ART虚拟机介绍

ART全称是Android Runtime，指的是为Android应用提供运行环境的虚拟机，所以叫ART虚拟机。ART最初是Dalvik虚拟机，从Android 4.4开始逐渐抛弃Dalvik虚拟机进行针对性优化、引入新的特性，渐渐脱离Dalvik成为独一无二的ART虚拟机。

ART整体架构

ART整体分为Compiler&Interpreter和Runtime两个部分，它们的具体内容如下：

• Complier&Interpreter 负责对代码进行处理
  • 解释器，用于解释执行字节码
  • JIT Just-in-Time 即时编译，在运行过程中将执行频率较高的函数编译为机器指令，从而提升运行速度和性能
  • AOT Ahead-of-Time 预先编译，在运行开始前对部分代码进行预先编译，从而提升运行速度和性能
• Runtime 提供对Java语言机制的支持
  • 内存管理
  • 线程
  • 异常
  • 类管理
  • JNI，Java Native Interface
  • 调试
  • ...

ART对象分配

在面向对象编程中，程序会创建许多个对象。在Android中，这些对象就需要由ART来分配合理的内存资源，在对象销毁时进行内存资源的回收和清理。

创建对象需要有类的定义，类定义决定着一个对象的大小（内存布局，比如类成员的大小和分布）和行为（函数信息）。在Java中，所有类都继承自Object类，在Object类中，有一个klass_成员负责该对象所属类的类对象，还有一个monitor_成员负责存储Hash Code和锁信息。

类管理

对于某个类的一个对象，它分配到的空间取决于继承链，继承链上的所有成员都会被分配空间。在Java中，当类第一次被使用时，将会进行该类的加载。

内存分配

Android应用的内存分配是由ART虚拟机来处理的，也就是说应用的内存申请并不是向操作系统提出，而是向虚拟机提出，虚拟机则负责对OS内存的占用和布局。如下所示，

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                 APP
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      ART VM Heap         Native Heap
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         Linux Kernel 内存管理
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ART虚拟机使用不同的分配器来分配内存，对于不同的内存申请使用合适的内存分配器。ART的内存分配器有以下几种：

• TLAB
  • 相当于局部Cache，分配速度快，但是体积小
• ROSallocator
  • 内存体积中等，从VM mem pool中分配内存
• LOSallocator
  • 申请的内存体积较大，虚拟机将向Linux系统申请内存并分配

内存回收

当对象不再被使用时，自然需要销毁对象，回收分配给它的内存资源，这就是内存回收。常见的内存回收机制有两种：GC和RC。

• GC机制全称Garbage Collection（垃圾回收），这种机制的做法是定期（或者根据某些条件）查找系统中不用的对象并释放内存。
• RC机制全称Reference Counting（引用计数），这种机制与GC不同，它对每一个对象进行引用计数，当计数为0时说明不再有引用者使用该对象，于是销毁对象释放内存。

Android系统采用GC机制进行内存回收，而IOS的Swift采用RC机制进行内存回收。两种方式各有优劣，GC机制因为不能及时回收内存，所以应用的内存占用较大；而RC机制则无法直接回收两个相互引用（或者多个对象形成环引用）但是无用的对象的内存。

在ART的内存回收机制中，对象的引用被分为强引用、软引用和弱引用。强引用不会被回收，软引用会在内存不足时被回收，而弱引用在GC被触发时就会被回收。GC的触发策略不同固件厂商各不相同，通常来说包括内存不足、VM占用内存到达某个警戒值或者其他条件（比如锁屏若干时间后触发GC回收内存）。

要进行GC，就要确定对象是否可以被回收，于是这里引入GC roots的概念。GC roots是指一些特殊的栈、引用或者静态变量，在GC时从这些roots出发进行遍历，并把所有遍历到的对象打上标记（mark），遍历完成后所有未被mark的对象就是孤立对象，这些无用的对象将会被回收。在进行内存回收时，有两种做法：

• Tracing GC 直接将所有未被mark的对象的内存
• Coping GC 这里先介绍一下内存碎片：因为各个应用每次申请的内存总是大小不一，所以久而久之会产生了内存碎片化问题，也就是有许多小的空闲内存块，但是缺少较大的完整内存块，从而难以满足较大体积的内存需求。Coping GC将mark过的对象拷贝集中到一个区域，然后释放之前的整块内存空间，从而消除了一部分内存碎片

在ART的内存回收策略中，前台GC（对前台应用进行的GC）采用Tracing GC的方式进行，以避免影响应用使用；后台GC（对后台进程，例如Service，进行的GC）采用Coping GC的方式，以避免内存碎片产生。

ART执行方式

在ART虚拟机，代码有三种执行方式，分别是：

• 解释执行，解释执行字节码
• JIT，在解释执行同时对函数进行打分，分数高（取决于打分策略）的函数将被编译为机器指令，从而提高之后执行该函数的速度
• AOT，以dex为单位进行预先编译，并将编译后的机器指令持久化存储下来，每次执行到相应部分时直接执行机器指令而无需解释执行字节码

ART栈管理

对于解释执行的部分，栈托管到虚拟机完成；对于编译过的部分，栈管理与native代码一致，遵循对应指令集的压栈约定。

对于解释执行和编译执行的切换，ART采用trampoline-bridge机制来进行。