JAVA虚拟机、Dalvik虚拟机和ART虚拟机简要对比

1、什么是JVM?

JVM本质上就是一个软件,是计算机硬件的一层软件抽象,在这之上才能够运行Java程序,JAVA在编译后会生成类似于汇编语言的JVM字节码,与C语言编译后产生的汇编语言不同的是,C编译成的汇编语言会直接在硬件上跑,但JAVA编译后生成的字节码是在JVM上跑,需要由JVM把字节码翻译成机器指令,才能使JAVA程序跑起来。

JVM运行在操作系统上,屏蔽了底层实现的差异,从而有了JAVA吹嘘的平台独立性和Write Once Run Anywhere。根据JVM规范实现的具体虚拟机有几十种,主流的JVM包括Hotspot、Jikes RVM等,都是用C/C++和汇编编写的,每个JRE编译的时候针对每个平台编译,因此下载JRE(JVM、Java核心类库和支持文件)的时候是分平台的,JVM的作用是把平台无关的.class里面的字节码翻译成平台相关的机器码,来实现跨平台。

2、什么是DVM,和JVM有什么不同?

JVM是Java Virtual Machine,而DVM就是 Dalvik Virtual Machine,是安卓中使用的虚拟机,所有安卓程序都运行在安卓系统进程里,每个进程对应着一个Dalvik虚拟机实例。他们都提供了对象生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全和异常管理以及垃圾回收等重要功能,各自拥有一套完整的指令系统,以下简要对比两种虚拟机的不同。

①JAVA虚拟机运行的是JAVA字节码,Dalvik虚拟机运行的是Dalvik字节码

JAVA程序经过编译,生成JAVA字节码保存在class文件中,JVM通过解码class文件中的内容来运行程序。而DVM运行的是Dalvik字节码,所有的Dalvik字节码由JAVA字节码转换而来,并被打包到一个DEX(Dalvik Executable)可执行文件中,DVM通过解释DEX文件来执行这些字节码。

②Dalvik可执行文件体积更小

以下是JVM规范中以C的数据结构表达的class文件结构,class文件被虚拟机加载到内存中后便是这样:

class文件中包含多个不同的方法签名,如果A类文件引用B类文件中的方法,方法签名也会被复制到A类文件中(在虚拟机加载类的连接阶段将会使用该签名链接到B类的对应方法),也就是说,多个不同的类会同时包含相同的方法签名,同样地,大量的字符串常量在多个类文件中也被重复使用,这些冗余信息会直接增加文件的体积,而JVM在把描述类的数据从class文件加载到内存时,需要对数据进行校验、转换解析和初始化,最终才形成可以被虚拟机直接使用的JAVA类型,因为大量的冗余信息,会严重影响虚拟机解析文件的效率。

为了减小执行文件的体积,安卓使用Dalvik虚拟机,SDK中有个dx工具负责将JAVA字节码转换为Dalvik字节码,dx工具对JAVA类文件重新排列,将所有JAVA类文件中的常量池分解,消除其中的冗余信息,重新组合形成一个常量池,所有的类文件共享同一个常量池,使得相同的字符串、常量在DEX文件中只出现一次,从而减小了文件的体积。

dx工具的转换过程和DEX文件的结构如下图所示。

③JVM基于栈,DVM基于寄存器

JAVA虚拟机基于栈结构,程序在运行时虚拟机需要频繁的从栈上读取写入数据,这个过程需要更多的指令分派与内存访问次数,会耗费很多CPU时间。

Dalvik虚拟机基于寄存器架构,数据的访问通过寄存器间直接传递,这样的访问方式比基于栈方式要快很多。

public class Hello {public int foo(int a, int b) {return (a + b) * (a - b);}public static void main(String[] args) {Hello t = new Hello();System.out.print(t.foo(5, 3));}
}

以这段代码中的foo方法为例,编译成class文件后,反编译class文件查看JAVA字节码:

Code:0: iload_11: iload_22: iadd3: iload_14: iload_25: isub6: imul7: ireturn

同样代码的foo方法,编译生成dex文件后,查看Dalvik字节码:

 0000: add-int  v0, v3, v40002: sub-int  v1, v3, v40004: mul-int/2addr  v0, v10005: return  v0

由以上字节码对比,代码指令减少了,执行速度当然也会更快。

3、什么是ART虚拟机,和JVM/DVM有什么不同?

首先了解JIT(Just In Time,即时编译技术)和AOT(Ahead Of Time,预编译技术)两种编译模式。

JIT以JVM为例,javac把程序源码编译成JAVA字节码,JVM通过逐条解释字节码将其翻译成对应的机器指令,逐条读入,逐条解释翻译,执行速度必然比C/C++编译后的可执行二进制字节码程序慢,为了提高执行速度,就引入了JIT技术,JIT会在运行时分析应用程序的代码,识别哪些方法可以归类为热方法,这些方法会被JIT编译器编译成对应的汇编代码,然后存储到代码缓存中,以后调用这些方法时就不用解释执行了,可以直接使用代码缓存中已编译好的汇编代码。这能显著提升应用程序的执行效率。(安卓Dalvik虚拟机在2.2中增加了JIT)

相对的AOT就是指C/C++这类语言,编译器在编译时直接将程序源码编译成目标机器码,运行时直接运行机器码。

Dalvik虚拟机执行的是dex字节码,ART虚拟机执行的是本地机器码。

Dalvik执行的是dex字节码,依靠JIT编译器去解释执行,运行时动态地将执行频率很高的dex字节码翻译成本地机器码,然后在执行,但是将dex字节码翻译成本地机器码是发生在应用程序的运行过程中,并且应用程序每一次重新运行的时候,都要重新做这个翻译工作,因此,及时采用了JIT,Dalvik虚拟机的总体性能还是不能与直接执行本地机器码的ART虚拟机相比。

安卓运行时从Dalvik虚拟机替换成ART虚拟机,并不要求开发者重新将自己的应用直接编译成目标机器码,也就是说,应用程序仍然是一个包含dex字节码的apk文件。所以在安装应用的时候,dex中的字节码将被编译成本地机器码,之后每次打开应用,执行的都是本地机器码。移除了运行时的解释执行,效率更高,启动更快。(安卓在4.4中发布了ART运行时)

ART优点:

  • 系统性能显著提升
  • 应用启动更快、运行更快、体验更流畅、触感反馈更及时
  • 续航能力提升
  • 支持更低的硬件

ART缺点

  • 更大的存储空间占用,可能增加10%-20%
  • 更长的应用安装时间

总的来说ART就是“空间换时间”

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