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1、Android Dalvik 虚拟机 初识及架构简析,LOGO,嵌入式系统概述,1,2,3,4,本节主要内容,5,6,LOGO,1、Dalvik虚拟机初识及基本特性,什么是Dalvik虚拟机？让我们从认识Java虚拟机开始： 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。 Davlik虚拟机同Java虚拟机同样是运行Java程序的虚拟机，但Davlik虚拟机具有其独特特性： Dalv
2、ik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。让我们看看Dalvik虚拟机处在Android系统架构的什么位置：,LOGO,LOGO,2、 Dalvik虚拟机与
3、Java虚拟机的区别,然而：Dalvik VM Java VM dalvik基于寄存器，而JVM基于stack 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,LOGO,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Dalvik VM来运行Java程序。为了能正确实现语义，Dalvik
4、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
5、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。,LOGO,LOGO,Dalvik字节码以16位为单元（或许叫“双字节码”更准确 ）。上面代码中有5条指令，其中mul-int/lit8指令占2单元，其余每条都只占1单元，共6单元=12字节。,Java字节码以1字节为单元。上面代码中有11条指令，每条都只占1单元，共11单元=11字节。,基于寄存器与基于栈的区别更详细的介绍见补充文档。,
6、LOGO,Dalvik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。 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。 DEX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
7、优化 DEX字节码的生成过程将在后续的专有工具介绍中给出。,为什么弃用已有的字节码文件（CLASS文件）而采用新的格式呢?,LOGO,3、 Dalvik虚拟机源码目录简析,通过以上的介绍，我们对Dalvik VM能实现的功能以及为什么需要这么一个虚拟机有了初步的认识。观其内部，Android VM的架构是什么样子的呢？ 在源码中，Dalvik VM相关的内容在Android中是一个独立的代码路径：dalvik/,其中包含了目标机和主机的内容。其主要的目录如下所示：,Dalvik/ |-Dx |-Vm | |-Arch | -Mterp | -Native | -Compiler |-Dalvi
8、kvm,Dalvik/dx目录的内容是dx工具库，其最终将dx专有工具（可执行文件）。另外与dx目录同级的文件夹dexdump、tools同样对应几个专有工具。 Dalvik/vm目录的内容是虚拟机核心实现，其最终将生成libdvm.so(Dalvik虚拟机)。 Davlik /dalvikvm目录中的内容是虚拟机的入口程序，会生成dalvilvm可执行程序。,LOGO,由于Dalvik中许多代码直接来源于Apache Harmony项目，因此，通过了解Apache Harmony项目对我们认识DalvikVM有很大的帮助。 Apache Harmony技术架构如下所示：,LOGO,从应用程序
9、的执行流程来看Dalvik VM的组成部分：,DX工具：由Java编译器编译后的.class转换成DE格式。 类加裁器：1、原始加载器，加载native实现的类；2、加载器object，加载java实现的类。（所有process共享） 执行引擎（解释器）：根据其自身的一套指令集对dalvik bytecode进行解释。 另外包括在此流程中实现的内存管理及线程机制,LOGO,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 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
10、。,LOGO,4、Dalvik虚拟机专有工具的功能及使用,Dalvik的虚拟机专有工具的功能其实很简单：改造并优化java字节码。 一般来说，启动一个Dalvik虚拟机需要启动一个Android应用程序来完成，其实我们可以直接使用Dalvik虚拟机： dx工具可以单独剥离出来使用。如，我们在pc上用java编译器把java源码编译成class字节码（这个步骤也可以在Linux服务器上完成），然后在linux上直接使用dx把该class字节码变成dex字节码（可以通过dx直接生成打包好的DEX格式的文件，如.jar等），如下有一个简单 例子： % echo class Foo public st
11、atic void main(String args) System.out.println(Hello, world); Foo.java % javac Foo.java % dx -dex -output=foo.jar Foo.class % adb push foo.jar /sdcard % adb shell dalvikvm -cp /sdcard/foo.jar Foo,LOGO,java语言是解释型语言，它是以跨平台换取执行效率为代价的。跨平台性体现在编译的跨平台性和运行跨平台性。编译的跨平台体现在源程序不限制于在某一平台进行编译，运行的跨平台性体现在编译出来的可执行程序也
12、不限制于在某一平台上运行。这样神奇是特性是不是特别具有吸引力呢？ 现在我们把重点放在运行的跨平台性。运行的跨平台性是以牺牲虚拟机的平台性相关性为代价的，而这正是我们需要解决的问题，因为官方并未提供unicore架构的虚拟机。 Dalvik虚拟机的平台相关性集中的体现在的执行引擎上，它是Dalvik虚拟机的核心部分，Dex字节码就是在这个部分解释执行 。 平台相关性问题我们先暂且搁置，因为在下一部分会重点分析Dalvik虚拟机的移植。先来了解一下解释器是怎么工作的：,5、Dalvik虚拟机核心执行引擎,LOGO,如Dex字节码add-int/2addr对应的架构汇编如下： mov r22, rI
13、NST #8 r22 #12 r3- B and r22, r22, #15 GET_VREG(r1, r3) r1- vB GET_VREG(r0, r22) r0- vA FETCH_ADVANCE_INST(1) advance rPC, load rINST add r0, r0, r1 GET_INST_OPCODE(ip) extract opcode from rINST SET_VREG(r0, r22) vAA- r0 GOTO_OPCODE(ip) jump to next instruction #define GET_VREG(_reg, _vreg) ldw _reg
14、, rFP+, _vreg #2 #define FETCH_ADVANCE_INST(_count) ldh.w rINST, rPC+, #(_count*2) #define GET_INST_OPCODE(_reg) and _reg, rINST, #255 #define SET_VREG(_reg, _vreg) stw _reg, rFP+, _vreg #2 #define GOTO_OPCODE(_reg) add pc, rIBASE, _reg #6 对应的C实现是： HANDLE_OP_X_INT_2ADDR(OP_AND_INT_2ADDR, and, vsrc1
15、= INST_B(inst); ILOGV(|%s-int-2addr v%d,v%d, (_opname), vdst, vsrc1); if (_chkdiv != 0) s4 firstVal, secondVal, result; firstVal = GET_REGISTER(vdst); secondVal = GET_REGISTER(vsrc1); if (secondVal = 0) EXPORT_PC(); dvmThrowException(Ljava/lang/ArithmeticException;, divide by zero); GOTO_exceptionThrown(); if (u4)firstVal = 0 x80000000 ,LOGO,6、 Dalvik虚拟机的移植及优化方向,Dalvik虚拟机整个架构真正意义上与架构相关的地方只有一个，那就是JNICallbridge。这是因为java引入了JNI机制，实现了java到本地方法的直接调用。这个调用关系就涉及以参数传递的问题，如X86架构的参数全是从右至左压栈传递，而ARM架构的参数传递则要遵循
