華為方舟編譯器詳細(xì)解讀 真的比安卓快嗎

8 月 9 日，華為開(kāi)發(fā)者大會(huì)鴻蒙OS正式發(fā)布，這是基于微內(nèi)核的全場(chǎng)景分布式OS。能實(shí)現(xiàn)模塊化解耦，對(duì)應(yīng)不同設(shè)備（智慧屏、穿戴設(shè)備、車(chē)機(jī)、智能音箱、手機(jī)）可彈性部署。華為消費(fèi)者業(yè)務(wù) CEO 余承東描述了華為鴻蒙 OS 的方方面面。

余承東稱(chēng)，華為方舟編譯器，會(huì)通過(guò)多終端 IDE 開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)支撐當(dāng)前的鴻蒙 OS。目前方舟編譯器支撐鴻蒙內(nèi)核，“方舟編譯器能提升60%的編譯性能”，將來(lái)鴻蒙微內(nèi)核能按需擴(kuò)展，并希望用一個(gè)鴻蒙微內(nèi)核代替全部?jī)?nèi)核。

今天，我們就聚焦華為的新貴——方舟編譯器，這個(gè)一發(fā)布就引起巨大響動(dòng)的底層核心技術(shù)。方舟編譯器究竟是什么？它為什么能夠做到“青出于藍(lán)而勝于藍(lán)”，下面就讓我們帶著疑問(wèn)去解讀。

01 編譯器是什么？

首先講講編譯器是什么東西吧？其實(shí)絕大多數(shù)用戶(hù)都不清楚這是什么。程序員們?cè)趯?xiě)好應(yīng)用的代碼之后，在變成我們手機(jī)上安裝的應(yīng)用之前，還差最后一步就是編譯。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，編譯器就是把編程人員開(kāi)發(fā)的高級(jí)語(yǔ)言程序，翻譯成機(jī)器可執(zhí)行的機(jī)器指令，這就是編譯器。它就像一位翻譯官，是連接程序員與機(jī)器的橋梁。

由此來(lái)看，方舟編譯器面向的是開(kāi)發(fā)者的，但最終受益的還是消費(fèi)者。

打個(gè)比方，說(shuō)計(jì)算機(jī)是汽車(chē)，那么軟件就像汽車(chē)的操控系統(tǒng)一樣。編譯器則是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)里最核心的汽油燃燒技術(shù)，將軟件變成計(jì)算機(jī)的動(dòng)力，其編譯的效率，直接決定了用戶(hù)的使用體驗(yàn)。所以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(yùn)行機(jī)制。

安卓系統(tǒng)從2008年1.0到9.0，截至目前安卓系統(tǒng)大小版本超過(guò)15個(gè)。十年發(fā)展安卓手機(jī)的體驗(yàn)已經(jīng)今非昔比?？缮钪羞€有很多人詬病安卓手機(jī)沒(méi)有iPhone流暢，那么安卓系統(tǒng)的程序是怎樣運(yùn)行的？下面我們來(lái)闡述一下

Java的虛擬機(jī)的故事

Android 1.0剛發(fā)布的時(shí)候，使用的是一個(gè)叫Dalvik的虛擬機(jī)（Virtual Machine，簡(jiǎn)稱(chēng) VM）里面集成了一個(gè)解釋器，每次用戶(hù)在安卓手機(jī)上運(yùn)行APP時(shí)，就會(huì)喚醒解釋器，來(lái)給安卓的硬件解釋APP接下來(lái)要干什么。

這個(gè)問(wèn)題嚴(yán)重拖了安卓手機(jī)的后腿，所以Android2.2版本引入了JIT機(jī)制。JIT比較聰明，當(dāng)用戶(hù)在安卓手機(jī)運(yùn)行APP時(shí)，會(huì)同時(shí)將用戶(hù)經(jīng)常使用的功能編譯為機(jī)器能直接執(zhí)行的機(jī)器碼，不用一句一句去翻譯。當(dāng)出現(xiàn)不常用的功能時(shí)，再喚醒解釋器翻譯。

但是每次啟動(dòng)APP都要重新編譯一次，加上Dalvik虛擬機(jī)性能比較落后，所以谷歌在Android 5.0版本將虛擬機(jī)從Dalvik替代成ART，同時(shí)把JIT的編譯器替代成AOT 。AOT相比JIT的好處，就是不用每次打開(kāi)APP都需要先編譯一遍。但是，壞處是安裝應(yīng)用慢和占用內(nèi)存空間。

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(gè)階段的系統(tǒng)是“邊解釋邊執(zhí)行”模式，代碼效率比較低下，當(dāng)時(shí)Android給人的感覺(jué)就是卡。

目前的Android采用的是解釋執(zhí)行+JIT+AOT 的模式，但并沒(méi)有擺脫一個(gè)前提，即應(yīng)用在被打包成APK的時(shí)候，采用的還是Java代碼。

JNI接口調(diào)度占用額外資源

現(xiàn)在大部分應(yīng)用都是使用Java和C/C++等多種語(yǔ)言混合開(kāi)發(fā)而成。Java和C/C++屬于兩種不同架構(gòu)的語(yǔ)言，為了使APP正常運(yùn)行，它倆之間需要互通的接口——JNI。

這就意味著手機(jī)硬件資源要分配一部分給JNI去做調(diào)度。不僅占用了硬件資源，而且這種機(jī)制本身就效率較低。

安卓?jī)?nèi)存回收機(jī)制容易造成卡頓

當(dāng)手機(jī)內(nèi)存資源不夠用的時(shí)候，安卓虛擬機(jī)就會(huì)召喚GC（Garbage Collection），讓所有手機(jī)運(yùn)行的Java線(xiàn)程全部暫停，GC機(jī)制，無(wú)法精確控制內(nèi)存回收，所以性能較差的手機(jī)間歇的出現(xiàn)“抽搐般”的卡頓現(xiàn)象。

以上這幾個(gè)問(wèn)題，一直影響著安卓手機(jī)的體驗(yàn)。其中最主要的是Java 高級(jí)語(yǔ)言轉(zhuǎn)換機(jī)器能懂的語(yǔ)言，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程直接導(dǎo)致了Android的卡頓。反觀iOS系統(tǒng)，直接使用Clang/LLVM來(lái)編譯出機(jī)器碼，就沒(méi)有安卓還要一個(gè)中間層，也因?yàn)槿绱?，我們感覺(jué)iOS系統(tǒng)一般更流暢。

02 方舟編譯器牛在哪？ “干掉”虛擬機(jī)

方舟編譯器做的就是，將Java的所有語(yǔ)句統(tǒng)統(tǒng)翻譯成機(jī)器碼，最后打包成APK安裝文件。方舟編譯器最大的優(yōu)勢(shì)在于它繞過(guò)了虛擬機(jī)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，方舟編譯器可以將高級(jí)語(yǔ)言（Java）直接變成機(jī)器碼，無(wú)需再通過(guò) Android 系統(tǒng)中內(nèi)置的編譯器。

總之，方舟編譯器是完全替代了語(yǔ)言虛擬機(jī)的靜態(tài)編譯器，從此不再需要解釋器。相比現(xiàn)有的編譯機(jī)制有以下明顯優(yōu)勢(shì)：

1、方舟編譯器是一種靜態(tài)的編譯方式，而現(xiàn)有的安卓系統(tǒng)，運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序首先啟動(dòng)虛擬機(jī)，然后讀入應(yīng)用代碼逐條解釋執(zhí)行，無(wú)法做到100%做到擺脫虛擬機(jī)，這也是當(dāng)前安卓陣營(yíng)面臨的問(wèn)題。

簡(jiǎn)單一句話(huà)，只要是經(jīng)過(guò)編譯器編譯的應(yīng)用，在應(yīng)用市場(chǎng)上架以后，用戶(hù)下載的APK 就是編譯好的了，方舟編譯的應(yīng)用在開(kāi)發(fā)階段就已完成了。

2、華為方舟編譯器的靜態(tài)編譯方式可將語(yǔ)言里的動(dòng)態(tài)特性直接翻譯成機(jī)器碼，手機(jī)安裝應(yīng)用程序后可全速運(yùn)行程序，徹底干掉了虛擬機(jī)，極大提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

方舟編譯器對(duì)于系統(tǒng)在這方面的提升，官方曾這樣描述：

一、EMUI 9.1對(duì)系統(tǒng)主要服務(wù)System Server進(jìn)行靜態(tài)編譯化，帶來(lái)了系統(tǒng)流暢度提升24%，系統(tǒng)響應(yīng)性能提升44%以上的收益。

二、微博極速版實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)化編譯后，流暢度提升高達(dá)60%。通過(guò)上方演示視頻來(lái)看，經(jīng)過(guò)方舟編譯優(yōu)化的APP，在流暢度度方面的提升很明顯。

03 新的內(nèi)存垃圾回收機(jī)制

此外，方舟編譯器還帶來(lái)了新的系統(tǒng)垃圾回收機(jī)制。以往安卓的垃圾回收機(jī)制是集中回收，由于Java虛擬機(jī)的特點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)不停的地自動(dòng)回收內(nèi)存垃圾，保證內(nèi)存不會(huì)溢出。

更要命的是，當(dāng)內(nèi)存低于某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值后，它就會(huì)自動(dòng)殺掉優(yōu)先級(jí)低的進(jìn)程。系統(tǒng)會(huì)集中關(guān)閉被標(biāo)記的多余進(jìn)程，這就造成了隨機(jī)性的卡頓。相信大家遇到過(guò)這種情況，啟動(dòng)游戲時(shí)，點(diǎn)按應(yīng)用瞬間進(jìn)入前會(huì)感覺(jué)莫名的卡頓，界面像是遲鈍了一下。

而方舟編譯器在這方面有什么不同，它的內(nèi)存回收機(jī)制是隨用隨回收，回收時(shí)不需要暫停應(yīng)用，而是直接回收內(nèi)存垃圾，這大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度和效率。

小結(jié)：方舟編譯器的優(yōu)勢(shì)，可以簡(jiǎn)單總結(jié)為以下五個(gè)方面：

1.安卓程序編譯效果更好

2.安卓應(yīng)用安裝速度更快

3.APP運(yùn)行速度更快

4.系統(tǒng)內(nèi)存垃圾隨用隨清，對(duì)手機(jī)硬件的要求降低

5.省電

04 十年造方舟，為安卓提速為真，支撐鴻蒙也為實(shí)

十年磨一劍，沒(méi)錯(cuò)，華為方舟編譯器準(zhǔn)備了十年之久。2009年，華為啟動(dòng)5G基礎(chǔ)技術(shù)研究的同時(shí)，開(kāi)始創(chuàng)建編譯組，第一批海內(nèi)外研究人員加入。

2013年，華為推出面向基站領(lǐng)域的自研編譯器HCC，并正式提出編譯器框架構(gòu)想。

2014年，眾多海內(nèi)外專(zhuān)家加入華為，方舟項(xiàng)目正式啟動(dòng)。同時(shí)，編譯器領(lǐng)域的頂級(jí)大佬，周志德（Fred Chow）的加入大大增強(qiáng)了研發(fā)實(shí)力

2016年，成立編譯器與編程語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)室。2019年，華為方舟編譯器正式面世！

方舟編譯器既能統(tǒng)一適配安卓機(jī)器語(yǔ)言，自然也能適配成自家系統(tǒng)的機(jī)器語(yǔ)言——鴻蒙OS，方舟編譯器為“安卓提速”為真，但能“支撐鴻蒙”也為實(shí)，它完全可稱(chēng)為讓開(kāi)發(fā)者從安卓到鴻蒙過(guò)渡的“諾亞方舟”。

05對(duì)外開(kāi)源 構(gòu)建生態(tài)

據(jù)悉，方舟編譯器也將開(kāi)放給第三方合作伙伴。其后續(xù)會(huì)在 2019 年 11 月的綠盟開(kāi)發(fā)者大會(huì)實(shí)現(xiàn)完整方舟編譯器代碼開(kāi)源，讓廣大的應(yīng)用開(kāi)發(fā)者、手機(jī)廠商參與，共同構(gòu)建開(kāi)發(fā)者生態(tài)，使安卓體系變得更加完整強(qiáng)大。

未來(lái)方舟編譯器是否能成功，還要看后續(xù)完整生態(tài)的搭建。希望開(kāi)發(fā)者積極參與進(jìn)來(lái)，最終給消費(fèi)者帶來(lái)更為極致的體驗(yàn)。

總結(jié)：

從方舟編譯器我們就能看出華為對(duì)研發(fā)的投入，以及對(duì)未來(lái)生態(tài)搭建的規(guī)劃，或許，想要做一個(gè)操作系統(tǒng)并不難，比如阿里云OS，但難的是未來(lái)完整生態(tài)的構(gòu)建。

無(wú)論怎么看待華為，目前，在國(guó)內(nèi)也只有它有實(shí)力去干這件事情，并不只是說(shuō)說(shuō)而已，華為的終極目標(biāo)很明顯，就是在未來(lái)搭建全方位的生態(tài)。我們期待這項(xiàng)技術(shù)能夠普及開(kāi)來(lái)，促進(jìn)Android體系更加強(qiáng)大，也希望華為能在未來(lái)帶給我們更多驚喜。