说说方舟编译器

Posted 2021-04-26 秉心说

华为继去年推出黑科技 GPU Turbo 之后，今年再次扔出了一枚重磅炸弹， 安卓性能革命，华为方舟编译器，号称解决安卓程序 “边解释边执行” 的低效，全程执行机器码高效运行程序。架构级优化，显著提升性能。系统操作流畅度提升 24%，系统响应提升 44%，三方应用操作流畅度提升 60%，并承诺向业界开源。敢于开源的话，这个数据应该没有水分。大家在网上应该也看到了 P30 Pro 吊打 S10 的视频。

解决安卓程序 “边解释边执行” 的低效，什么是边解释边执行？也就是说，android 是如何执行 Apk 中的代码的？这得从机器码说起。

机器码

不论是低级语言，如汇编，还是如今广泛使用的各种高级语言，Java，C++ 等，对于 CPU 来说，全部都是天书。它能认识的只有二进制的机器码。当然，机器码对你来说，也是天书。那你应该如何指挥 CPU 运行你的程序呢？这个时候，你们之间就需要一个翻译，将你的代码翻译成机器码给 CPU，它就知道该如何执行了。面对不同的终端，翻译内容也不一样，你一个只知道 x86 指令集的去翻译 arm 的，肯定翻译不出来，就好似拿着本英语字典去翻译日语。翻译也有工具，下面说说几种常见的翻译工具：

汇编器

将汇编代码直接翻译成机器码。由于汇编代码一般和机器码都是一一对应的，所以它的速度非常快。只是汇编语言，你懂的，可读性差，
用起来难，用来写大型程序对于普通开发者基本是不现实的。

编译器

编译器将我们平常开发用的高级语言，例如 Java/C++ 等，翻译成机器码供 CPU 使用。这种编译很慢，但是执行起来会很快。

解释器

程序不需要编译，程序在运行时才翻译成机器语言，每执行一次都要翻译一次。因此效率比较低。可以想象这种运行方式就慢了很多。
典型的解释型语言，php/js/python 等。

JAVA 代码是如何执行的 ？

Java 程序的执行依赖于 Java 虚拟机（JVM），JVM 能直接识别的叫做字节码。Java 代码经过编译会生成 Class 文件，即字节码文件，再交由 JVM 处理。而 JVM 又是怎么执行 Class 文件的呢？这里以
HotSpot 为例，Class 文件被虚拟机加载后会存放在方法区，实际运行时，虚拟机会执行方法区中的代码。

将字节码翻译成机器码的工作自然就由 JVM 来承担了。在 HotSpot 中，有几种翻译形式。

• 解释执行

逐条将字节码翻译成机器码并执行

• 即时编译（Just-in-time ，JIT）

将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行。

前者的优势在于无需等待编译，而后者的优势在于实际运行速度更快。HotSpot 默认采用混合模式，综合了解释执行和即时编译两
者的优点。它会先解释执行字节码，而后将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译。

Android 代码是如何执行的 ？

开发 Android 目前用的最多的还是 Java，即使不是 Java，也是 JVM 语言。Android 工程中的 java 源文件经过编译也是生成
Class 文件，最后被打包成 DEX 字节码文件，负责将 DEX 字节码翻译成机器码的是 Dalvik 或者 Art。

在 Android 5.0 之前，还是 Dalvik 的天下。Dalvik 是解释执行加上 JIT，每次app运行的时候，它动态的将一部分 Dalvik 字节码 
解释为机器码。随着 App 的运行，更多的字节码被编译和缓存。因为 JIT 只编译了一部分代码，它具有更小的内存占用和更少的设备物理空间占用。但是，边解释边执行，效率低下，这也是后来 Dalvik 遭到抛弃的原因。

从 Android 4.4 开始，Android 引入了 Art，到 Android 5.0，Art 正式代替了 Dalvik。Art 使用的是 AOT（Ahead of Time）的编译方式，即在应用的安装过程中，就将所有的 Dex 字节码翻译成机器码存储在设备空间中，完全抛弃了 JIT，带来的好处是显而易见的。

• Apps 运行的更快，因为 DEX 字节码的解释在安装过程中已经完成，直接运行机器码

• 减少了应用的启动时间，因为本地代码可以直接执行。

• 节省电量消耗，不需要再去一行一行的解释字节码。

• 增强了垃圾回收。

• 增强了开发者工具。

  直接运行机器码，恩，等等，这不就是方舟编译器做的事情吗？答案肯定是否定的，否则它因为完全没有存在的必要了。事实上，这种完全基于 AOT 的模式也已经被 Android 抛弃了。如果你用过 5.0 或者 6.0 的安卓机，你一定不会忘记安装应用带来的漫长等待。由于需要在安装期间翻译字节码，所以安装过程会很长，尤其对
  一些大型应用来说。另外，安装过程中翻译出来的机器码也占用了更大的机身存储空间。

Android 7.0，Android 又加入了 JIT，一个具备代码分析功能的即时 (JIT) 编译器。事实上，根据二八定律，经常运行的热点代码可能只占 20%，甚至更少，我们没有必要通过 AOT 提前将所有字节码都翻译成机器码。安装过程中放弃 AOT，加快安装速度，所以初次使用时得解释执行。当你在使用应用时，JIT 就开始分析代码了，在合适的时候将字节码翻译成机器码，在 Android 应用运行时持续提高其性能。另外，设备空闲的时候，AOT 就发挥作用了，它会将热点代码翻译成机器码并保存下来，进一步提高运行效率。这么看下来，现在的 Android 是 解释执行 、JIT、AOT 同时存在的。下面这张官网的图片很好的说明了Art 下的 JIT 架构.

关于解释器，高版本中的 Android 实现也不再那么孱弱了，根据官网相关介绍：

通过引入 Mterp（一种解释器，具有以汇编语言编写的核心提取/解码/解释机制），Android 7.0 版本中的解释器性能得以显著提升。Mterp 模仿了快速 Dalvik 解释器，并支持 arm、arm64、x86、x86_64、mips 和 mips64。对于计算代码而言，ART 的 Mterp 大致相当于 Dalvik 的快速解释器。
不过，有时候，它的速度可能会显著变慢，甚至急剧变慢：

• 调用性能。

• 字符串操作和 Dalvik 中其他被视为内嵌函数的高频用户方法。

• 堆栈内存使用量较高。

Android 8.0 解决了这些问题。

说了这么多，无非是安装速度，空间占用，运行速度的平衡，目前 Android 应该已经做得很好了,但仍然存在不少诟病。

现在可以确定的是，方舟编译器绝对不可能是 完全 AOT。PPT 中最后一句话是 “希望 APP 厂商尽快使用” ，并不是手机厂商，所以不排除方舟编译器可以直接将 Apk ，或者说 Apk 中的 DEX 打包成机器码格式。但由于机器码并不是平台兼容的，所以并不能确定方舟编译器是否必须要绑定 EMUI。其实说到底，这一切都应该是为了华为的新手机系统作铺垫。华为的野心之大，以及其极其超前的技术储备，相信一个完整华为生态已经离我们不远了。

编译器叫方舟，新系统干脆就叫 诺亚 吧！