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解读:华为方舟编译器的革命性到底体现在哪里?

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随着2019华为开发者大会的临近,华为消费者业务CEO余承东此前在P300国内发布会上发表声明的“可以 实现Android性能革命”的方舟编译器也即将进入到开源阶段。

虽然此前在4月份华为机会就方舟编译器进行了介绍,但其他同学歌词 其他同学歌词 更加关心的是:华为方舟编译器的革命性到底体现在哪里?

针对你这个问题图片图片,余承东在8月6日推荐了一篇由“菊厂搞机”发表的一篇题为《华为新贵!方舟编译器的荣光和使命》的长文,该文对华为方舟编译器的实现原理和头上故事进行了解读——而雷锋网也希望由此提取出关于华为方舟编译器实现Android性能革命的诸多要点。

Android代码编译的原理和弊端

在目前全世界的多种编程语言中,Android操作系统采用的是Java语言。

Java语言是在1995年5月发布的,它的另5个重点特点只是 还时需跨平台操作,有时候 时需借助虚拟机机制来解释源代码并调度硬件资源;但同时Java是一种生活预编译语言,时需先在开发者环境中将源代码(SourceCode)转换成字节码(ByteCode),有时候 在设备上运行时再将字节码编译或解释成硬件能听得懂的机器码。

也只是 说,从Java的字节码到机器码,里边时需两样东西:

1、虚拟机,用来调度硬件资源;

2、翻译器(将Java字节码解释成机器语言)机会编译器(将Java字节码编译成机器码)。此处要注意的是,翻译器和编译器是不同的;编译器是把源tcp连接的每十根语录都编译成机器语言并保存成二进制文件,原先运行时计算机还时需直接以机器语言来运行此tcp连接,因而速率单位变快;而解释器则是只在执行tcp连接时,才十根十根地解释成机器语言来让计算机执行,有时候 运行速率单位不如编译后的tcp连接运行得快。

而对于Android操作系统来说,为了将Java字节码变成机器语言,Google在不同的版本中进行了简化的尝试,其目的自然是不断推动应用tcp连接的运行速率单位向前发展;其他同学歌词 其他同学歌词 儿来看一下Android在不同版本是咋样做的:

Android 1.0(30008年):采用另5个名为Dalvik的虚拟机,有时候 集成了另5个解释器。当App运行时,就会调用你这个解释器,对代码进行逐句解释,速率单位比较慢。

Android 2.2(2010年):引入JIT(Just In Time)即时编译机制,当App运行时,会将用户突然使用的功能编译为机器能直接执行的010101机器码,不不一句一句地去翻译。当再次跳出不常用的功能时,再调用解释器来翻译;原先速率单位加快,但每次启动App总要重新编译一次,只有一劳永逸。

Android 5.0(2014年10月):将虚拟机Dalvik换成ART(Android Run Time),将JIT的编译器替换成AOT(Ahead of Time)。只有,App在下载后安塞进 手机上时同时把能编译的代码先编译成机器听得懂的101010;剩下不太好翻译的代码,就在用户使用时再叫醒解释器来翻译。只有,不不每次打开App都时需编译,但安装App的时间有点儿长,有时候 占用手机空间。

Android 7.0(2017年):采用混合编译机制,安装时先不编译里边代码,只是 在用户空闲时将可以 编译成机器码的那每段代码,通过AOT编译器先静态编译了。机会AOT还没来得及编译机会只有编译,再调用JIT+解释器。你这个机制,大约用时间换空间,既缩短了用户安装APP的守候时间,又将虚拟机里编译器和解释器能做的优化提升到最大速率单位了。

还时需看完,无论是编译器还是解释器,只是 在虚拟机上打补丁,手机上的虚拟机+编译器+解释器一种生活不仅占用硬件资源,还无法最大发挥软件运行性能。正因只有,只是 绝大每段手机厂商只否有奈的通过简单粗暴提升Android手机的内存和存储空间,来弥补虚拟机的弊端。

由此出发,Android系统在性能和应用运行层面有5个方面的问题图片图片:

1、如前所述,离不开虚拟机;

2、为了与C/C++等代码进行交互,Java原生接口(Java Native Interface,简称JNI)应运而生。目前95%的TOP应用总要使用Java和C/C++等多种语言混合开发而成。Java和C/C++属于一种生活不同架构的语言,各有或多或少人的使用规范。为了APP正常运行,它俩之间时需互通否有,你这个互通否有的接口只是 JNI。在数据访问、函数调用、生命周期维护、异常解决等方面都时需这个种生活代码互相调用。这就因为手机硬件资源要分配一每段给JNI去做调度——你这个机制一种生活的速率单位就不高,有时候 占用了硬件资源。

3、Android虚拟机的编译器受限于手机硬件和代码优化模板单一,代码优化空间有限。编译器饱含 另5个每段:前端FrontEnd,主要负责将源代码翻译成IR(Intermediate Representation);中端的Optimizer主要负责代码优化,将前端翻译过来的IR代码优化得更高效;后端BackEnd则将优化后的IR编译成101010的机器码——为了解决生态过于碎片化,Android只为第三方开放了简单的编译代码优化模板,代码优化空间有限。

4、Java现有的内存回收机制容易造成“间歇性”卡顿。当手机内存资源匮乏用的以前,Android虚拟机就会召唤GC(Garbage Collection,垃圾回收)让所有手机运行的Javatcp连接完正暂停,守候它回收内存空间,解决过载超载。你这个GC机制,无法精确控制和干预,用户也无法把它换成,只是 性能比较差的手机还指在“间歇性”卡顿。

这5个问题图片图片,也是华为试图通过方舟编译器解决的问题图片图片。

华为方舟编译器是咋样解决问题图片图片的?

在回答你这个问题图片图片以前,先看一下华为从事方舟编译器工作的时间线:

30009年,华为启动5G基础技术研究的同时,现在开始创建编译组,第一批海内外研究人员加入。

2013年,华为推出面向基站领域的自研编译器HCC,并正式提出编译器框架构想。

2014年,众多海内外专家加入华为,方舟项目正式启动。

2016年,成立编译器与编程语言实验室。

2017年,方舟编译器上的第另5个Javatcp连接“HelloWorld”跑通。

2018年春节前一周,方舟编译器跑通Android系统所有后台服务,并成功移植到手机。

2019年4月,华为方舟编译器在P300系列的国内发布会上对外发表声明。

只有,方舟编译器的原理究竟是咋样实现的?

实际上,华为所谓的“方舟编译器”与其说是另5个编译器,不如说是另5个编译运行系统;你这个系统的运行时需开发环境和终端(也只是 智能手机)的配合,其目的是绕过Android操作系统中App的运行所时需依赖的虚拟机,将Java/C/C++等混合代码一次编译成机器码直接在手机上运行,彻底告别Java的JNI额外开销,也彻底告别了虚拟机的GC内存回收带来的应用tcp连接掉线——从而最终实现Android操作系统的流畅度。

正如上文所言,在方舟编译器的你这个实现过程中,时需解决5个方面的问题图片图片。

第一:将Java代码直接编译成机器码

就目前的情况汇报来看,Java编译成机器码的过程中,要面临的问题图片图片是Java中的动态语义(与之对应的是静态语义,它是通过提前翻译可以 解决的),静态语义指的是确定的语言和意思,而动态语义指的是时需结合上下文来理解的内容——这其中,机会要像编译静态语义一样去编译动态语义,只是 知乎大神认为是根本就不机会的。

而你这个不机会,正是华为在开发方舟编译器过程中解决的问题图片图片。

具体来说,方舟编译器通过编译阶段和运行阶段的双向加持,将静态编译动态语义最大的两大难点解决:一是设计数据模型,二是咋样在运行时高效获得动态信息。

方舟编译器团队基本遍历了Java的动态语义,进行了大规模的数据建模。同时,大大提高了编译时动态语义分析的精度,有点儿是涉及跨语言调用时;另外,华为设计了一套具有核心专利的动态语义匹配机制,有效降低了运行时动态语义的开销。

由此,方舟编译器可以 将Java代码编译成机器能直接执行的语言。华为方面表示,经过华为方舟编译器的App,再只是 时需在手机上编译了,彻底告别了虚拟机,从而带来了媲美甚至超越iOS的Android体验。 

第二:解决混合语言的JNI开销

机会95%的Top应用总要Java/C/C++等混合语言编写而成;有时候 方舟编译器还时需干掉混合语言互相调用带来的JNI开销。

这里就涉及到上文提到的另5个名词IR,它是用来表示代码的数据价值形式,它是编译器的各模块以及相关工具之间用来传递信息的“协议和通用语言”,也是tcp连接变换和编译优化各种算法的承载体。它是编译器的“大脑”,直接决定了编译器的最终效果——有时候 ,它的难度是最高的。

华为方舟编译器团队对IR进行了长达五年的精雕细琢,逐渐摸索出“大脑”里每十根神经、每另5个神经元的信号规律,并在此基础上发明者了一套核心专利,使得不同语言代码在开发者环境中可以 统一编译成同一套可直接执行的机器码,从而彻底消除了混合语言互相调用的开销。

也只是 说华为方舟编译器还时需将混合语言实现统一的里边表示IR,这就大约同另1或多或少人可以 理解全世界的语言——当然,这头上是华为方舟编译器团队基于多个编程语言的深刻理解和几瓶研发积累。

第三:在统一IR之外进行代码优化

华为方舟编译器,直接将代码优化从手机环节搬到了开发者环境,未来还机会搬到云端。利用开发者环境更强大的算力,还时需实现更先进和精细的优化算法,来达到更佳的优化效果——华为表示,在只是 特定场景代码优化的提升甚至是颠覆性的。

值得一提的是,开发者使用方舟编译器,太多时需改变原先的编码习惯。开发者还时需自行开发代码优化算法,也还时需仅通过方舟编译器预置的算法进行代码优化。未来,华为还将提供代码调优工具,开发者还时需确定根据工具的优化建议来调整代码,和方舟编译器配合获得更优的执行效果。

第四:解决Android内存回收带来的卡顿问题图片图片

为了解决你这个问题图片图片,方舟编译器采用了引用计数法(RC,Reference Counting)来进行内存的实时回收,有时候 配合使用了专门的消除环算法(消除对象互相引用带来的无法回收问题图片图片),来解决GC集中式回收带来的系统卡顿。相比GC,方舟的内存回收是实时的而非集中式的,且不时需暂停应用tcp连接,原先便大大消除了卡顿。

另外,软件有另5个其他同学歌词 其他同学歌词 儿都不熟悉的死循环,只是 电脑被另5个无限循环的运行tcp连接把计算机资源占光。你这个“死循环”在软件中叫“环引用”。为了从机制解决手机内存被环引用“吃掉”,方舟编译器引入annotation的“告警”标示,对基础类的环进行标注。

当然,Javatcp连接员也还时需对业务代码中的环进行标注。经过雄厚的实践验证,方舟你这个机制还时需减少大每段tcp连接中环的再次跳出。另外一方面,方舟编译器在运行情况汇报下引入了高效的环回收机制,允许有确定的智能回收某个APP的内存占用,这对传统的环回收算法是另5个改进。

总结来看,面对现有的Android系统在代码编译、运行、IR、内存回收等5个层面的问题图片图片,华为方舟编译器分别给出了或多或少人的解决方案,这其中的核心创新点是混合语言的统一里边表示和完正静态编译,但更重要的是华为在解决Android操作系统App运行问题图片图片的崭新思路,以及为了实现你这个思路而敢于大力投入的勇气。

总结

方舟本质上不仅仅是另5个编译器,只是 另5个编译系统,它时需通过用户终端和开发者的同时支持。

对于华为手机用户来说,华为在手机终端中机会用方舟编译器替代了Android system-server的所有后台服务,你这个项就机会足够让华为EMUI比或多或少Android系统变快一步——根据华为官方测试,方舟编译器提升手机系统操作流畅度高达24%,系统响应性能提升44%。

当然,华为要想充分派挥方舟你这个编译系统的实力,还离不开开发者在开发层面对方舟编译器的大力支持,这本质上是华为在现有Android开指在态之外另辟蹊径打造的另5个全新开发环境——它究竟还时需得到开发者的支持,还时需等华为将其开源以前可以 有答案。

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