1Dalvik虚拟机DalVik是谷歌公司自行为安卓平台设计的Java虚拟机，是安卓平台的重要组成部分，采用dex格式(Dalvik Executable )的Java APP机箱dex格式是专门为Dalvik设计的压缩格式，适用于内存和处理器速度受限的系统。 谷歌对其进行了特定的优化，使Dalvik具有高效、简洁、节约资源的特点。 根据Android系统的架构图，Dalvik虚拟机运行在Android的运行库层。
2 Dalvik虚拟机功能作为针对Linux的嵌入式操作系统而设计的虚拟机，Dalvik主要负责对象生命周期管理、堆栈管理、线程管理、安全和异常管理、垃圾回收等。 Dalvik利用Linux流程管理发现，设计了面向对象的设计，使多个流程可以同时运行。 传统的Java程序通常只能运行一个进程。 因此，安卓没有采用JVM。 Dalvik为了达到优化的目的，大多数基本操作都与系统内核有关，或者直接调用内核接口。 此外，在Dalvik的初期没有JIT编译器。 在Android2.2之前没有参与JIT的技术支持。
3 Dalvik虚拟机与Java虚拟机的区别本质上在于，Dalvik也是Java虚拟机。 但是，没有使用JVM规范是一个特别之处。 大多数Java虚拟机是基于堆栈的体系结构，而Dalvik虚拟机是基于寄存器的。 有关详细信息，请参见了解Java虚拟机的体系结构。 基于堆栈的指令很紧凑。 例如，Java虚拟机使用的指令称为字节码，因为它只占用一个字节。 基于寄存器的指令需要指定源地址和目标地址，因此需要占用更多的指令空间。 Dalvik虚拟机的某些指令需要占用2个字节。 基于堆栈和寄存器的指令集各有优劣，一般而言，执行相同的功能，前者需要更多的指令(主要是load和store指令)，后者需要更多的指令区域。 需要更多的指令意味着占用更多的CPU时间，需要更多的指令空间意味着数据缓冲区(d-cache )更容易失效。 更多的讨论、虚拟机谈话(一)解释器、树遍历解释器、基于堆栈和基于寄存器、大杂烩提供了非常详细的参考。
Java虚拟机运行Java字节码，而Dalvik虚拟机运行自己的文件格式dex。 在Java程序中，Java类编译为一个或多个class文件并打包为jar文件，Java虚拟机从相应的class和jar文件中获取相应的字节码。 Android APP也使用Java语言，编译成class文件后，使用DEX工具将所有class文件转换为一个DEX文件，Dalvik虚拟机从中读取指令和数据。 dex文件不仅减少了总体文件大小和I/O操作的次数，而且还提高了类的搜索速度。
下图显示了jar和apk文件的结构以及class和dex文件之间的差异。 dex格式的文件使用共享的特定类型的常量池机制来节省内存。 常量池存储类中的所有文字常量，包括字符串常量和字段常量。
一般来说，Dalvik虚拟机具有以下特征：
使用dex格式的字节码。 与Java字节码格式不兼容，代码密度小，工作高效。 省资源常量池只使用32位索引。 缺省堆栈大小为12kb(3页，每页4KB )堆的缺省启动大小为2MB，最大缺省值为16MB堆支持的最小启动大小为1MB。 支持的最大值为1024MB的堆和堆栈参数，可以使用-Xms和-Xmx修改4 Dalvik系统结构。 实际上，Dalvik是基于ApacheHarmony(Apache软件基金会的Java SE项目)的一部分实现的，它提供了自己的库集，即用于创建顶级Java APP应用程序的API。
上述图标来自tech-insider。 Apache Harmony大致分为三个层次：操作系统、Java虚拟机和Java类库。 其特点是虚拟机和类库内部高度模块化，每个模块都有一定的接口定义。 操作系统层和虚拟机层之间的接口由Portability Layer定义，它封装了不同操作系统的差异，是虚拟机和类库本地代码统一的API访问的基础系统除了Java规范中定义的JNI和JVMITI外，虚拟机和类库之间的接口还添加了由内核类和本地代码组成的虚拟机接口。 实现虚拟机接口的虚拟机可以使用Harmony的类库实现，并可以用Harmony提供的同一Java启动器启动。
Dalvik虚拟机的结构图如下所示。
该APP首先通过DX工具将class文件转换为Dalvik虚拟机可执行的dex文件，然后类装载器装载本机类和Java类，然后解释器根据指令集装载Dalvik字节码最后，根据dvm_arch参数选择要编译的目标机器体系结构。
4.1 dex文件结构dex文件结构和class文件结构有很多不同之处，但从携带的信息来看，dex和class文件是一致的。
标题：保存各数据类型的起始地址、偏移等信息。 proto_ids :描述函数的原型信息，包括返回值和参数信息。 例如，“test: () V”methods_ids :包括与所属类相对应的proto信息的函数信息。 其他dex格式
的内容，Android安全–Dex文件格式详解 这篇文章进行了非常详细的介绍。虽然dex文件的结构很紧凑，但想要运行时的性能得到进一步提升，还需要对dex文件进行进一步优化。优化主要针对以下几个方面： 调整所有字段的字节序和对齐结构中的每一个域验证dex文件中的所有类对一些特定的类进行优化，对方法里的操作码进行优化dex文件经过优化后文件大小会膨胀，大约增加到原来的1~4倍。对于内置应用，一般在系统编译后，便会生成优化文件（odex: Optimized dex）。一个Android应用程序，需要经过以下过程才可以在Dalvik虚拟机上运行：
把Java源文件编译成class文件使用DX工具把class文件转换成dex文件使用aapt工具把dex文件、资源文件以及AndroidManifest.xml文件（二进制格式）组合成APK将APK安装到Android设备运行上图（来自网络）详尽地展示了最终签名后的APK是怎么来的。
4.2 Dalvik类加载器一个dex文件需要类加载器加载原生类和Java类，然后通过解释器根据指令集对Dalvik字节码进行解释和执行。Dalvik类加载器使用mmap函数，将dex文件映射到内存中，通过普通的内存读取操作即可访问dex文件，然后解析dex文件内容并加载其中的类到哈希表中。
4.2.1 解析dex总的来说，dex文件可以抽象为三个部分：头部、索引、数据。通过头部可以知道索引的位置和数目，以及数据区的起始位置。将dex文件映射到内存后，Dalvik会调用dexFileParse函数对其进行分析，分析的结果放到DexFile数据结构中。DexFile中的baseAddr指向映射区的起始位置，pClassDefs指向class索引的起始位置。为了加快class的查找速度，还创建一个哈希表，对class名字进行哈希并生成索引。
4.2.2 加载class解析工作完成后就进行class的加载，加载的类需要用ClassObject数据结构来存储。
typedef struct Object { ClassObject* clazz; // 类型对象 Lock lock; // 锁对象} Object;其中clazz指向ClassObject对象，还包含一个Lock对象。如果其它线程想要获取它的锁，只有等这个线程释放。Dalvik每加载一个class都会对应一个ClassObject对象，加载过程会在内存中分配几个区域，分别存放directMethod, virtualMethod, sfield, ifield。这些信息从dex文件的数据区中读取。字段Field的定义如下：
struct Field { ClassObject* clazz; //所属类型 const char* name; // 变量名称 const char* signature; // 如“Landroid/os/Debug;” u4 accessFlags; // 访问标记 #ifdef PROFILE_FIELD_ACCESS u4 gets; u4 puts; #endif};待得到class索引后，实际的加载由loadClassFromDex来完成。首先它会读取class的具体数据，分别加载directMethod, virtualMethod, ifield和sfield，然后为ClassObject数据结构分配内存，并读取dex文件的相关信息。加载完成后，将加载的class通过dvmAddClassToHash函数放入哈希表，以方便下次查找；最后，通过dvmLinkClass查找该类的超类，如果有接口类则加载相应的接口类。
4.3 Dalvik解释器对于任何虚拟机来说，解释器无疑是核心的部分，所有的Java字节码都经过解释器解释执行。由于Dalvik解释器的效率很重要，Android分别实现了C语言版和各种汇编语言版的解释器。解释器通常是循环执行，需要一个入口函数调用处理程序执行第一条指令，而后每条指令执行时引出下一条指令，通过函数指针调用处理程序。
4.4 内存管理垃圾收集是Dalvik虚拟机内存管理的核心。此处只介绍Dalvik虚拟机的垃圾收集功能。垃圾收集的性能在很大程度上影响了一个Java程序内存使用的效率。Dalvik虚拟机使用常用的swdxh-Sweep算法，该算法分swdxh阶段（标记出活动对象）、Sweep阶段（回收垃圾内存）和可选的Compact阶段（减少堆中的碎片）。Android内存管理原理 这篇文章讲解得很详细。
垃圾收集的第一步是标记出活动对象，因为没有办法识别那些不可访问的对象，这样所有未被标记的对象就是可以回收的垃圾。当进行垃圾收集时，需要停止Dalvik虚拟机的运行（除垃圾收集外），因此垃圾收集又被称作STW（stop-the-world）。Dalvik虚拟机在运行过程中要维护一些状态信息，这些信息包括：每个线程所保存的寄存器、Java类中的静态字段、局部和全局的JNI引用，JVM中的所有函数调用会对应一个相应C的栈帧。每一个栈帧里可能包含对对象的引用，比如包含对象引用的局部变量和参数。所有这些引用信息被加入到一个根集合中，然后从根集合开始，递归查找可以从根集合出发访问的对象。因此，swdxh过程又叫做追踪，追踪所有可被访问的对象。
垃圾收集的第二步就是回收内存。在swdxh阶段通过markBits位图可以得到所有可访问的对象集合，而liveBits位图表示所有已经分配的对象集合。通过比较liveBits位图和markBits位图的差异就是所有可回收的对象集合。Sweep阶段调用free来释放这些内存给堆。
在底层内存实现上，Android系统使用的是msspace，这是一个轻量级的malloc实现。除了创建和初始化用于存储普通Java对象的内存堆，Android还创建三个额外的内存堆：
"livebits"（用来存放堆上内存被占用情况的位图索引）"markbits"（在GC时用于标注存活对象的位图索引）“markstack”（在GC中遍历存活对象引用的标注栈）虚拟机通过一个名为gHs的全局HeapSource变量来操控GC内存堆，而HeapSource里通过heaps数组可以管理多个堆（Heap），以满足动态调整GC内存堆大小的要求。另外HeapSource里还维护一个名为"livebits"的位图索引，以跟踪各个堆（Heap）的内存使用情况。剩下两个数据结构"markstack"和"markbits"都是用在垃圾回收阶段。
上图中"livebits"维护堆上已用的内存信息，而"markbits"这个位图索引则指向存活的对象。 A、C、F、G、H对象需要保留，因此"markbits"分别指向他们（最后的H对象尚在标注过程中，因此没有指针指向它）。而"markstack"就是在标注过程中跟踪当前需要处理的对象要用到的标志栈，此时其保存了正在处理的对象F、G和H。
4.5 Dalvik的启动流程Dalvik进程管理是依赖于linux的进程体系结构的，如要为应用程序创建一个进程，它会使用linux的fork机制来复制一个进程。Zygote是一个虚拟机进程，同时也是一个虚拟机实例的孵化器，它通过init进程启动。之前的文章有对此过程有详细介绍：Android系统启动分析(Init->Zygote->SystemServer->Home activity)。此处分析Dalvik虚拟机启动的相关过程。
AndroidRuntime类主要做了以下几件事情：
调用startVM创建一个Dalvik虚拟机，JNI_CreateJavaVM真正创建并初始化虚拟机实例调用startReg注册Android核心类的JNI方法通过Zygote进程进入Java层在JNI中，dvmCreateJNIEnv为当前线程创建和初始化一个JNI环境，即一个JNIEnvExt对象。最后调用dvmStartup来初始化前面创建的Dalvik虚拟机实例。函数dvmInitZygote调用了系统的setpgid来设置当前进程，即Zygote进程的进程组ID。这一步完成后，Dalvik虚拟机的创建和初始化工作就完成了。
5 Android的启动 启动电源，加载引导程序到RAMBootLoader引导Linux Kernel启动Init进程创建Init fork出Zygote进程，Zygote进程创建虚拟机；创建系统服务Android Home Launcher启动
参考：
《Android技术内幕》
Dalvik虚拟机简要介绍和学习计划
深入理解Android（二）：Java虚拟机Dalvik
dalvik虚拟内存管理之二——垃圾收集
Dalvik虚拟机的启动过程分析
转载于:https://www.cnblogs.com/lao-liang/p/5111399.html