Android虚拟机体系

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1 什么是Dalvik虚拟机

        Dalvik是Google公司自己设计用于Android平台的Java虚拟机，它是Android平台的重要组成部分，支持dex格式（Dalvik Executable）的Java应用程序的运行。dex格式是专门为Dalvik设计的一种压缩格式，适合内存和处理器速度有限的系统。Google对其进行了特定的优化，使得Dalvik具有高效、简洁、节省资源的特点。从Android系统架构图知，Dalvik虚拟机运行在Android的运行时库层。

2 Dalvik虚拟机的功能

        Dalvik作为面向Linux、为嵌入式操作系统设计的虚拟机，主要负责完成对象生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全和异常管理，以及垃圾回收等。Dalvik充分利用Linux进程管理的特定，对其进行了面向对象的设计，使得可以同时运行多个进程，而传统的Java程序通常只能运行一个进程，这也是为什么Android不采用JVM的原因。Dalvik为了达到优化的目的，底层的操作大多和系统内核相关，或者直接调用内核接口。另外，Dalvik早期并没有JIT编译器，直到Android2.2才加入了对JIT的技术支持。

3 Dalvik虚拟机和Java虚拟机的区别

        本质上，Dalvik也是一个Java虚拟机。但它特别之处在于没有使用JVM规范。大多数Java虚拟机都是基于栈的结构（详情请参考：理解Java虚拟机体系结构），而Dalvik虚拟机则是基于寄存器。基于栈的指令很紧凑，例如，Java虚拟机使用的指令只占一个字节，因而称为字节码。基于寄存器的指令由于需要指定源地址和目标地址，因此需要占用更多的指令空间。Dalvik虚拟机的某些指令需要占用两个字节。基于栈和基于寄存器的指令集各有优劣，一般而言，执行同样的功能，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间。需要更多指令意味着要多占用CPU时间，而需要更多指令空间意味着数据缓冲（d-cache）更易失效。

        Java虚拟机运行的是Java字节码，而Dalvik虚拟机运行的是专有文件格式dex。在Java程序中，Java类会被编译成一个或多个class文件，然后打包到jar文件中，接着Java虚拟机会从相应的class文件和jar文件中获取对应的字节码。Android应用虽然也使用Java语言，但是在编译成class文件后，还会通过DEX工具将所有的class文件转换成一个dex文件，Dalvik虚拟机再从中读取指令和数据。dex文件除了减少整体的文件尺寸和I/O操作次数，也提高了类的查找速度。

        jar和apk文件的组成结构，以及class文件和dex文件的差异。dex格式文件使用共享的、特定类型的常量池机制来节省内存。常量池存储类中的所有字面常量，它包括字符串常量、字段常量等值。

总的来说，Dalvik虚拟机具有以下特点：
        ●使用dex格式的字节码，不兼容Java字节码格式
        ●代码密度小，运行效率高，节省资源
        ●常量池只使用32位的索引
        ●有内存限制
        ●默认栈大小是12KB（3个页，每页4KB）
        ●堆默认启动大小为2MB，默认最大值为16MB
        ●堆支持的最小启动大小为1MB，支持的最大值为1024MB
        ●堆和栈参数可以通过-Xms和-Xmx修改

4 Dalvik系统结构

        实际上，Dalvik是基于Apache Harmony（Apache软件基金会的Java SE项目）的部分实现，提供了自己的一套库，即上层Java应用程序编写所使用的API。

        Apache Harmony大体上分为三个层：操作系统、Java虚拟机、Java类库。它的特点在于虚拟机和类库内部被高度模块化，每一个模块都有一定的接口定义。操作系统层与虚拟机层之间的接口由Portability Layer定义，它封装了不同操作系统的差异，为虚拟机和类库的本地代码提供了一套统一的API访问底层系统调用。虚拟机与类库之间的接口除了Java规范定义的JNI、JVMITI外，还加入了一层虚拟机接口，由内核类和本地代码组成。实现了虚拟机接口的虚拟机都可以使用Harmony的类库实现，并且可以被Harmony提供的同一个Java启动程序启动。

        下面是Dalvik虚拟机的结构图：

        一个应用首先经过DX工具将class文件转换成Dalvik虚拟机可以执行的dex文件，然后由类加载器加载原生类和Java类，接着由解释器根据指令集对Dalvik字节码进行解释、执行。最后，根据dvm_arch参数选择编译的目标机体系结构。

4.1 dex文件结构

        dex文件结构和class文件结构差异的地方很多，但从携带的信息上看，dex和class文件是一致的。

        ●header：存储了各个数据类型的起始地址、偏移量等信息。
        ●proto_ids：描述函数原型信息，包括返回值，参数信息。比如“test:()V”
        ●methods_ids：函数信息，包括所属类及对应的proto信息。

        虽然dex文件的结构很紧凑，但想要运行时的性能得到进一步提升，还需要对dex文件进行进一步优化。优化主要针对以下几个方面：
        ●调整所有字段的字节序和对齐结构中的每一个域
        ●验证dex文件中的所有类
        ●对一些特定的类进行优化，对方法里的操作码进行优化

        dex文件经过优化后文件大小会膨胀，大约增加到原来的1~4倍。对于内置应用，一般在系统编译后，便会生成优化文件（odex: Optimized dex）。一个Android应用程序，需要经过以下过程才可以在Dalvik虚拟机上运行：
        ●把Java源文件编译成class文件
        ●使用DX工具把class文件转换成dex文件
        ●使用aapt工具把dex文件、资源文件以及AndroidManifest.xml文件（二进制格式）组合成APK
        ●将APK安装到Android设备运行

5 Android的启动

        ●启动电源，加载引导程序到RAM
        ●BootLoader引导
        ●Linux Kernel启动
        ●Init进程创建
        ●Init fork出Zygote进程，Zygote进程创建虚拟机；创建系统服务
        ●Android Home Launcher启动