深入理解Android Runtime

image.png

上图是Android整体的架构,Android Runtime之于Android而言相当于心脏之于人体,是Android程序加载和运行的环境。这篇文章主要针对Android Runtime部分进行展开,探讨Android Runtime的发展以及目前现状,并介绍应用Profile-Guided Optimization(PGO)技术对应用启动速度进行优化的可行性。转载请注明来源「申国骏」

App运行时演进

JVM

Android原生代码使用Java或者Kotlin编写,这些代码会通过javac或者kotlinc编译成.class文件,在Android之前,这些.class文件会被输入到JVM中执行。JVM可以简单分为三个子系统,分别是Class Loader、Runtime Data Area以及Execution Engine。其中Class Loader主要负责加载类、校验字节码、符号引用链接及对静态变量和静态方法分配内存并初始化。Runtime Data负责存储数据,分为方法区、堆区、栈区、程序计数器以及本地方法栈。Execution Engine负责二进制代码的执行以及垃圾回收。

image.png

Execution Engine中,会采用Interpreter或者JIT执行。其中Interpreter表示在运行的过程中对二进制代码进行解释,每次执行相同的二进制代码都进行解释比较浪费资源,因此对于热区的二进制代码会进行JIT即时编译,对二进制代码编译成机器码,这样相同的二进制代码执行时,就不用再次进行解释。

image.png

DVM(Android 2.1/2.2)

JVM是stack-based的运行环境,在移动设备中对性能和存储空间要求较高,因此Android使用了register-based的Dalvik VM。从JVM转换到DVM我们需要将.class文件转换为.dex文件,从.class转换到.dex的过程需要经过 desugar -> proguard -> dex compiler三个过程,这三个过程后来逐步变成 proguard -> D8(Desugar) 直到演变到今天只需要一步R8(D8(Desugar))。

image.png

我们主要关注Android中Runtime Engine与JVM的区别。在Android早期的版本里面,只存在Interpreter解释器,到了Android2.2版本将JIT引入,这个版本Dalvik与JVM的Runtime Engine区别不大。

image.png

ART-AOT(Android 4.4/5.0)

为了加快应用的启动速度和体验,到了Android4.4,Google提供了一个新的运行时环境ART(Android Runtime),到了Android5.0,ART替换Dalvik成为唯一的运行时环境。

image.png

ART运行时环境中,采用了AOT(Ahead-of-time)编译方式,即在应用安装的时候就将.dex提前编译成机器码,经过AOT编译之后.dex文件会生成.oat文件。这样在应用启动执行的时候,因为不需要进行解释编译,大大加快了启动速度。

image.png

然而AOT带来了以下两个问题:

  1. 应用安装时间大幅增加,由于在安装的过程中同时需要编译成机器码,应用安装时间会比较长,特别在系统升级的时候,需要对所有应用进行重新编译,出现了经典的升级等待噩梦。
image.png
  1. 应用占用过多的存储空间,由于所有应用都被编译成.oat机器码,应用所占的存储空间大大增加,使得本来并不充裕的存储空间变得雪上加霜。

进一步思考对应用全量进行编译可能是没有必要的,因为用户可能只会用到一个应用的部分常用功能,并且全量编译之后更大的机器码加载会占用IO资源。

ART-PGO(Android 7.0)

从Android7.0开始,Google重新引入了JIT的编译方式,不再对应用进行全量编译,结合AOT、JIT、Interpreter三者的优势提出了PGO(Profile-guided optimization)的编译方式。

在应用执行的过程中,先使用Interpreter直接解释,当某些二进制代码被调用次数较多时,会生成一个Profile文件记录这些方法存储起来,当二进制代码被频繁调用时,则直接进行JIT即时编译并缓存起来。

当应用处于空闲(屏幕关闭且充电)的状态时,编译守护进程会根据Profile文件进行AOT编译。

当应用重新打开时,进行过JIT和AOT编译的代码可以直接执行。

这样就可以在应用安装速度以及应用打开速度之间取得平衡。

image.png
image.png

JIT 工作流程:

image.png

ART-Cloud Profile(Android 9.0)

不过这里还是有一个问题,就是当用户第一次安装应用的时候并没有进行任何的AOT优化,通常会经过用户多次的使用才能使得启动速度得到优化。

image.png

考虑到一个应用通常会有一些用户经常使用执行的代码(例如启动部分以及用户常用功能)并且大多数时候会有先行版本用于收集Profile数据,因此Google考虑将用户生成的Profile文件上传到Google Play中,并在应用安装时同时带上这个Profile文件,在安装的过程中,会根据这个Profile对应用进行部分的AOT编译。这样当用户安装完第一次打开的时候,就能达到较快的启动速度。

image.png
image.png

Profile in cloude 需要系统应用市场支持,在国内市场使用Google Play的占比非常低,因此cloud profile的优化在国内几乎是没有作用的,不过Profile的机制提供了一个可以做启动优化的思路。早在2019年,支付宝就在秒开技术的回应的里面提到过profile-based compile的技术,参考:如何看待今日头条自媒体发布谣言称「支付宝几乎秒开是因为采用华为方舟编译器」?,这也是我们一直研究Profile技术的原因。困扰着我们的一直有两个问题,第一个问题是如何生成Profile文件,第二个问题是怎么使用生成的Profile文件。对于第一个问题的解决相对还是有思路的,因为app运行就会生成profile文件,因此我们手动运行几次app就能在文件系统中收集到这个文件,不过如何以一种较为自动化的手段收集仍然是个问题。第二个问题我们知道Profile文件最终生成的位置,因此我们可以把生成的文件放到相应的系统目录,不过大多数手机和应用都没有权限直接放置这个文件。因此Profile优化技术一直都没有落地,直到Baseline Proflie让我们看到了希望。

Baseline Profile

Baseline Profile是一套生成和使用Profile文件的工具,在2022年一月份开始进入视野,随后在Google I/O 2022随着Jetpack新变化得到广泛关注。其背景是Google Map加快了发版速度,Cloud Profle还没完全收集好就上新版,导致Cloud Proflie失效。还有一个背景是Jetpack Compose 不是系统代码,因此没有完全编译成机器码,而且Jetpack Compose库比较大,因此在Profile生成之前使用了Jetpack Compose的应用启动会产生性能问题。最后Google为了解决这些问题,创造了收集Profile的BaselineProfileRule Macrobenchmark以及使用Profile的ProfileInstaller。

使用Baseline Profile的机制可以在Android7及以上的手机上得到应用的启动加速,因为从上述知道Android7就已经开始有PGO(Profile-guided optimization)的编译方式。生成的Profile文件会打包到apk里面,并且会结合Google Play的Cloud Profile来引导AOT编译。虽然在国内基本上用不了Cloud Profile,不过Baseline Profile是可以独立于Google Play单独使用的。

image.png

在使用了Baseline Proflie之后,有道词典的启动速度从线上统计上看,冷启动时间有15%的提升。

这篇文章主要介绍了Android Runtime的演进以及对于应用启动的影响,下一篇文章我会详细介绍关于Profile&dex文件优化、Baseline Profile工具库原理,以及在实际操作上如何使用的问题,敬请大家期待一下!

参考

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 164,899评论 4 384
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 69,693评论 2 310
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 114,321评论 0 264
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 45,210评论 0 230
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 53,760评论 3 305
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 41,347评论 1 231
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 32,427评论 2 326
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 31,227评论 0 221
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 34,966评论 1 255
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 31,060评论 2 256
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 32,565评论 1 272
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 28,854评论 3 268
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 33,630评论 3 254
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 26,288评论 0 9
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 27,156评论 0 211
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 36,528评论 2 292
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 36,295评论 2 291

推荐阅读更多精彩内容