华为方舟编译器，了解一下

Posted 2021-04-26 FinTech技术创新

2019年4月P30系列发布会上，华为首次发布了方舟编译器技术，宣称其抛弃了安卓编译器边解释边执行的模式，采用静态编译，可以做到全程执行机器码，进而高效运行程序，大大缩短程序响应时间。华为官方表示方舟编译器能够将系统操作流畅度提升24%、系统响应力提升44%、第三方应用操作流畅度提升60%。

自方舟编译器官方信息发布后，我行移动互联Firefly团队第一时间关注并持续跟踪，现对方舟编译器的信息做如下汇总供大家参考学习。

1. 方舟编译器的来龙去脉

方舟编译器的发布不是一日之功，发展脉络如下图所示，正所谓“十年磨一剑”。

对比华为终端尤其是华为手机发展历程中的两个关键时间点：

• 华为终端于2011年决定放弃运营商路线，转而走小米、三星等自有品牌路线。

• 华为手机真正站稳脚跟是在2014年Mate 7发布之后。

我们可以看出：

• 至少在2014年前，方舟编译器都不是像现在宣传的这样，是专门针对华为手机的某个黑科技，它应该是华为在编译器领域近10年技术和人才积累的结果，值得一提的是，方舟编译器发展历程中有一个重要人物——Fred Chow（周志德，LinkedIn个人信息https://www.linkedin.com/in/fredchow/）。作为编译技术领域的顶级专家，他在SGI公司开发了Pro64编译器，后来演化为著名的Open64编译器。

• 目前看来，方舟编译器将在华为手机上发挥出最直观和有力的价值，方舟编译器不仅仅是一个类似GCC、LLVM这样的通用编译器，它还包含了运行时（运行时就是VM，例如Java虚拟机、JS引擎等）用以支持Java、JS等语言编译后的执行任务。如下图所示，方舟编译器近期运行时实际上对android系统上原来的Java虚拟机ART进行了替换。

从华为终端规划看，方舟编译器未来可支持更多语言的编译，如C++、JS、Dart，甚至华为自有的编程语言，将成为华为鸿蒙OS的重要基石。

2. 方舟编译器的两大核心技术点

编译器最核心的功能是将源代码翻译成机器码。这也是目前GCC、LLVM等通用编译器的核心功能。一般来说，GCC、LLVM等通用编译器并不能直接用于诸如Java、JS等解释执行语言的JIT或AOT编译。以Java语言为例，其机器码并非通常意义上的machine code，而是managed machine code。"managed"表示这个机器码和具体虚拟机实现息息相关，受具体虚拟机实现的管控，或者说managed机器码在执行过程中会调用JVM提供的某些功能。例如，Java new指令分配内存时，必须进入JVM并由JVM里的对应功能模块来完成真正的内存分配，而非直接调用OS的malloc。此类功能并非是由Java语言规范、JVM规范来定义，而是由不同JVM的实现机制来处理。

基于上述认识，当方舟编译器被引入华为手机系统后，对比GCC、LLVM等通用编译器，我们认为它包含更具优势的两个核心技术点：

第一个核心技术点是归属编译器技术领域里的中间表达式 （Intermediate Representation，简写为IR） 。华为自创了MAPLE （Multiple Architecture Programing Language & Environment）  IR，其愿景是构建多语言、跨平台、高效的编程环境。基于MAPLE IR的方舟编译器采用了主流的编译器架构设计，即前端源码到中间表达式，再到后端机器码的三段式设计思路。MAPLE IR的指导思想来自Fred Chow在2013年ACM Queue上发的一篇文章《The Challenge of Cross-language Interoperability》 （https://queue.acm.org/detail.cfm?id=2544374） 。这篇文章并未提及具体技术，更多是对编译器设计领域中IR的回顾和展望。其中提出的“Standardizing IRs”的几条原则被当做MAPLE IR的理论基石。

第二个核心技术点是它包含一个运行时。这个技术点往往被大家忽略。运行时，也叫Runtime。在Android系统中，JVM的名称叫ART（Android Runtime）。运行时的目的是为了实现诸如Java这种解释执行语言相关的特性，例如GC、反射、线程模型，调试等。但在公开宣传中，华为有意或无意忽略了运行时的存在，仅以“干掉JVM”或“轻量级运行时”的说法替代。但技术上，我们认为目前的编译技术还无法“干掉运行时”。当然，华为对方舟编译器运行时也做很多优化，例如额外使用了引用计数作为一种GC的手段。而Android JVM中，GC并未使用引用计数，原因是会增加JVM的开发难度。

终端厂商、CPU芯片厂商等一直在尝试对Android JVM进行各种各样的优化。对华为来讲，其面临终端设备厂商巨大竞争压力，需要对其自家终端不断进行优化，得益于早期基站领域编译技术的积累，方舟编译器的推出顺理成章。方舟编译器已不单纯定位为通用编译器结合方舟的运行时，将来可以很方便得支持JS、Dart、甚至华为自己的编程语言，这是一种更为有希望的发展模式。

3. 方舟编译器的发展规划

方舟编译器发展规划的一个重要目标就是支持更多语言的编译，包括C++、JS等。这里仍然需要再次强调，Java、JS、Dart这些可解释执行的语言必须依赖运行时。因此，判断方舟编译器里的运行时将是一个重要性和难度都超越MAPLE IR的部分。

方舟编译器另外一个目标是构建生态，包括吸引各高校、大学，战略合作伙伴等一起参与方舟编译器及周边功能的开发。我们认为这个生态不仅仅局限在方舟编译器，更多是为后续鸿蒙OS、华为自有开发语言的推出而做的铺垫。

4. 方舟编译器对我行移动应用的影响

方舟编译器目前已适配了51个APP。通过和适配了方舟编译器的APP开发者以及华为内部人士的沟通后，我们得出如下结论：

□ 现阶段由于保密原因，APP适配方舟编译器是一个黑盒过程：APP开发者将APP发给华为，然后华为返回适配好的应用，了解具体适配过程和技术的开发者几乎没有，适配后的APP如果出现任何问题，需要开发者根据华为的建议进行修改（比如放弃使用热修复、插件化等技术）。

□ 针对以H5为主要展示方式的移动类应用（银行类应用为典型代表），方舟编译器无法充分发挥优势，因此现阶段方舟编译器的重心不在此类移动应用上。

□ 使用了安全加固的APP，方舟编译器目前支持不够完善，未来可以通过与安全厂商合作来改进该问题。

□ 方舟编译器对热修复等特性支持还不完善，需进一步开发。

总体来看，对我行移动应用尤其是手机银行来说，方舟编译器还不够成熟，包括：

□ 开源过于仓促：虽然8月31号开源网站正式上线，但真正开开放内容较少，示例代码无法编译通过。其内部人士也坦承“开发时并未以开源方式来做规划。现在突然要开源，很多内容来不及调整和修改（包括代码质量，使用第三方开源库的问题）”。过分的营销宣传导致外界期望过大，这会对方舟试图构建的生态造成负面影响。

□ 技术上并无明显优势：编译器已发展几十年，出现重大变革性创新的可能性不大。国内缺乏IT基础技术领域的研究环境，相关人才更是紧缺。对标谷歌，微软等IT巨头，方舟编译器目前没有明显技术优势。

□ 理想远大，但路程艰险：方舟编译器未来计划支持C++，js，dart。但js和dart在语言特性等方面差异巨大，需要额外开发对应的运行时，工作量巨大。且这几门语言还在不断发展，未来需要投入大量的人力物力。

但未来态的“方舟编译器的运行时”对我行移动应用发展的参考价值巨大，运行时就是VM，例如Java虚拟机、JS引擎等。在这一领域，我们可以参与方舟开源社区，通过与华为合作积累相关技术，这将有利于我们深入优化Java程序、JS应用，尤其是民生小程序等。

另外，在国产化的大趋势下，未来鸿蒙OS有很大机会可以发展起来，我行若能把握先机，可以提出和建立符合国产化趋势的技术标准和规范，因此，总体看来，方舟编译器，值得关注！

Thanks!

作者简介：

邓凡平，《深入理解Android Java虚拟机ART》一书的作者 ，现在科技部移动互联Firefly团队效力。