管理，Mutex等等都是依赖底层操作系统而实现的。

u 不同的应用在不同的进程空间里运行，当一个虚拟机关闭或意外中止时不会对其它虚拟机造成影响，可以最大程度的保护应用的安全和独立运行。

u Zygote是虚拟机实例的孵化器。AndroidRuntime.cpp中ZygoteInit.main()的执行会完成一个分裂，分裂出来的子进程继续初始化Java层的架构，这个分裂出来的进程就是system_server。每当系统要求执行一个Android应用程序，Zygote就会FORK出一个子进程来执行该应用程序。这样做的好处显而易见：Zygote进程是在系统启动时产生的，它会完成虚拟机的初始化，库的加载，预置类库的加载和初始化等等操作，而在系统需要一个新的虚拟机实例时，Zygote通过复制自身，最快速的提供个系统。另外，对于一些只读的系统库，所有虚拟机实例都和Zygote共享一块内存区域，大大节省了内存开销。（下图借签网络资源）