Android6.0中ART替換DVM的過程分析
Zygote程序中的Dalvik虛擬機器是從AndroidRuntime::start這個函式開始建立的,所以從該函式開始:
999 /*
1000 * Start the Android runtime. This involves starting the virtual machine
1001 * and calling the "static void main(String[] args)" method in the class
1002 * named by "className".
1003 *
1004 * Passes the main function two arguments, the class name and the specified
1005 * options string.
1006 */
1007 void AndroidRuntime::start(const char* className, const Vector<String8>& options, bool zygote)
1008 {
...
1039 /* start the virtual machine */
1040 JniInvocation jni_invocation;
1041 jni_invocation.Init(NULL);
1042 JNIEnv* env;
1043 if (startVm(&mJavaVM, &env, zygote) != 0 ) {
1044 return;
1045 }
1046 onVmCreated(env);
...
1079 /*
1080 * Start VM. This thread becomes the main thread of the VM, and will
1081 * not return until the VM exits.
1082 */
1083 char* slashClassName = toSlashClassName(className);
1084 jclass startClass = env->FindClass(slashClassName);
1085 if (startClass == NULL) {
1086 ALOGE("JavaVM unable to locate class '%s'\n", slashClassName);
1087 /* keep going */
1088 } else {
1089 jmethodID startMeth = env->GetStaticMethodID(startClass, "main",
1090 "([Ljava/lang/String;)V");
1091 if (startMeth == NULL) {
1092 ALOGE("JavaVM unable to find main() in '%s'\n", className);
1093 /* keep going */
1094 } else {
1095 env->CallStaticVoidMethod(startClass, startMeth, strArray);
1096
1097 #if 0
1098 if (env->ExceptionCheck())
1099 threadExitUncaughtException(env);
1100 #endif
1101 }
1102 }
...
}
這個函式定義在檔案frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp中。
AndroidRuntime類的成員函式start最主要是做了以下三件事情:
1. 建立一個JniInvocation例項,並且呼叫它的成員函式init來初始化JNI環境;
2. 呼叫AndroidRuntime類的成員函式startVm來建立一個虛擬機器及其對應的JNI介面,即建立一個JavaVM介面和一個JNIEnv介面;
3. 有了上述的JavaVM介面和JNIEnv介面之後,就可以在Zygote程序中載入指定的class了。
其中,第1件事情和第2件事情又是最關鍵的。因此,接下來我們繼續分析它們所對應的函式的實現。
JniInvocation類的成員函式init的實現如下所示:
56 static const char* kLibraryFallback = "libart.so";
97 bool JniInvocation::Init(const char* library) {
98 #ifdef HAVE_ANDROID_OS
99 char buffer[PROPERTY_VALUE_MAX];
100 #else
101 char* buffer = NULL;
102 #endif
103 library = GetLibrary(library, buffer);
104
105 handle_ = dlopen(library, RTLD_NOW);
106 if (handle_ == NULL) {
107 if (strcmp(library, kLibraryFallback) == 0) {
108 // Nothing else to try.
109 ALOGE("Failed to dlopen %s: %s", library, dlerror());
110 return false;
111 }
112 // Note that this is enough to get something like the zygote
113 // running, we can't property_set here to fix this for the future
114 // because we are root and not the system user. See
115 // RuntimeInit.commonInit for where we fix up the property to
116 // avoid future fallbacks. http://b/11463182
117 ALOGW("Falling back from %s to %s after dlopen error: %s",
118 library, kLibraryFallback, dlerror());
119 library = kLibraryFallback;
120 handle_ = dlopen(library, RTLD_NOW);
121 if (handle_ == NULL) {
122 ALOGE("Failed to dlopen %s: %s", library, dlerror());
123 return false;
124 }
125 }
126 if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs_),
127 "JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs")) {
128 return false;
129 }
130 if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_CreateJavaVM_),
131 "JNI_CreateJavaVM")) {
132 return false;
133 }
134 if (!FindSymbol(reinterpret_cast<void**>(&JNI_GetCreatedJavaVMs_),
135 "JNI_GetCreatedJavaVMs")) {
136 return false;
137 }
138 return true;
139 }
這個函式定義在檔案libnativehelper/JniInvocation.cpp中。
JniInvocation類的成員函式init所做的事情很簡單。它首先是讀取系統屬性persist.sys.dalvik.vm.lib的值。前面提到,系統屬性persist.sys.dalvik.vm.lib的值要麼等於libdvm.so,要麼等於libart.so。因此,接下來通過函式dlopen載入到程序來的要麼是libdvm.so,要麼是libart.so。無論載入的是哪一個so,都要求它匯出JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs、JNI_CreateJavaVM和JNI_GetCreatedJavaVMs這三個介面,並且分別儲存在JniInvocation類的三個成員變數JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs_、JNI_CreateJavaVM_和JNI_GetCreatedJavaVMs_中。這三個介面也就是前面我們提到的用來抽象Java虛擬機器的三個介面。
三個介面的作用:
1. JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs – 獲取虛擬機器的預設初始化引數
2. JNI_CreateJavaVM – 在程序中建立虛擬機器例項
3. JNI_GetCreatedJavaVMs – 獲取程序中建立的虛擬機器例項
從這裡就可以看出,JniInvocation類的成員函式init實際上就是根據系統屬性persist.sys.dalvik.vm.lib來初始化Dalvik虛擬機器或者ART虛擬機器環境。
在103 library = GetLibrary(library, buffer);中,該方法被用來指明哪一個庫被從給定的名字中載入進來。
接下來我們繼續看AndroidRuntime類的成員函式startVm的實現:
553 /*
554 * Start the Dalvik Virtual Machine.
555 *
556 * Various arguments, most determined by system properties, are passed in.
557 * The "mOptions" vector is updated.
558 *
559 * CAUTION: when adding options in here, be careful not to put the
560 * char buffer inside a nested scope. Adding the buffer to the
561 * options using mOptions.add() does not copy the buffer, so if the
562 * buffer goes out of scope the option may be overwritten. It's best
563 * to put the buffer at the top of the function so that it is more
564 * unlikely that someone will surround it in a scope at a later time
565 * and thus introduce a bug.
566 *
567 * Returns 0 on success.
568 */
569 int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote)
570 {
...
959 /*
960 * Initialize the VM.
961 *
962 * The JavaVM* is essentially per-process, and the JNIEnv* is per-thread.
963 * If this call succeeds, the VM is ready, and we can start issuing
964 * JNI calls.
965 */
966 if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {
967 ALOGE("JNI_CreateJavaVM failed\n");
968 return -1;
969 }
970
971 return 0;
972 }
這個函式定義在檔案frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp中。
AndroidRuntime類的成員函式startVm最主要就是呼叫函式JNI_CreateJavaVM來建立一個JavaVM介面及其對應的JNIEnv介面:
174 extern "C" jint JNI_CreateJavaVM(JavaVM** p_vm, JNIEnv** p_env, void* vm_args) {
175 return JniInvocation::GetJniInvocation().JNI_CreateJavaVM(p_vm, p_env, vm_args);
176 }
這個函式定義在檔案libnativehelper/JniInvocation.cpp中。
JniInvocation類的靜態成員函式GetJniInvocation返回的便是前面所建立的JniInvocation例項。有了這個JniInvocation例項之後,就繼續呼叫它的成員函式JNI_CreateJavaVM來建立一個JavaVM介面及其對應的JNIEnv介面:
145 jint JniInvocation::JNI_CreateJavaVM(JavaVM** p_vm, JNIEnv** p_env, void* vm_args) {
146 return JNI_CreateJavaVM_(p_vm, p_env, vm_args);
147 }
這個函式定義在檔案libnativehelper/JniInvocation.cpp中。
JniInvocation類的成員變數JNI_CreateJavaVM_指向的就是前面所載入的libdvm.so或者libart.so所匯出的函式JNI_CreateJavaVM,因此,JniInvocation類的成員函式JNI_CreateJavaVM返回的JavaVM介面指向的要麼是Dalvik虛擬機器,要麼是ART虛擬機器。
通過上面的分析,我們就很容易知道,Android系統通過將ART執行時抽象成一個Java虛擬機器,以及通過系統屬性persist.sys.dalvik.vm.lib和一個適配層JniInvocation,就可以無縫地將Dalvik虛擬機器替換為ART執行時。這個替換過程設計非常巧妙,因為涉及到的程式碼修改是非常少的。
以上就是ART虛擬機器的啟動過程,接下來我們再分析應用程式在安裝過程中將dex位元組碼翻譯為本地機器碼的過程。
Android應用程式的安裝過程可以參考Android應用程式安裝過程原始碼分析這篇文章。 簡單來說,就是Android系統通過PackageManagerService來安裝APK,在安裝的過程,PackageManagerService會通過另外一個類Installer的成員函式installer來對APK裡面的dex位元組碼進行優化:
63 public int install(String uuid, String name, int uid, int gid, String seinfo) {
64 StringBuilder builder = new StringBuilder("install");
65 builder.append(' ');
66 builder.append(escapeNull(uuid));
67 builder.append(' ');
68 builder.append(name);
69 builder.append(' ');
70 builder.append(uid);
71 builder.append(' ');
72 builder.append(gid);
73 builder.append(' ');
74 builder.append(seinfo != null ? seinfo : "!");
75 return mInstaller.execute(builder.toString());
76 }
這個函式定義在檔案frameworks/base/services/java/com/android/server/pm/Installer.java中。
Installer通過socket向守護程序installd傳送一個dexopt請求,這個請求是由installd裡面的函式dexopt來處理的:
1084 int dexopt(const char *apk_path, uid_t uid, bool is_public,
1085 const char *pkgname, const char *instruction_set, int dexopt_needed,
1086 bool vm_safe_mode, bool debuggable, const char* oat_dir, bool boot_complete)
1087 {
...
1223 if (dexopt_needed == DEXOPT_PATCHOAT_NEEDED
1224 || dexopt_needed == DEXOPT_SELF_PATCHOAT_NEEDED) {
1225 run_patchoat(input_fd, out_fd, input_file, out_path, pkgname, instruction_set);
1226 } else if (dexopt_needed == DEXOPT_DEX2OAT_NEEDED) {
1227 const char *input_file_name = strrchr(input_file, '/');
1228 if (input_file_name == NULL) {
1229 input_file_name = input_file;
1230 } else {
1231 input_file_name++;
1232 }
1233 run_dex2oat(input_fd, out_fd, input_file_name, out_path, swap_fd, pkgname,
1234 instruction_set, vm_safe_mode, debuggable, boot_complete);
1235 } else {
1236 ALOGE("Invalid dexopt needed: %d\n", dexopt_needed);
1237 exit(73);
1238 }
1239 exit(68); /* only get here on exec failure */
...
}
選擇呼叫run_patchoat或者run_dex2oat其中的一個函式來繼續下面的。
run_patchoat呼叫的是”/system/bin/patchoat”;生成odex檔案
而run_dex2oat呼叫的是”/system/bin/dex2oat”,生成oat檔案。
通過上面的分析,我們就很容易知道,只需要將dex檔案的優化過程替換成dex檔案翻譯成本地機器碼的過程,就可以輕鬆地在應用安裝過程,無縫地將Dalvik虛擬機器替換成ART執行時。
最後,還有一個地方需要注意的是,應用程式的安裝發生在兩個時機,第一個時機是系統啟動的時候,第二個時機系統啟動完成後使用者自行安裝的時候。在第一個時機中,系統除了會對/system/app和/data/app目錄下的所有APK進行dex位元組碼到本地機器碼的翻譯之外,還會對/system/framework目錄下的APK或者JAR檔案,以及這些APK所引用的外部JAR,進行dex位元組碼到本地機器碼的翻譯。這樣就可以保證除了應用之外,系統中使用Java來開發的系統服務,也會統一地從dex位元組碼翻譯成本地機器碼。也就是說,將Android系統中的Dalvik虛擬機器替換成ART執行時之後,系統中的程式碼都是由ART執行時來執行的了,這時候就不會對Dalvik虛擬機器產生任何的依賴。