Java runtime apps android

Android изнутри: сравнение Dalvik и ART

Привет, Хабр! Около полугода назад я публиковал подробный «гайд» по JVM. Пост, в целом, зашел, а в комментариях спросили, не планируется ли “чего-то по андроиду”. Наконец, у меня дошли руки.

В этом посте поговорим о среде выполнения в Android. В частности, я постараюсь кратко, но емко изложить, чем отличается ART и Dalvik, и как со временем улучшились средства разработки в Android. Тема явно не новая, но, надеюсь, придется кстати тем, кто только начинает вникать. Кому интересно — добро пожаловать под кат.

Виртуальная машина

Сначала, давайте разберемся чем отличается JVM от DVM.

Java Virtual Machine — виртуальная машина, способная выполнять байт-код Java независимо от базовой платформы. Она опирается на принцип “Write once, run anywhere”. Байт-код Java может быть запущен на любой машине, способной поддерживать JVM.

Компилятор Java преобразует .java файлы в class-файлы (байт-код). Байт-код передается JVM, который компилирует его в машинный код для исполнения непосредственно на CPU.

• Имеет стековую архитектуру: в качестве структуры данных, куда помещаются и хранятся методы, используется стек. Он работает по схеме LIFO или “Last in — First Out” или “Последним вошел, первым вышел”.
• Может запускать только class-файлы.
• Использует JIT-компилятор.

Dalvik Virtual Machine (DVM) — виртуальная Java машина, разработанная и написанная Дэном Борнштейном (англ. Dan Bornstein) и другими, как часть мобильной платформы Android.

Можно сказать, что Dalvik — это среда для выполнения компонентов операционной системы Android и пользовательских приложений. Каждый процесс выполняется в своём, изолированном адресном пространстве. Когда пользователь запускает приложение (либо операционная система запускает один из своих компонентов), ядро виртуальной машины Dalvik (Zygote Dalvik VM) создает отдельный, защищенный процесс в общей памяти, в котором непосредственно разворачивается VM, как среда для запуска приложения. Другими словами, изнутри Android выглядит как набор виртуальных машин Dalvik, в каждой из которых исполняется приложение.

• Использует архитектуру на основе регистров: структура данных, куда помещаются методы, основана на регистрах процессора. За счет отсутствия операций POP и PUSH, команды в регистровой виртуальной машине выполняются быстрее аналогичных команд стековой виртуальной машины.
• Исполняет байт-код собственного формата: Android dexer (о нем поговорим ниже) преобразует class-файлы в формат .dex, оптимизированные для выполнения на Dalvik VM. В отличие от class-файла, dex-файл содержит сразу несколько классов.

Подробно об архитектуре DVM можно почитать тут.

Android Dexer

Разработчики Android знают, что процесс преобразования Java байткода в .dex байткод для Android Runtime является ключевым шагом в создании APK. Компилятор dex в основном работает “под капотом” в повседневной разработке приложений, но он напрямую влияет на время сборки приложения, на размер файла .dex и производительность во время выполнения.

Как уже упоминалось, сам dex-файл содержит сразу несколько классов. Повторяющиеся строки и другие константы, используемые в нескольких файлах классов, включаются только для экономии места. Байт-код Java также преобразуется в альтернативный набор команд, используемый DVM. Несжатый dex-файл обычно на несколько процентов меньше по размеру, чем сжатый архив Java (JAR), полученный из тех же файлов .class.

Изначально, class-файлы преобразовывались в dex-файлы с помощью встроенного DX-компилятора. Но начиная с Android Studio 3.1 и далее, компилятором по умолчанию стал D8. По сравнению с DX-компилятором, D8 компилирует быстрее и выводит dex-файлы меньшие по размеру, при этом обеспечивая более высокую производительность приложения во время исполнения. Полученный таким образом байт-код dex подвергается минификации с помощью open-source утилиты ProGuard. В итоге, мы получаем тот же dex-файл, но только меньше. Далее этот dex-файл используется для сборки apk и, наконец, для развертывания на устройстве Android.

Но следом за D8 в 2018 году пришел R8, который, по сути, является тем же D8, только с дополнениями.

При работе с Android Studio 3.4 и Android Gradle 3.4.0 plugin или выше, Proguard больше не используется для оптимизации кода во время компиляции. Вместо этого плагин работает по умолчанию с R8, который сам выполняет Code shrinking, Optimisation и Obfuscation. Хотя R8 предлагает только подмножество функций, предоставляемых Proguard, он позволяет совершить процесс преобразования Java байт-кода в dex-байт-код единоразово, что еще больше сокращает время сборки.

R8 и сокращение кода

Как правило, приложения используют сторонние библиотеки, такие как Jetpack, Gson, Google Play Services. Когда мы используем одну из этих библиотек, часто в приложении используется только малая часть каждой отдельной библиотеки. Без Code shrinking, весь код библиотеки сохраняется в вашем приложении.

Бывает так, что для улучшения читаемости и удобства поддержки приложения разработчики используют подробный код. Например, могут быть использованы значимые имена переменных и шаблон проектирования для того, чтобы другим было удобнее разобраться в коде. Но шаблоны, как правило, приводят к бОльшему объему кода, чем это необходимо.

В этом случае R8 приходит на помощь. Он позволяет существенно уменьшить размер приложения, оптимизируя размер даже того кода, который действительно используется приложением.

В качестве примера, ниже преведены цифры из доклада Shrinking Your App with R8, который был представлен на Android Dev Summit ’19:

А вот так выглядело сравнение эффективности R8 на этапе выпуска бета-версии (взято из источника Android Developers Blog):

Детальнее можно ознакомиться в оф документации и докладе.

ART vs DVM в Android

DVM была спроектирована именно для мобильных устройств и использовалась как виртуальная
машина для запуска андроид приложений вплоть до Android 4.4 Kitkat.

Начиная с этой версии, ART был представлен как среда выполнения, а в Android 5.0 (Lollipop) ART полностью заменил Dalvik.

Основное явное отличие ART от DVM состоит в том, что ART использует AOT компиляцию, а DVM — JIT компиляцию. Не так давно ART начал использовать гибрид AOT и JIT. Далее разберем это чуть подробнее.

• Использует JIT компиляцию: всякий раз при запуске приложения,
• компилируется та часть кода, которая необходима для выполнения приложения. Остальная часть кода компилируется динамически. Это замедляет запуск и работу приложений, но уменьшает время установки.
• Ускоряет загрузку устройства, поскольку кеш приложения создается во время выполнения.
• Приложения, работающие на DVM, требуют меньше памяти, чем те, которые работают на ART.
• Уменьшает резерв батареи, увеличивая нагрузку на CPU.
• Dalvik является “устаревшим” и не используется на андроид версиях выше 4.4.

• Использует AOT компиляцию, то есть компилирует весь код во время установки приложения. Это ускоряет запуск и работу приложений, но требует большего времени установки.
• Замедляет загрузку устройства, так как кеш создается во время первой загрузки.
• Ввиду использования подхода AOT компиляции, требует больше памяти в сравнении с приложениями на DVM.
• Увеличивает резерв батареи, сокращая работу процессора из-за отсутствия компиляции при выполнении приложений.
• Улучшенная Garbage Collection или сборка мусора. Во времена использования Dalvik, сборщики мусора должны были осуществить 2 прохода по куче (heap), что и приводило к плохому UX. В случае с ART, такой ситуации нет: он чистит кучу один раз для консолидации памяти.

И небольшая схема Dalvik vs ART:

JIT + AOT в ART

Среда выполнения Android (ART), начиная с Android 7, включает компилятор JIT с профилированием кода. JIT-компилятор дополняет AOT компилятор и повышает производительность во время выполнения, экономит место на диске и ускоряет обновления приложений и системы.

Происходит это по следующей схеме:

Вместо того, чтобы запускать AOT-компиляцию каждого приложения на этапе установки, он запускает приложение под управлением виртуальной машины, используя JIT-компилятор (почти так же, как в Android

Источник

Closer Look At Android Runtime: DVM vs ART

Apr 5, 2017 · 5 min read

Before directly move to Android Runtime, we need to understand what runtime environment is and also understand some basic stuff i.e. the functioning of JVM and Dalvik VM.

What is runtime?

In a simplest term it is a system used by operating system which takes care of converting the code that you write in a high level language like Java to machine code and understand by CPU/Processor.

Runtime comprises of software instructions that execute when your program is running, even if they’re not essentially are a part of the code of that piece of software in particular.

CPUs o r more general term our computers understand only machine language (binary codes) so to make it run on CPU, the code must be converted to machine code, which is done by translator.

So following are the generation of translator in a sequence-

1. Assemblers :

It directly translate assembly codes to machine codes so it was very fast.

2. Compilers :

It translates the code into assembly codes and then use assemblers to translate the code into binary. Using this compilation was slow but execution was fast. But the biggest problem with compiler is that the resulted machine code was platform dependent. In other words the code which runs on one machine may not run on different machine.

3. Interpreters :

It translates the code while executing it. Since the translation happens at runtime, the execution was slow.

How JAVA code execution works?

To maintain the platform independency of the code, JAVA developed JVM i.e. Java Virtual Machine. It developed JVM specific to every platform means JVM is dependency on the platform. The Java compiler converts the .java files into .class files, which is called byte code. This byte code is given to the JVM which converts it into machine code.

This is faster than interpretation but slower than C++ compilation.

How Android code execution works?

In Android Java classes converted into DEX bytecode. The DEX bytecode format is translated to native machine code via either ART or the Dalvik runtimes. Here DEX bytecode is independent of device architecture.

Dalvik is a JIT (Just in time) compilation based engine. There were drawbacks to use Dalvik hence from Android 4.4 (kitkat) ART was introduced as a runtime and from Android 5.0 (Lollipop) it has completely replaced Dalvik. Android 7.0 adds a just-in-time (JIT) compiler with code profiling to Android runtime (ART) that constantly improves the performance of Android apps as they run.

Key Point: Dalvik used JIT (Just in time) compilation whereas ART uses AOT (Ahead of time) compilation.

Below are the code snippet explaining the difference between Dalvik Virtual Machine and Java Virtual Machine.

Just In Time (JIT)

With the Dalvik JIT compiler, each time when the app is run, it dynamically translates a part of the Dalvik bytecode into machine code. As the execution progresses, more bytecode is compiled and cached. Since JIT compiles only a part of the code, it has a smaller memory footprint and uses less physical space on the device.

Ahead Of Time (AOT)

ART is equipped with an Ahead-of-Time compiler. During the app’s installation phase, it statically translates the DEX bytecode into machine code and stores in the device’s storage. This is a one-time event which happens when the app is installed on the device. With no need for JIT compilation, the code executes much faster.

As ART runs app machine code directly (native execution), it doesn’t hit the CPU as hard as just-in-time code compiling on Dalvik. Because of less CPU usage results in less battery drain.

ART also uses same DEX bytecode as input for Dalvik. An application compiled using ART requires additional time for compilation when an application is installed and take up slightly larger amounts of space to store the compiled code.

Why Android use Virtual Machine?

Android makes use of a virtual machine as its runtime environment in order to run the APK files that constitute an Android application. Below are the advantages:

· The application code is isolated from the core OS. So even if any code contains some malicious code won’t directly affect the system files. It makes the Android OS more stable and reliable.

· It provides cross compatibility or platform independency. It meaning even if an app is compiled on platform such as a PC, it can still be executed on the mobile platform using the virtual machine.

Benefits of ART

· Apps run faster as DEX bytecode translation done during installation.

· Reduces startup time of applications as native code is directly executed.

· Improves battery performance as power utilized to interpreted byte codes line by line is saved.

· Improved garbage collector.

· Improved developer tool.

Drawbacks of ART

· App Installation takes more time because of DEX bytecodes conversion into machine code during installation.

· As the native machine code generated on installation is stored in internal storage, more internal storage is required.

Conclusion

ART is written to run multiple virtual machines on low-memory devices by executing DEX files, a bytecode format designed specially for Android that’s optimized for minimal memory footprint. It makes the UI feel more responsive. That’s all from my side. For more details on ART and Dalvik you can go through official Android document.

Thanks for reading. To help others please click ❤ to recommend this article if you found it helpful.

Check out my blogger page for more interesting topics on Software development.

Источник