9102年了，还不知道Android为什么卡？笔记，原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/wyN6I4KTNWI-VE3KbjtgUQ

基础概念

编译&解释

某些编程语言（如Java）的源代码通过编译-解释的流程可被计算机读懂

如

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public static void main(String[] args){
    print('Hello World')
}

• 写完这段代码并执行，电脑或手机就会打印出Hello World。
• 那么问题来了，英文是人类世界的语言，计算机（CPU）是怎么理解英文的呢？
• 众所周知，0和1是计算机世界的语言，可以说计算机只认识0和1。那么我们只需要把上面那段英文代码只通过0和1表达给计算机，就可以让计算机读懂并执行。

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• 结合上图，Java源代码通过编译变成字节码，然后字节码按照模版中的规则解释为机器码。

机器码&字节码

机器码

机器码就是能被CPU直接解读并执行的语言。

• 但是如果使用上图中生成的机器码跑在另外一台计算机中，很可能就会运行失败。
• 这是因为不同的计算机，能够解读的机器码可能不同。通俗而言就是能在A电脑上运行的机器码，放到B电脑上就可能就不好使了。
• 举个🌰，中国人A认识中文，英语；俄国人B认识俄语，英语。这时他两同时做一张中文试卷，B大概连写名字的地方都找不到。
• 所以这时候我们需要字节码。

字节码

中国人A看不懂俄文试卷，俄国人B看不懂中文试卷，但是大家都看得懂英文试卷。

• 字节码就是个中间码，Java能编译为字节码，同一份字节码能按照指定模版的规则解释为指定的机器码。

字节码的好处：

• 实现了跨平台，一份源代码只需要编译成一份字节码，然后根据不同的模版将字节码解释成当前计算机认识的机器码，这就是Java所说的“编译一次，到处运行”。
• 同一份源码被编译成的字节码大小远远小于机器码。

  

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编译语言&解释语言

编译语言

我们熟知的C/C++语言，是编译语言，即程序员编译之后可以一步到位（编译成机器码），可以被CPU直接解读并执行。

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• 可能有人会问，既然上文中说过字节码有种种好处，为什么不使用字节码呢？\
• 这是因为每种编程语言设计的初衷不同,有些是为了跨平台而设计的，如Java，但有些是针对某个指定机器或某批指定型号的机器设计的。
• 举个🌰，苹果公司开发的OC语言和Swift语言，就是针对自家产品设计的，我才不管你其他人的产品呢。所以OC或Swift语言设计初衷之一就是快，可直接编译为机器码使iPhone或iPad解读并执行。这也是为什么苹果手机的应用比安卓手机应用大的主要原因。

编译-解释语言

• 拿开发Android的语言Java为例，Java是编译-解释语言,即程序员编译之后不可以直接编译为机器码，而是会编译成字节码(在Java程序中为.class文件，在Android程序中为.dex文件)。然后我们需要将字节码再解释成机器码,使之能被CPU解读。
• 这第二次解释，即从字节码解释成机器码的过程，是程序安装或运行后，在Java虚拟机中实现的。

造成Android卡顿的三大因素

虚拟机——解释过程慢

通过上文描述，我们可以知道，iOS之所以不卡是因为他一步到位，省略了中间解释的步骤，直接跟硬件层进行通信。而Android由于没有一步到位，每次执行都需要实时解释成机器码，所以性能较iOS明显低下。

1. Andorid 1.0 Dalvik(DVM)+解释器
   • DVM是Google开发的Android平台虚拟机,可读取.dex的字节码。上文中所说的从字节码解释成机器码的过程在Java虚拟机中，在Android平台中虚拟机指的就是这个DVM。
   • 在Android1.0时期，程序一边运行，DVM中的解释器（翻译机）一边解释字节码。可想而知，这样效率绝对低下。一个字，卡。
2. Android 2.2 DVM+JIT
   • 其实解决DVM的问题思路很清楚，我们在程序某个功能运行前就解释就可以了。
   • 在Android2.2时期，聪明的谷歌引入了JIT(Just In Time)机制，直译就是即时编译。
   • 举个🌰，我经常去一家餐馆吃饭，老板已经知道我想吃什么菜了，在我到之前就把菜准备好了，这样我就省去了等菜的时间。
   • JIT就相当于这个聪明的老板，它会在手机打开APP时，将用户经常使用的功能记下来。当用户打开APP的时候立马将这些内容编译出来，这样当用户打开这些内容时，JIT已经将’菜’准备好了。这样就提高了整体效率。
   • 虽然JIT挺聪明的，且总体思路清晰理想丰满，但现实是仍然卡的要死。
   • 存在的问题：
     • 打开APP的时候会变慢
     • 每次打开APP都要重复劳动，不能一劳永逸。
     • 如果我突然点了一盘之前从来没点过的菜，那我只好等菜了，所以如果用户打开了JIT没有准备好的’菜’，就只能等DVM中的解释器去边执行边解释了。
3. Android 5.0 ART+AOT
   • 聪明的谷歌又想到个方法，既然我们能在打开APP的时候将字节码编译成机器码，那么我们何不在APP安装的时候就把字节码编译成机器码呢？这样每次打开APP也不用重复劳动了，一劳永逸。
   • 这确实是个思路，于是谷歌推出了ART来替代DVM，ART全称Android Runtime，它在DVM的基础上做了一些优化，它在应用被安装的时候就将应用编译成机器码,这个过程称为AOT(Ahead-Of-Time)，即预编译。
   • 但是问题又来了，打开APP是不卡了，但是安装APP慢的要死，可能有人会说，一个APP又不是会频繁安装，可以牺牲下这点时间。但是不好意思，安卓手机每次OTA启动（即系统版本更新或刷机后）都会重新安装所有APP！
4. Android 7.0 混合编译
   • 谷歌最终祭出了终极大招，DVM+JIT不好，ART+AOT又不好。把他们都混合起来！
   • 于是谷歌在Android7.0的时候，发布了混合编译。即安装时先不编译成机器码，在手机不被使用的时候，AOT偷偷的把能编译成机器码的那部分代码编译了（至于什么是能编译的部分，下文字节码的编译模板详述）。其实就是把之前APP安装时候干的活偷偷的在手机空的时候干了。
   • 如果来不及编译的话，再把JIT和解释器这对难兄难弟叫起来，让他们去编译或实时解释。
5. Android 8.0 改进解释器
   • 在Android8.0时期，谷歌又盯上了解释器，其实纵观上面的问题，根源就是这个解释器解释的太慢了！那我们何不让这个解释器解释的快一点呢？于是谷歌改进了解释器，解释模式执行效率大大提升。
6. Android 9.0 改进编译模板
   • 简单而言就是，在Android9.0上提供了预先放置热点代码的方式，应用在安装的时候就能知道常用代码会被提前编译。

JNI——Java和C互相调用慢

JNI又称为 Java Native Interface，翻译过来就是Java原生接口，就是用来跟C/C++代码交互的。

• 如果不做Android开发的可能不知道，Android项目里的代码除了Java,很有可能还有部分C语言的代码。
• 这个时候有个严重的问题，首先上图 (图片参考方舟编译器原理PPT)：

  

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• 在开发阶段Java源代码在开发阶段打包成.dex文件，C语言直接就是.so库，因为C语言本身就是编译语言。
• 在用户手机中，APK中的.dex文件（字节码）会被解释为.oat文件（机器码）运行在ART虚拟机中，.so库则为计算机可以直接运行的二进制代码（机器码），两份机器码要互相调用肯定是有开销的。
• 下面就来阐述下为什么两份机器码会不同。
• 这边需要深入理解字节码->机器码的编译过程，在图上虽然都被编译成了机器码，都能被硬件直接调用，但是两份机器码的性能，效率，实现方式相差甚多，这主要是由以下两个点造成的：
  • 编程语言不同导致编译出的字节码不同导致编译出的机器码不同。
    • 举个🌰，针对同样是静态语言的C和Java，对int a + b 的运算.C语言可以直接加载内存，在寄存器中计算，这是由于C语言是静态语言，a和b是确定的int对象。
    • 在Java中虽然定义对象我们也要明确的指出对象的类型，例如int a = 0,但是Java拥有动态性，Java拥有反射，代理，谁也不敢保证a在被调用时还是int类型，所以Java的编译需要考虑上下文关系，即具体情况具体编译。
    • 所以连字节码已经不同了，编译出的机器码肯定不同。
  • 运行环境不同导致编译出的机器码不同
    • 图中明显看到由Java编译而来的机器码包裹在ART中，ART全称Android RunTime，即安卓运行环境，跟虚拟机差不多是一个意思。而C语言所在的运行环境不在ART中。
    • RunTime提供了基本的输入输出或是内存管理等支持，如果要在两个不同的RunTime中互相调用，则必然有额外开销。
    • 举个🌰，由于Java有GC（垃圾回收机制），在Java中的一个对象地址不是固定的，有可能被GC挪动了。即在ART环境中跑的机器码中的对象的地址不固定。可是C语言哪管那么多幺蛾子，C就直接问Java要一个对象的地址，但万一这个对象地址被挪动了，那就完蛋了。解决方案有两个：（此处参考知乎@张铎在华为公布的方舟编译器到底对安卓软件生态会有多大影响？中的回答）https://www.zhihu.com/question/319688949
      • 把这个对象在C里再拷一份。很明显这造成了很大的开销。
      • 告诉ART，我要用这个对象了，GC这个对象的地址你不能动！你先一边呆着去。这样相对而言开销倒是小了，但如果这个地址如果一直不能被回收的话，可能造成OOM。

字节码的编译模板——未针对具体APP进行优化

我们举个🌰来理解编译模版，“Hello world”可以被翻译为“你好，世界”，同样也可以被翻译为“世界，你好”，这个差别就是编译模版不同导致的，

统一的编译模版（vm模版）

• 字节码可以通过不同的编译模版被编译为机器码，而编译模版的不同将直接导致编译完后的机器码性能大相径庭。

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• 在安卓中，ART有一套规定的，统一的编译模版，暂且称为VM模版，这套模版虽算不上差劲，但也算不上优秀。
• 因为它是谷歌爸爸搞出来的，肯定算不上差劲，但由于没有针对每一个APP进行特定的优化，所以也算不上优秀。

vm模版存在的问题

• 问题就存在于没有针对每一个APP进行优化。
  • 在上文谷歌对于Android2.2的虚拟机优化中已经讲到过，那时候谷歌使用JIT将用户常用的功能记下来(热点代码)，当用户打开APP的时候立马将这些内容编译出来，即优先编译热点代码。
  • 但是到了Android7.0的混合编译时代，由于AOT的存在，这个功能被弱化了，这时JIT记录下的热点代码并非是持久化的。AOT的编译优先级遵循于vm模版，AOT根据模板的内容将一些字节码优先编译为机器码。
  • 那么这个时候就产生了一个问题。先举个🌰，一家中餐馆的招牌菜是番茄炒蛋，那么番茄炒蛋的备菜肯定很足，但是顾客A特立独行，他偏偏不要吃番茄炒蛋，他每次都点一个冷门的牛排套餐，那这时候只能让顾客等着老板将牛排套餐做完。
  • 如果一个APP的热点代码（如首页），刚好游离于VM模板之外，那么AOT就其实形同虚设了。(比如vm模版优先编译名称不大于15个字符的类和方法，但是首页的类名刚好高于15个字符。此处仅为举例并没有实际论证过）
  • 下面用首页和设置页来举例：由于遵循vm模版，AOT因为某个原因没有优先编译首页部分代码，而转而去编译了不太重要的设置页代码：

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• 上图的流程说明了在特殊情况下，AOT编译实则不起作用，完全是靠解释器和JIT在进行实时编译，整个编译方案退步到了Android2.2时期。

聪明的ART

• 虽然这个问题存在，但并不是特别严重。因为ART并没有我说的那么笨。在之后应用使用过程中，ART会记录并学习用户的使用习惯（保存热点代码），然后更新针对当前APP的定制化vm模版，不断的补充热点代码，补充定制化模版。
• 这是不是听起来很熟悉？在手机发布大会上的宣传语“基于用户操作习惯进行学习，APP打开速度不断提高”的部分原理就是这个。

最终大招，一劳永逸

• 其实要一劳永逸的解决这个问题思路也不难：我们只需要在吃饭前跟老板提前预定想吃啥就行，让老板先准备起来，这样等我们到了就不用等餐了。
• 在最新的Android9.0版本中，谷歌推出了这个类似提前预定的功能：编译系统支持在具有蓝图编译规则的原生 Android 模块上使用 Clang 的配置文件引导优化 (PGO)。说人话：谷歌允许你在开发阶段添加一个配置文件，这个配置文件内可指定“热点代码”，当应用安装完后，ART在后台悄悄编译APP时，会优先编译配置文件中指定的“热点代码”。
• 虽然谷歌支持，但是这块技术对于APP开发人员而言国内资料过于缺乏，普及面不广。笔者先贴上官方链接，以及这篇博客，其中介绍的还是挺详细的。（隔壁Xcode针对PGO都有UI界面了）

华为方舟解决思路

1. 针对虚拟机问题，方舟说：我不要你这个烂虚拟机了，我们裸奔
2. 针对JNI调用问题，方舟说：我们让Java在编译阶段跟C一样直接编译成机器码，干掉虚拟机，跟.so库直接调用，毫无JNI开销问题
3. 针对编译模版问题，方舟说：我们支持针对不同APP进行不同的编译优化

• 总结一下：方舟支持在打包编译阶段针对不同APP进行不同的编译优化，然后直接打包成机器码.apk(很可能已经不叫apk了)，然后直接运行。