从JVM到Dalivk再到ART（class,dex,odex,vdex,ELF）

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发布于 2020-05-29 10:18:55

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发布于 2020-05-29 10:18:55

现在市面上的 Android 手机大部分都是运行的是ART虚拟机了。还记得自己一部 Android手机（HuaweiG520），Android4.1 系统。那时候还是没有 ART虚拟机 的。作为Android开发者，我们应该对 Android 的发展历史有些了解为什么 Android 会经历这么多的变化。Android 是先有 JVM 然后是 Dalvik ，接着是现在的 ART虚拟机 。那么他们之间有什么关系呢？

Dalvik和ART

JVM就不用讲述了大家都有了解，不了解的参见JVM百度百科。 Dalvik 是 Google 公司自己设计用于 Android 平台的虚拟机，是 Google 等厂商合作开发的 Android 移动设备平台的核心组成部分之一。它可以支持已转换为 .dex 格式的 Java 应用程序的运行，.dex 格式是专为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。

Dalvik和JVM的主要区别

首先通过介绍 Dalvik 的时候我们就知道 Dalvik 运行的是 dex 文件，而JVM 运行的是 class 文件。 Dalvik VM 是基于寄存器的架构，而 JVM 是栈机。所以 Dalvik VM 的好处是可以做到更好的提前优化（ahead-of-time optimization）。另外基于寄存器架构的VM执行起来更快，但是代价是更大的代码长度。

基于寄存器架构的虚拟机有这么多的好处，为什么之前设计JAVA的程序员没有采用呢，而是采用现在基于栈的架构开发的呢？

因为基于栈的虚拟机也有它的优点，它不对 host 平台的 寄存器数量 做假设，有利于移植到不懂的平台，这也符合的Java跨平台的特点。而Dalvik 虚拟机则不关心这些，因为它本来就是为 ARM 这样的多寄存器平台设计的，另外 Dalvik 被移植到 x86 机器上，即使 x86 这种寄存器少的平台，寄存器架构的虚拟机也可以运行。一般来说,基于堆栈的机器必须使用指令才能从堆栈上的加载和操作数据,因此,相对基于寄存器的机器，它们需要更多的指令才能实现相同的性能。但是基于寄存器机器上的指令必须经过编码,因此,它们的指令往往更大。

public class Demo {
    public static void foo() {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 5;
     } 
}

我们可以查看Demo.java在JVM中的class和Dalvik的dex字节码文件：

详见：使用dx将class转dex总结

bytecode

想要了解更多:基于栈的虚拟机 VS 基于寄存器的虚拟机

Dalvik在JVM上的优化

在编译时提前优化代码而不是等到运行时
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。
常量池已被修改为只使用32位的索引，以简化解释器
标准Java字节码实行8位堆栈指令,Dalvik使用16位指令集直接作用于局部变量。局部变量通常来自4位的“虚拟寄存器”区。这样减少了Dalvik的指令计数，提高了翻译速度。

Dalivk进化之ART

2014年6月25日，Android L 正式亮相于召开的谷歌I/O大会，Android L 改动幅度较大，谷歌将直接删除 Dalvik ，代替它的是传闻已久的 ART。在在Android系统4.4 提出，在 Android5.0之后完全弃用 dalvik 全部采用 art为执行环境。

ART（ Android Runtime）

ART 的机制与 Dalvik 不同。在 Dalvik 下，应用每次运行的时候，字节码都需要通过即时编译器（just in time ，JIT）转换为机器码，这会拖慢应用的运行效率，而在ART 环境中，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。这个过程叫做预编译（AOT,Ahead-Of-Time）。这样的话，应用的启动(首次)和执行都会变得更加快速。

ART的优缺点

优点:

系统性能的显著提升。
应用启动更快、运行更快、体验更流畅、触感反馈更及时。
更长的电池续航能力。
支持更低的硬件。

缺点：

机器码占用的存储空间更大，字节码变为机器码之后，可能会增加10%-20（不过在应用包中，可执行的代码常常只是一部分。比如最新的 Google+ APK 是 28.3 MB，但是代码只有 6.9 MB。）
应用的安装时间会变长。

class、dex、odex、ELF相爱相杀

从执行文件上面进行分析的话，JVM 对应 class 文件，Dalivk 对应 odex 文件，而 ART 对应 oat 文件。工具：javac, dx .java——>.class——->.dex .java 文件经过 javac 编译器生成 .class 字节码再经过。dx 工具生成 .dex 。

为了在 JVM 优化出一个 Dalivk 虚拟机，所以把 JVM 运行的 class 文件进行打包优化为 dex 文件，但其本质还是和 class 文件一样属于字节码文件。但是为了每次启动时都去掉从字节码到机器码的编译过程，Google 又从 Dalivk 中优化出了 ART，在其安装应用的时候将 dex 文件进行预处理生成可执行的 oat 文件。

JIT的引入

据说 Android 2.2 的虚拟机 dalvik 使用了 JIT 技术，使其运行速度快了5倍。

dalvik 解释并执行程序，JIT 技术主要是对多次运行的代码进行编译，当再次调用时使用编译之后的机器码，而不是每次都解释，以节约时间。5倍是测试程序测出的值，并不是说程序运行速度也能达到5倍，这是因为测试程序有很多的重复调用和循环，而一般程序主要是顺序执行的，而且它是一边运行，一边编译，一开始的时候提速不多，所以真正运行程序速度提高不是特别明显。

每启动一个应用程序，都会相应地启动一个 dalvik 虚拟机，启动时会建立JIT 线程，一直在后台运行。当某段代码被调用时，虚拟机会判断它是否需要编译成机器码，如果需要，就做一个标记，JIT 线程不断判断此标记，如果发现被设定就把它编译成机器码，并将其机器码地址及相关信息放入 entry table 中，下次执行到此就跳到机器码段执行，而不再解释执行，从而提高速度。

odex(optimized dex)

因为 apk 实际为 zip 压缩包，虚拟机每次加载都需要从 apk 中读取classes.dex 文件，这样会耗费很多的时间，而如果采用了 odex 方式优化的 dex 文件，他包含了加载 dex 必须的依赖库文件列表，只需要直接加载而不需要再去解析。

在 Android N 之前，对于在 dalvik 环境中使用 dexopt 来对 dex 字节码进行优化生成 odex 文件最终存在手机的 data/dalvik-cache 目录下，最后把 apk 文件中的 dex 文件删除。

在 Android O 之后，odex 是从 vdex 这个文件中提取了部分模块生成的一个新的可执行二进制码文件， odex 从 vdex 中提取后，vdex 的大小就减少了。

第一次开机就会生成在 /system/app/<packagename>/oat/ 下
在系统运行过程中，虚拟机将其从 /system/app 下 copy 到 /data/davilk-cache/ 下;
odex + vdex = apk 的全部源码（vdex 并不是独立于 odex 的文件 odex + vdex 才代表一个 apk ）;

AOT(Ahead-of-time)

ART 推出了预先 (AOT) 编译，可提高应用的性能。ART 还具有比 Dalvik 更严格的安装时验证。在安装时，ART 使用设备自带的 dex2oat 工具来编译应用。该实用工具接受 DEX 文件作为输入，并针对目标设备生成已编译应用的可执行文件。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，因此运行速度提高。

AOT 是 art 的核心，oat 文件包含 oatdata 和 oatexec。前者包含 dex 文件内容，后者包含生成的本地机器指令，从这里看出 oat 文件回会比 dex 文件占用更大的存储空间。

因为 oat 文件包含生成的本地机器指令进而可以直接运行，它同样保存在手机的 data/dalvik-cache 目录下 PMS(PackgetManagerService)—>installd(守护进程)——>dex2oat(/system/bin/dex2oat) 。注意存放在 data/dalvik-cache 目录下的后缀名都仍为 .dex 前者其实表示一个优化过的 .dex 文件后者为 .art 文件。

push 一个新的 apk 文件覆盖之前 /system/app 下 apk 文件，会触发 PKMS 扫描时下发 force_dex flag ，强行生成新的 vdex文件，覆盖之前的vdex 文件，由于某种机制，这个新 vdex 文件会 copy 到 /data/dalvik-cache/ 下，于是 art 文件也变化了。

混合运行时

Android N 开发者预览版包含了一个混合模式的运行时。应用在安装时不做编译，而是解释字节码，所以可以快速启动。ART中有一种新的、更快的解释器，通过一种新的 JIT 完成，但是这种 JIT 的信息不是持久化的。取而代之的是，代码在执行期间被分析，分析结果保存起来。然后，当设备空转和充电的时候，ART 会执行针对“热代码”进行的基于分析的编译，其他代码不做编译。为了得到更优的代码，ART 采用了几种技巧包括深度内联。

对同一个应用可以编译数次，或者找到变“热”的代码路径或者对已经编译的代码进行新的优化，这取决于分析器在随后的执行中的分析数据。这个步骤仍被简称为 AOT，可以理解为“全时段的编译”（All-Of-the-Time compilation）。

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;

vdex

官网回答：ART的运作方式

dex2oat 工具接受一个 APK 文件，并生成一个或多个编译工件文件，然后运行时将会加载这些文件。文件的个数、扩展名和名称会因版本而异。

在 Android O 版本中，将会生成以下文件：

.vdex：其中包含 APK 的未压缩 DEX 代码，另外还有一些旨在加快验证速度的元数据。
.odex：其中包含 APK 中已经过 AOT 编译的方法代码。
.art (optional)：其中包含 APK 中列出的某些字符串和类的 ART 内部表示，用于加快应用启动速度。

第一次开机就会生成在 /system/app/<packagename>/oat/ 下；
在系统运行过程中，虚拟机将其从 /system/app 下 copy 到 /data/davilk-cache/ 下。

ELF文件

ELF(Executable and Linking Format)是一种对象文件的格式，用于定义不同类型的对象文件(Object files)中都放了什么东西、以及都以什么样的格式去放这些东西。它自最早在 System V系统上出现后，被 xNIX 世界所广泛接受，作为缺省的二进制文件格式来使用。可以说，ELF 是构成众多 xNIX 系统的基础之一。

apk安装过程

大家都知道 apk 其实就是 zip 包 apk 安装过程其实就是解压过程。

用户应用安装涉及以下几个目录：

data/app 安装目录安装时会把 apk 文件 copy 到这里;
data/dalvik-cache 如上述描述中的存放.dex ( .odex 无论 davilk 的 dex 还是 art 的 oat 格式);
data/data/pkg/ 存放应用程序的数据;