Android 开发需要了解的虚拟机知识

Dalvik 和 ART

参看 快速理清 .dex、.odex、ART、AOT、OAT 逻辑关系

Java 内存结构和内存模型

参考 Java 内存基本知识

这里对 Java 内存模型做个简单的理解：

因为 CPU 存在多级缓存（详见 Java 锁机制详解（二）volatile 开头部分），导致多线程情况下存在内存可见性问题。

计算机内存可见性

Java 则据此在多线程环境下做了抽象：

Java内存可见性

并提供了 volatile、synchronized、final 等关键字，concurren 包、以及一系列规则等以解决此类问题。此外，指令重排等计算机内存的潜在隐患也同样做了抽象、处理。

所以，我们将此处 Java 抽象模型以及关键字等统一称为内存模型。即 Java 内存模型定义了 JVM 在计算机内存的工作方式。

垃圾回收策略

GC 主要针对 JVM 堆和方法区进行垃圾回收，因为这部分内存的动态分配和回收的。

垃圾识别策略

1、引用计数法

原理：给对象添加一个引用计数器，当计数器为 0 时说明没有引用，则对象可被回收。
缺点：无法解决循环引用。

2、可达性分析法

原理：从 GC Roots 创建一条到对象的引用链，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链时，视为对象可回收。

GC 会收集那些不是 GC Roots 且没有被 GC Roots 引用的对象。那么谁可作为 GC Roots 对象呢？总结来说就是：

当前肯定不会被回收的对象都可以作为 GC Roots。

如类的静态变量所引用的对象当前肯定不会被回收，那它即可作为它所引用对象的 GC Roots。

关于 GC Roots 的问题可以参考 知乎大神 的回答（或者直接看下边），很有启发。

问：为什么它们可以作为 GC roots?
答：因为这些东西被认为是在被使用。JVM 设计者命令 JVM 将他们作为 GC Roots 。

问：到底 GC Roots 是什么？
答：GC Roots 是一个统称，是所有可以用作"根集可达性算法"中的根。

问：它们存放在哪里？
答：GC Roots 本身是没有所谓的存储位置，他们都是字节码加载运行过程中加入 JVM 中的一些普通对象，只不过被认为是 GC Roots。

问：GC Roots 是引用还是对象？
答：引用就是对象，因为对于 Java 语言(非字节码)来说单独的引用(没有指向对象的引用)没有意义。

问：GC Roots 是放在堆里的还是方法栈还是哪个地方？
答：都有，只要他被认为是被使用的，但堆中开辟的对象都是在其他位置有一个引用的。

问：虚拟机会回收 GC Roots 吗？
答：不会但不保证绝对不会，因为 JVM 有几十种，无法保证以后会不会加入回收 GC Roots 的机制，但就 HotSpot 而言是不会的。

内存回收算法

1、标记清除算法

原理：在标记阶段给所有的活动对象打上标记，在回收阶段将没有标记的对象（即垃圾对象）回收。
缺点：内存碎片化严重，也正因为碎片化严重，导致内存再分配效率低。

2、复制算法

原理：将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。当一块的内存用完了，就将存活的对象复制到另一块上，然后再把已使用的内存一次清理掉。
优势：每次都对整个半区进行回收，解决碎片化问题，再分配效率高。
缺点：内存损失一半，代价太高。

3、分代回收算法

原理：将内存去分为新生代和老年代俩个区。新生代因为回收频繁，使用复制算法提高效率。老年代因为存活率高，使用标记清除算法节省内存。
优势：兼顾时间（效率）和空间（内存）的综合选择。

类的加载

加载过程

虚拟机把 Class 文件加载到内存，并完成链接和初始化，最终形成可被虚拟机直接使用的 Java 类型的过程叫做类的加载。

JVM 不是一开始就把所有的类都加载进内存中，只有第一次运行类时才会加载，且只加载一次。

题外话：Android 应用启动时有个 dexElements 数组，包含了所有 .dex 文件地址，ClassLoader 会遍历该数组查找要加载的类。也就是说可以通过修改 dexElements 数组以替换 JVM 加载的类文件，以实现热修复。

类的加载过程可以分为如下几步：

1、加载

通过类加载器（ClassLoader），将 Class 文件从各个来源加载到内存中。

ClassLoader

既然说到了 ClassLoader，那这里就简单解析下。

① ClassLoader 类加载原理 -- 双亲委托

关于 Android 的双亲委托，可以参考 热修复原理与基础范例。

简单来说，就是 ClassLoader 向上委托，向下查找，找到立即返回。

② ClassLoader 实现类

Java 的 ClassLoader.

类名	用途
BootstrapClassLoader	顶层的加载类，主要加载核心类库，%JRE_HOME%\lib 下 的rt.jar、resources.jar、charsets.jar 和 class 等。
ExtentionClassLoader	扩展的类加载器，加载目录 %JRE_HOME%\lib\ext 目录下的 jar 包和 class 文件。还可以加载 -D java.ext.dirs 选项指定的目录。
AppclassLoader	加载当前应用的 classpath 的所有类。

Android 的 ClassLoader.

类名	用途
BootClassLoader	通常用来预加载一些 Java 常用的类；
PathClassLoader	通常用于加载系统类和应用程序的类（就是你的 apk，它可以从你的 apk 中解析出 class 对象），其中 optimizedDirectory 为null, 默认目录 /data/dalvik-cache/。
DexClassLoader	可以加载外部 dex 文件以及包含 dex 的压缩文件（apk 和 jar）。

③ ClassLoader 常用参数

参数名	用途
dexPath	包含目标类或资源的 apk/jar 列表，多个路径采用 : 分割
optimizedDirectory	优化后的 dex 文件输出的目录，可为 null
libraryPath	native 库所在路径列表，多个路径采用 : 分割
classLoader	父类加载器

更多 ClassLoader 相关内容可参考此 链接。

2、链接

链接又可以分为三个过程，分别是 验证、准备、解析。

2.1、验证

保证加载进来的字节流符合虚拟机规范，不会造成安全错误。

2.2、准备

给静态变量分配内存，并根据数据类型赋默认值。（如 int 类型则赋值 0.）

2.3、解析

把常量池内的符号引用替换为直接引用。

因为我们写代码时自定义的方法名、类名等虚拟机是无法识别的，所以会被虚拟机替换为对应的内存地址，也就是直接引用。

3、初始化

执行类的构造器进行初始化。

类的初始化顺序

既然说到了，就简单总结下类的初始化顺序。

父类--静态变量
父类--静态初始化块
子类--静态变量
子类--静态初始化块
父类--成员变量
父类--初始化块
父类--构造器
子类--成员变量
子类--初始化块
子类--构造器

总结

Android 开发需要了解的虚拟机知识就到这儿，后续有的话会继续补充。

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