Android Dalvik虚拟机简介

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。其指令集基于栈架构，执行其特有的*.class文件格式.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。

Android 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*.dex文件格式。它通过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），大体由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。

Dalvik VM与Apache Harmony 项目关系源远流长，因此，与JVM关系自然就密切了。
然而：Dalvik VM ≠Java VM
dalvik基于寄存器，而JVM基于栈
Dalvik虚拟机执行的是特有的*.dex文件格式，而JVM运行的是*.class文件格式。
Dalvik虚拟机有以下几个优势：
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。Android平台上应用程序的主要开发语言是Java，

它通过其中的Dalvik VM来运行Java程序。为了能正确实现语义，Dalvik VM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Dalvik
VM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。

另外，关于JVM的指令集的详细内容请阅读《JVM指令详解》

我们从下面的图1和图2可以看到与同一段Java代码对应的Java bytecode 与Dalvid bytecode的比较。

图1



图2



注意：JVM中，并不是每条指令都占一个单元的，比如if_icmple,ifeq等指令

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。
dex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。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。
对于Android的JAVA应用程序,是先把用JDK把Java源码编译成*.class文件，然后再用Android提供的DX工具转化为*.dex文件的。如图3
另外，dex文件可以进行进一步优化生成odex文件。优化后的dex文件大小会有所增加，应该是原dex文件的1-4倍。
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
图3



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。
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。
Zygote是虚拟机实例的孵化器。AndroidRuntime.cpp中调用com.android.internal.os中的ZygoteInit类的main()方法，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。关于此可以参见图4和图5.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。

图4



图5