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| 本文作者： 李帥飛 | 2019-04-25 19:25 |
2019 年 4 月 11 日，在上海的華為新品發(fā)布會上，除了可以拍月亮的華為 P30 系列，余承東還親自拋出了兩項軟件層面的“重磅炸彈”，分別是方舟編譯器和 EROFS 超級文件系統(tǒng)；其中，華為方舟編譯器可以實現(xiàn)“架構(gòu)級優(yōu)化和顯著提升性能”，可以解決安卓程序“邊解釋邊執(zhí)行”的問題，從而被余承東稱之為 “安卓性能革命”。
發(fā)布會結(jié)束之后，華為方舟編譯器引起了外界的熱議。
那么，方舟編譯器究竟是什么？它的 “革命性” 到底體現(xiàn)在哪里？面對這些問題，華為終于在兩周之后舉行了媒體沙龍，對方舟編譯器進行了更加細致的解讀。
在了解方舟編譯器之前，我們必須得首先了解 Android 操作系統(tǒng)中的編譯器的運行機制。
雷鋒網(wǎng)從 VirtualXposed/太極的作者 weishu 處了解到，當前 Android 平臺的絕大多數(shù)應用是使用 Java 語言寫的，CPU 只能理解匯編指令，無法直接識別 Java 語言的虛擬機指令；為了讓 CPU 能運行 Java 語言編寫的程序，一般有兩種辦法：
引入一個中間層，這個中間層負責 Java 代碼的執(zhí)行，然后這個中間層本身編譯為 CPU 能理解的匯編指令，也就是 CPU -> 中間層 -> Java 代碼。如果這個中間層采用 Java 語言直接作為輸入，理解一句 Java 語句就把Java語言翻譯一下讓 CPU 執(zhí)行一段，我們一般稱這種模式為「解釋執(zhí)行」。毋庸置疑這種方式效率是相當?shù)托У摹?/p>
直接把 Java 語言翻譯成 CPU 能理解的機器語言。這里又有兩種方式：第一，在程序運行之前直接把 Java 代碼編譯為機器語言。這種模式稱之為 AOT（Ahead of time）編譯；第二，在程序運行起來之后，實時地把 Java 語言編譯為機器語言然后執(zhí)行。這種模式稱之為 JIT（Just in time） 編譯。
具體在 Android 平臺上，代碼編譯經(jīng)歷了數(shù)個階段。
在 Android 5.0 正式采用 ART 之前，Android 采用的是解釋執(zhí)行 + JIT 的方式執(zhí)行 Java 代碼。在這個階段是貨真價實的「邊解釋邊執(zhí)行」的模式，代碼效率相當?shù)拖拢偌由夏菚r候同樣表現(xiàn)不行的 GC（垃圾回收），Android 非常難用。
在 Android 5.0 至 Android 6.0 階段，Google 推出了 ART（Android Runtime）來解決之前的 Java 代碼執(zhí)行效率問題。這個階段采用的是完全 AOT 模式；Android 應用在安裝的時候，系統(tǒng)會把所有Java代碼提前編譯為機器碼。這種模式有兩個缺點：
安裝速度巨慢。即使是高通驍龍 855 采用 AOT 模式編譯一下安裝包比較大的應用（如支付寶）可能就要一分鐘。而那個時候的 CPU 并不如現(xiàn)在，安裝一個應用需要很長時間。更要命的是，系統(tǒng) OTA 開機會對所有的應用執(zhí)行 AOT 操作，這時候開機速度可能需要很長時間。
占用磁盤空間，Java 代碼編譯為機器碼之后體積會急劇膨脹。
到了 Android 7.0，Google 做了很大的改進；這一改進是基于這樣一個事實：我們使用一個應用的時候，基本每個人只使用它一小部分功能，為什么要把所有代碼全編譯呢？因此只編譯用戶經(jīng)常用的那部分代碼就 OK 了，這樣安裝的時候速度比較快，等用戶啟動的時候系統(tǒng)就能知道哪部分代碼經(jīng)常被執(zhí)行，把這部分代碼編譯為機器碼，運行起來速度也快。
于是 Google 又引入了 JIT，這時候的執(zhí)行模式是 AOT + JIT + 解釋執(zhí)行。具體來看：
應用安裝的時候不執(zhí)行 AOT 編譯，安裝速度飛快。初次使用應用的時候沒有機器碼，因此只能解釋執(zhí)行。
應用運行起來之后，系統(tǒng)收集經(jīng)常被運行的代碼的信息，做兩件事：1）在必要的時候在運行時直接把 Java 代碼編譯為機器碼 （JIT），然后使用機器碼執(zhí)行提高運行效率。2）把這個「經(jīng)常被運行的代碼信息保存起來」。
設備空閑的時候，系統(tǒng)拿出應用運行時候保存的「熱點代碼信息」直接把這些代碼編譯為機器碼 （AOT）。
Android 8.0 上改進了解釋器，解釋模式執(zhí)行效率大幅提升；Android 10.0 上提供了預先放置熱點代碼的方式，應用在安裝的時候就能知道常用代碼會被提前編譯。可以看到，當前 Android 平臺的執(zhí)行模式在空間占用+安裝速度+運行速度上已經(jīng)達到了一個很好的平衡。
總結(jié)來看，目前的 Android 采用的是解釋執(zhí)行 + 還算可以的 JIT + AOT 的綜合模式；但并沒有擺脫這樣一個前提，即應用在被打包成 APK 的時候，采用的還是 Java 代碼。換句話說，在 APK 變成用戶可應用的過程中，還經(jīng)歷了一個在 Android 系統(tǒng)內(nèi)部的編譯過程，這是一個繞不過的坎。
按照華為方面在媒體沙龍中的解讀，這個在現(xiàn)有 Android 中繞不過去的坎，被稱為虛擬機（Virtual Machine，簡稱 VM），它包含翻譯器和編譯器，其目的就是把 Java 高級語言轉(zhuǎn)換成機器能懂的語言——這一轉(zhuǎn)換過程導致卡頓，并且 VM 的統(tǒng)一回收內(nèi)存垃圾額也會帶來卡頓。
華為方舟編譯器究竟改變了什么？
首先，方舟編譯器是配合華為 EMUI 9.1 操作系統(tǒng)而打造的一個編譯工具。
按照華為方面的說法，雖然方舟編譯器是在 2019 年 4 月 11 日發(fā)布，但是華為早在 5 年前就開始布局，2013 年推出了自研編譯器 HCC，2014 年編程大神 Fred Chow 加入，擔任華為編譯器技術首席科學家，2016 年華為成立編譯器與編程語言實驗室，投入了數(shù)百的專家團隊經(jīng)歷了多次嘗試，才在 EMUI 9.1 上實現(xiàn)了機器代碼的翻譯。
按照上述 Android 操作系統(tǒng)的代碼運行邏輯，華為編譯器最大的優(yōu)勢在于，它繞過了 VM。
簡單來說，在百人專家團隊的打造下，華為方舟編譯器可以將高級語言（Java）直接變成機器碼，無需再通過 Android 操作系統(tǒng)中內(nèi)置的 VM 編譯器。按照華為方面的說法：方舟編譯器編譯的應用在開發(fā)階段就已完成；也就是說，只要是經(jīng)過編譯器編譯的應用，在應用市場上上架了以后，用戶下載 APK 的就是編譯過的了。
換句話說，通過方舟編譯器，開發(fā)者的應用在下載之前就已經(jīng)轉(zhuǎn)化成為機器可以識別的代碼，因而可以在手機上快速安裝、啟動和運行，而無需在經(jīng)過 VM 的編譯——某種程度上，方舟編譯器是將編譯過程提前到應用開發(fā)階段，從而大幅度減少了智能手機和操作系統(tǒng)的運行負擔。
按照華為方面的說法，采用華為編譯器之后，提升效果如下：
EMUI 9.1 僅僅對系統(tǒng)組件 System Server 應用了方舟編譯器之后，系統(tǒng)流暢速度提升了 24%，系統(tǒng)響應速度提升了 44%；
第三方應用（目前采用了新浪微博極速版）的操作流暢度提升了 60%。
不可忽視的是，實際上，要想實現(xiàn)華為所言的效果，就首先需要第三方的應用開發(fā)者采用方舟編譯器對自家的 App 提前進行改造，從而能夠上架華為應用商店——這也是余承東在 4 月 11 日的發(fā)布會呼吁開發(fā)者積極參與的原因。
除了代碼編譯，方舟編譯器也提供了更高效的內(nèi)存機制，它與 Android 內(nèi)存回收的不同之處在于：
內(nèi)存管理是程序開發(fā)與運行時需要重點考慮的部分，也和系統(tǒng)流暢度息息相關。Android 在內(nèi)存回收上采用集中回收機制，發(fā)聲全局回收時更需要暫停應用，這也是隨機卡頓的根因之一。而方舟編譯器提供了更高效的內(nèi)存回收機制，回收時無需暫停應用，隨時用隨時回收，大大提高運行速度。
另外，在方舟編譯器的編譯環(huán)境下， 還可以對代碼進行優(yōu)化。目前，由于 Android ART 的 AoT 和 JIT 動態(tài)編譯因為是運行在手機上，受資源所限，因而只能使用簡單的優(yōu)化算法。而方舟編譯器由于是在應用開發(fā)階段進行編譯，所以可以允許不同應用靈活采用不同的編譯優(yōu)化方案，而且因為在開發(fā)環(huán)境編譯不會受到手機性能的限制，可以使用更多先進的優(yōu)化算法，從而使得每個應用的性能達到最佳。
其實，在 4 月 11 日的發(fā)布會上，華為方面已經(jīng)表示，方舟編譯器也將開放給第三方合作伙伴，希望共同構(gòu)建開發(fā)者生態(tài)的“方舟朋友圈”。
目前，華為已經(jīng)宣布方舟編譯器會從 2019 年全面開源；其中，華為將在 2019 年 8 月的華為終端開發(fā)者大會宣布方舟編譯框架代碼開源，后續(xù)會在 2019 年 11 月的綠盟開發(fā)者大會實現(xiàn)完整方舟編譯器代碼開源。
對于華為方舟編譯器的開源，雷鋒網(wǎng)將保持關注。
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