理解Android编译过程

2018-02-27 11:29:28来源:https://www.jianshu.com/p/df9ec824531b作者:豆沙包67人点击

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Androd运行环境

标准Java编译器使用JIT技术(见注1)将源代码编译成字节码(.class文件),紧接着进行第二轮编译(是对字节码进行压缩)出的字节码可以在特定的JVM运行。对于Android会有两个不同的虚拟机:


DALVIK:对于Android 4.4及以下版本使用的虚拟机,它使用JIT编译技术,但是在应用打开时进行编译,将应用启动速度变慢。
ART:应用AOT(ahead-of-time)技术在应用安装时将一部分的字节码转化成机器码,因此应用的启动速度变快。同时ART对GC技术进行了优化,默认采用CMS(并发标记和删除,见注2)缩短用户等待的时间。ART也存在缺点:会使安装速度变慢,因为缓存了机器码导致应用占用空间变大。
Android编译过程


java文件简要编译流程.png

更详细的编译补充过程见注3。


编译字节码

Android应用需要JDK来编译Java文件,通过javac命令来编译我们所写的代码,包括运行时的预编译类和三方库,输出字节码。这个步骤是一般的Java步骤,接下来才是Android特色的东西。


混淆(ProGuard Tool)

这个步骤是选择性开启的。Proguard Tool获取上述步骤输出的字节码,将其压缩(移除没人调用的方法)和混淆(将类名映射为无意义的名字)。


混淆大量减少包名,同时让破解者的成本大大提升。


不管用不用Proguard,这个步骤最后输出的也是.class文件(使用了就是混淆过的.class文件)。


.class字节码转化dex字节码

取到上一步输出的字节码将其转化为dex字节码(Dalvik Executable)。dex字节码是经过优化后的代码,能在Dalvik和ART运行时执行。


打包Apk并签名

将上一步输出的dex字节码和资源文件通过aapt一并压缩到apk内,通过jarsigner(标准签名工具)或zipalign(将字节码对齐)等工具进行签名。


运行apk

Zygote进程负责启动app。Zygote进程包含了所有应用公用的核心仓库,使用linux系统的fork命令来创建(非常快)一个自己的复制进程用于运行apk,这种方法会比启动新一个新进程再加载系统文件快得多。


执行机器码

Android运行时会读取上一步输出apk中的dex字节码,为了获得更快的执行速度,需要重新编译成机器码,可以成为ELF文件,在Android平台上是OAT文件。OAT文件会通过页映射到进程的内存里,然后把CPU执行入口地址改为该进程的内存地址开始执行(见注4),具体可以参考《程序员的自我修养—链接、装载与库》。


在Dalvki上这步在应用启动时使用JIT技术实现;


而在ART上,这步发生在app安装时,所以当启动应用时,速度会更快。


到这里位置,应用就启动主Activity并显示到屏幕上,具体可参考应用启动流程。


总结

从编写Java代码开始,经过一系列转换和编译,最终生成Android能执行的机器码,这个中间发生的东西还有很多,这里给了个大体流程。



1.JIT

Android 运行时 (ART) 包含一个具备代码分析功能的即时 (JIT) 编译器,该编译器可以在 Android 应用运行时持续提高其性能。JIT 编译器补充了 ART 当前的预先 (AOT) 编译器的功能,有助于提高运行时性能,节省存储空间,以及加快应用及系统更新速度。相较于 AOT 编译器,JIT 编译器的优势也更为明显,因为它不会在应用自动更新期间或重新编译应用(在无线下载 (OTA) 更新期间)时拖慢系统速度。


用户打开应用,会另ART加载.dex文件:如果有.oat文件(.dex文件的AOT二进制文件),ART则会使用该文件;若果没有则使用JIT解释执行.dex文件
针对未编译的应用启动JIT
将JIT数据转存在只限应用访问的目录
AOT编译守护进程通过解析该文件来推动编译。

图片来自Android官方文档





jit-workflow.png
2.CMS

CMS是以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。整个过程分为初始标记,并发标记,重新标记和并发清除,其中1和3都需要阻塞主线程来标记GC Root能关联的对象,而并发标记和并发清除是耗时最长的步骤。其缺点有:较为占用CPU,无法清除浮动垃圾和无法整理空间碎片。


3.构建流程

图片来自Android官方文档





构建流程.png
4.装载

图片来自《程序员的自我修养—链接、装载与库》





页错误.png

左边的ELF文件就是Android下执行的OAT文件,它按读写权限划分,具体分为.text代码段,.data数据段;中间是进程的虚拟地址空间,在Android下是Zygote fork出来的进程;右边是物理内存空间。


整个流程大概是,创建进程的虚拟地址空间并映射物理空间,建立ELF文件与虚拟空间的映射关系,开始执行。


具体请参考《程序员的自我修养—链接、装载与库》。


参考资料

Understanding the Android CompilationProcess -- By Bhavya Doshi


ART和Dalvik


How Android Apps are Built and Run


Build and Run


《程序员的自我修养—链接、装载与库》


《深入理解Java虚拟机》








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