Android 虚拟机 ART
Android 虚拟机 ART
Android 运行时 (ART) 是 Android 操作系统中用于执行应用程序代码的虚拟机。它于 Android 4.4 (KitKat) 中首次亮相，并从 Android 5.0 (Lollipop) 开始成为默认的运行时环境，取代了之前的 Dalvik 虚拟机。ART 的引入标志着 Android 性能和开发体验的重大改进。本文将深入探讨 ART 的架构、工作原理、与 Dalvik 的区别，以及它对 Android 应用程序开发和优化的影响。
ART 的历史与演变
在 ART 出现之前，Android 应用程序是由 Dalvik 虚拟机执行的。Dalvik 使用即时编译 (JIT) 技术，将应用程序的字节码 (DEX 文件) 转换为机器码，并在运行时执行。虽然 Dalvik 在早期 Android 版本中表现良好，但其 JIT 编译方式存在一些缺点，例如性能瓶颈和应用程序启动时间较长。
为了解决这些问题，Google 开发了 ART。最初，ART 使用预先编译 (AOT) 技术，在应用程序安装时将 DEX 文件编译成机器码。这显著提高了应用程序的启动速度和整体性能。
随着 Android 的不断发展，ART 也在不断演变。从 Android 7.0 (Nougat) 开始，ART 采用了混合编译模式，结合了 AOT 和 JIT 编译。这种混合模式允许 ART 根据应用程序的使用情况，动态地选择最佳的编译策略，从而在启动速度和运行时性能之间取得更好的平衡。
ART 的架构
ART 的架构比 Dalvik 更加复杂，但也更加高效。其主要组件包括：
- DEX 编译器 (dex2oat)：负责将 DEX 文件编译成机器码。
- 编译器优化器：对机器码进行优化，以提高性能。
- 垃圾回收器 (GC)：负责管理内存，释放不再使用的内存空间。
- 解释器：在 AOT 编译失败或 JIT 编译需要时，用于解释执行字节码。
- 核心库：提供应用程序所需的各种功能，例如输入/输出、网络通信等。
| 组件 | 描述 | 主要功能 |
| DEX 编译器 (dex2oat) | 将 DEX 文件编译成机器码 | 预编译，提高启动速度 |
| 编译器优化器 | 对机器码进行优化 | 提升运行时性能 |
| 垃圾回收器 (GC) | 管理内存，释放不再使用的内存空间 | 避免内存泄漏，提高系统稳定性 |
| 解释器 | 解释执行字节码 | 作为 AOT/JIT 的补充 |
| 核心库 | 提供应用程序所需的功能 | 提供基础服务 |
ART 与 Dalvik 的区别
ART 和 Dalvik 虚拟机之间存在着许多关键的区别，这些区别直接影响到 Android 应用程序的性能和开发体验。
| 特性 | Dalvik | ART |
| 编译方式 | JIT (即时编译) | AOT (预先编译) & JIT (混合编译) |
| 启动速度 | 较慢 | 较快 |
| 运行时性能 | 较低 | 较高 |
| 内存占用 | 较低 | 较高 (AOT 编译占用更多空间) |
| 垃圾回收 | 暂停时间较长 | 暂停时间较短 (更高效的 GC) |
| 代码优化 | 较少 | 更多 |
| 应用程序兼容性 | 较好 (早期版本) | 逐步改进 |
- 编译方式： Dalvik 使用 JIT 编译，而 ART 使用 AOT 和 JIT 混合编译。AOT 编译在安装时将应用程序代码编译成机器码，从而提高了启动速度。JIT 编译则在运行时根据需要编译代码，可以进行更精细的优化。
- 启动速度： ART 的 AOT 编译显著提高了应用程序的启动速度。
- 运行时性能： ART 的优化编译器和更高效的垃圾回收器提高了应用程序的运行时性能。
- 内存占用： ART 的 AOT 编译需要更多的存储空间来存储编译后的代码。
- 垃圾回收： ART 的垃圾回收器比 Dalvik 的更高效，暂停时间更短，从而减少了应用程序的卡顿现象。
- 代码优化： ART 的编译器可以进行更深入的代码优化，例如内联函数、循环展开等，从而进一步提高性能。
ART 的工作原理
ART 的工作流程可以概括为以下几个步骤：
1. DEX 文件生成：Android Studio 将 Java 代码编译成 DEX 文件。 2. DEX 编译 (dex2oat)：在应用程序安装时，dex2oat 工具将 DEX 文件编译成机器码。 3. 优化：编译器优化器对机器码进行优化，以提高性能，例如删除冗余代码、内联函数等。 4. 执行：ART 虚拟机执行编译后的机器码。 5. 垃圾回收：垃圾回收器定期扫描内存，释放不再使用的内存空间。
ART 的混合编译模式允许它根据应用程序的使用情况，动态地选择最佳的编译策略。例如，对于经常使用的代码，ART 可以使用 AOT 编译，以提高性能。对于不经常使用的代码，ART 可以使用 JIT 编译，以节省内存空间。
ART 对 Android 应用程序开发的影响
ART 的引入对 Android 应用程序开发产生了深远的影响。
- 性能提升：ART 的性能提升使得 Android 应用程序可以更流畅地运行，提供更好的用户体验。
- 电池续航：ART 的效率提升有助于降低应用程序的功耗，从而延长电池续航时间。
- 代码优化：开发者需要更加关注代码优化，以充分利用 ART 的性能优势。
- 调试：ART 的调试工具更加强大，可以帮助开发者更轻松地诊断和解决问题。
- 兼容性：开发者需要确保应用程序与不同的 ART 版本兼容。
ART 的优化技巧
为了充分利用 ART 的性能优势，开发者可以采取以下优化技巧：
- 避免过度对象创建：频繁创建和销毁对象会增加垃圾回收的压力，降低性能。
- 使用对象池：对象池可以重用已经创建的对象，减少对象创建的次数。
- 避免内存泄漏：内存泄漏会导致应用程序占用越来越多的内存，最终导致崩溃。
- 优化布局：复杂的布局会导致渲染时间过长，降低性能。使用 ConstraintLayout 等优化布局工具可以提高性能。
- 使用 ProGuard 或 R8：ProGuard 和 R8 可以删除未使用的代码和资源，减小应用程序的体积，提高性能。
- 使用 Profile Guided Optimization (PGO)：PGO 可以根据应用程序的实际运行情况，进行更精细的优化。
- 避免反射： 反射操作比直接调用方法更慢。
- 使用适当的数据结构：选择合适的数据结构可以提高算法的效率。
ART 的未来发展
ART 将继续发展，以适应 Android 平台的不断变化。未来的发展方向可能包括：
- 更智能的混合编译： ART 将能够更智能地选择最佳的编译策略，以在启动速度和运行时性能之间取得更好的平衡。
- 更高效的垃圾回收器： ART 将继续改进垃圾回收器，以减少暂停时间，提高系统稳定性。
- 对新兴硬件的支持： ART 将支持新的硬件架构和指令集，以充分利用硬件的性能优势。
- 与机器学习的结合： ART 可以利用机器学习技术，预测应用程序的行为，并进行相应的优化。
总结
ART 是 Android 操作系统中一个重要的组成部分，它极大地提高了 Android 应用程序的性能和开发体验。理解 ART 的架构、工作原理以及优化技巧对于开发高效、流畅的 Android 应用程序至关重要。随着 Android 平台的不断发展，ART 也将继续演变，为开发者提供更强大的工具和功能。
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附加：技术分析和策略相关链接
为了更深入地了解应用程序性能分析和优化，以下是一些与技术分析和策略相关的链接：
- 技术分析入门
- 成交量分析
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Category:Android 虚拟机 Category:Android 技术
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