Android应用程序与运行环境

JVM（Java Virtual Machine）、Dalvik 和 ART（Android Runtime）从广义上来说，都可以归类为 "Java 运行时环境"（Java Runtime Environment）的一部分，核心目标是执行 Java 字节码或类似 Java 的程序。

Dalvik 和 ART可以看作是针对 Android 平台优化的 Java 虚拟机变种，旨在支持 Java 生态和语言特性，负责解释、编译和运行 Java 或 Kotlin 代码（在 Android 中）。

JVM（Java Virtual Machine）

JVM 是一种运行 Java 字节码（.class 文件）的虚拟机，作为 Java 平台的核心组件。它提供了一种跨平台的运行环境，使 Java 程序能够在多种操作系统上运行。

工作原理

1. Java 字节码：Java 源代码（.java 文件）通过编译器 javac 转换为 .class 文件（Java 字节码）。
2. 加载与解释：JVM 通过类加载器（ClassLoader）加载 .class 文件，并将其转换为虚拟机可以执行的指令。
3. 执行方式：
   • 解释执行：逐行解释 .class 文件中的字节码并执行。
   • JIT（Just-In-Time）编译：将热点代码（频繁执行的代码）编译为本地机器码，提高性能。

特点

• 跨平台性：Java 程序可以在任何安装了 JVM 的系统上运行。
• 面向通用场景：JVM 的设计初衷是服务于多种环境和设备。

Dalvik

Dalvik 是 Android 早期的虚拟机，用于在移动设备上高效运行 Android 应用程序。它能够运行 Android 专用的 .dex 文件（Dalvik Executable）。

工作原理

1. 字节码格式：
   • Android 开发中的 .class 文件会被转换为 .dex 文件，这是一种经过优化的字节码格式。
2. 基于寄存器的架构：
   • 不同于 JVM 基于栈的指令集，Dalvik 使用寄存器作为操作数存储区。这种方式减少了指令数量，提高了执行效率。
3. 解释执行：
   • Dalvik 主要通过解释器逐行执行 .dex 字节码。

特点

• 为移动设备优化：
  • 低内存占用。
  • 更高效的指令集。
• 单独进程模型：
  • 每个 Android 应用都有自己的 Dalvik 实例，运行在独立的进程中。
• GC（垃圾回收）优化：
  • 针对低内存设备进行了垃圾回收算法优化。

ART（Android Runtime）

ART 是 Android 的现代运行时，作为 Dalvik 的替代者，从 Android 5.0（Lollipop）开始成为默认运行时。ART 的目标是进一步提高性能，优化资源使用。

工作原理

1. AOT（Ahead-Of-Time）编译：
   • 在应用安装时，ART 会将 .dex 文件编译为本地机器码（ELF 文件），这样在运行时无需解释或即时编译。
2. JIT（Just-In-Time）编译：
   • 从 Android 7.0 开始，ART 增加了 JIT 编译器，用于在运行时优化热点代码。
3. 解释执行：
   • ART 也支持解释执行未编译的代码。

特点

• 高性能：
  • AOT 编译减少了运行时的计算开销，启动速度更快。
• 优化内存使用：
  • ART 支持共享类和字符串池，减少了重复数据的内存占用。
• 改进的垃圾回收：
  • ART 提供了更高效的垃圾回收机制（如并行 GC 和增量 GC）。
• 调试和分析支持：
  • 支持更精细的调试功能，例如更好的堆栈跟踪和内存泄漏检测。

DEX( Dalvik Executable) 是 Android 平台的一种字节码格式。 A bytecode format designed specifically for Android that's optimized for a minimal memory footprint.

所有 Android 应用程序的代码最终都会以 DEX 文件的形式运行在 Android Runtime (ART) 或 Dalvik 虚拟机上。

特点

• DEX 文件的设计目标是减少运行时的内存使用。
• 指令集被精简并优化，以适应移动设备的有限资源。

• 不同于 Java 的 .class 文件（每个类一个文件），一个 DEX 文件可以包含多个类的字节码。这种设计减少了文件数量和存储开销。

• 虽然 DEX 文件是为 Android 优化的，但它仍然保持了平台无关性，类似于 JVM 的字节码。

构建

在构建 APK 的过程中，所有 JAR 文件中的 Java 字节码会被 d8 或 dx 工具转换为 DEX 格式。

• JAR 文件中包含的是标准的 Java 字节码（.class 文件）。
• 在构建时，这些 .class 文件会被统一合并并转换为一个或多个 .dex 文件。
• 最终生成的 DEX 文件会被打包到 APK 的 classes.dex 文件中。

Unity 在构建 Android 工程时，会将所有 JAR 插件统一传递给 Android 构建工具链（Gradle 或 UnityPlayerActivity 的构建脚本），最终处理方式取决于这些工具链： - 普通 JAR 文件：字节码会被转换为 DEX。 - 动态加载 JAR 文件：如果指定为动态加载，JAR 会保留原始形式。

加载和执行

1. 加载 DEX 文件 DEX 文件通常通过虚拟机加载和解释。加载器主要包括：

• ClassLoader：加载和解析 DEX 文件中的类。
• DexClassLoader：支持在运行时动态加载外部的 DEX 文件。

1. 解释与编译

• 解释执行：ART 和 Dalvik 虚拟机可以直接解释 DEX 字节码。
• 编译执行：
  • 在 ART 中，常见方法会被 JIT 编译为本地机器码。
  • 在应用安装时，ART 会将 DEX 文件通过 AOT 编译为本地代码。

相关工具

• d8：
  • 新版的字节码转换工具，用于将 .class 转换为 .dex。
  • 比 dx 更高效，支持增量编译。
• dexdump：
  • 用于分析和查看 DEX 文件内容的工具。
• proguard：
  • 用于混淆代码，减小 DEX 文件的大小，并保护代码不被反编译。