[发明专利]基于软件Cache的Dalvik虚拟机JIT加速方法

说明书

技术领域

本发明涉及Android系统优化技术领域，特别是涉及一种基于软件Cache的Dalvik虚拟机JIT加速方法。 

背景技术

移动设备的硬件资源非常有限，这对标准Java虚拟机提出了很大的挑战。比如，标准Java虚拟机使用Class格式文件作为其执行文件，但每个Class文件都对应着一个类型的定义信息及一个独立的常量池，且每个Class文件之间会有很多冗余信息，这对内存资源有限的移动设备来说无疑是一个灾难。Android系统使用Dalvik虚拟机，来运行Java应用程序。Android系统中的Dalvik虚拟机针对内存资源有限等问题，提出了一系列优化措施。Java应用程序被转换成紧凑的Dex格式，Dex格式是专为Dalvik虚拟机设计的一种格式，适合内存和处理器速度有限的系统。根据Gabor Paller的研究表明，Dex可执行文件格式确实大大的减少了Java程序的尺寸。同时由于Dalvik虚拟机是基于寄存器架构的，所以执行效率更高，字节码的验证速度更快且容错能力更强。因此Dalvik虚拟机相对于Java虚拟机占用的资源更少、运行效率更高。 

Android系统运行环境包括两部分：核心库和Dalvik虚拟机。Dalvik虚拟机主要是完成对象生命周期的管理，堆栈的管理，线程管理，安全和异常的管理，以及垃圾回收等重要功能。Dalvik虚拟机由类加载器、执行引擎、运行时数据区和本地方法等重要的模块组成。每一个Android应用都运行了一个Dalvik虚拟机实例，而每一个虚拟机实例都有一个独立的进程空间。Dalvik虚拟机利用类加载器，对Dex字节码文件进行装载，利用垃圾回收进行内存和对象的管理，利用解释系统对装载进入的Dex字节码进行逐条的解释执行，利用即时编译系统对字节码进行本地编译。 

即时编译技术（Just-in-time Compilation，简称JIT），是一种运行时的动态编译技术。每启动一个应用程序，都会相应地启动一个Dalvik虚拟机实例，启动时会启动编译线程。应用程序的Java源代码经过编译和Dex工具处理以后形成Dex字节码文件，虚拟机运行时会将相应的Dex字节码装载进内存，然后利用Dalvik解释系统对Dex字节码逐条进行解释。 

首先，分析Davlik虚拟机内部的工作机制。图1所示为Davlik虚拟机内部功能模块结构图。类加载器实现的功能是：把需要执行的字节码加载到内存中，并且把字节码中所依赖的Java库中的字节码文件加载到内存中。运行时数据区：对程序中的数据进行统一的管理。执行引擎：对字节码文件进行执行，包括解释系统与编译器两部分。本地方法库与本地方法接口：支持在Java程序中，调用本地库中的函数。 

其次，执行Java程序的主要过程是：通过Java工具把Java程序编译为*.class文件，然后通过Dalvik虚拟机中的dx工具把*.class文件转换为.dex文件，并与资源文件一起打包生成*.apk文件。在执行*.apk文件时，Dalvik虚拟机通过类加载器，把字节码加载到内存中，通过执行引擎执行字节码。 

执行引擎包括解释系统与即时编译系统两部分，它们之间协同工作，具体的执行过程如图3和图4所示。在执行字节码时，首先进入的是解释系统。在解释系统中，对每一条字节码进行解释执行。解释系统在执行特定字节码时，会对此时的字节码地址值的运行次数进行统计，具体算法是：系统中存在阈值哈希表。通过对字节码地址应用简单快速哈希算法，得到阈值哈希表的索引值，从而取出字节码地址对应的执行次数统计值，进行减一的操作。当一个确定地址的字节码执行次数为零时，以这个字节码地址开始的一段字节码被认为是热点字节码。这时，解释系统会进行一个复杂耗时哈希操作，在本地代码哈希表中，查找当前字节码地址是否已经有对应的本地代码。如果有，则直接执行本地代码。如果没有，解释系统把这段字节码进行打包，并且唤醒编译线程，编译线程得到解释系统打包的数据，进行相应的编译工作，把这段字节码，编译为本地代码，并且添加到本地代码哈希表中。在编译线程编译字节码的同时，解释系统继续进行执行字节码的工作。 

解释系统进行复杂哈希算法查找热点字节码地址对应的本地代码，这一操作比较耗时。由于本地代码哈希表为了解决哈希冲突，采用了开放定址法。由于查找本地代码非常耗时，这样便消耗了一部分由执行本地代码所带来的性能提升。 

发明内容