Android ART在玄鐵C910上的移植和性能優(yōu)化

在過去的3年里，我們在玄鐵C910上分別移植了Android 10和Android 12，在ART上我們也做了一些更加深入的優(yōu)化。在今年 RISC-V 美國峰會上，我們介紹了在ART上移植和優(yōu)化過程和最近進展，在本文中也將分享這些工作。

在進入ART優(yōu)化工作介紹前，先簡單看一下ART是什么。在Android中，所有的程序都是基于java來編寫的，Android SDK會把java字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成dex字節(jié)碼。那么Android中的程序都離不開dex虛擬機。在Lolipop采用的是dalvikvm，而從Lolipop開始，ART替代了dalvikvm。

ART的執(zhí)行的過程概述

相比于dalvikvm，ART在最開始的時候（Lolipop），引入全新的執(zhí)行模式AHead-Of-Time(AOT)。應(yīng)用程序在安裝過程中，其.dex字節(jié)碼會被編譯成machine code，應(yīng)用程序會以machine code的方式執(zhí)行，大大提高了程序的執(zhí)行效率。

純AOT的方式會使程序的安裝過程變得非常長，因此在Android N的時候，引入新的JIT執(zhí)行流程。在JIT執(zhí)行模式下，應(yīng)用程序的dex字節(jié)碼（cold）會先通過解釋器（interpreter）進行解釋執(zhí)行，當發(fā)現(xiàn)其中的方法是熱點方法（hot）時，ART的JIT編譯器就會開始工作，將熱點方法編譯成machine code。在后續(xù)調(diào)用到該熱點方法時，將會采用machine code進行執(zhí)行。

ARTforRISC-V支持

在介紹完ART在Android上的基礎(chǔ)工作原理后，再來回顧一下玄鐵團隊在兩個Android版本上的支持情況。

Android10支持

2020年的時候，我們就開始了在Android 10上支持 RISC-V 的工作。前期工作主要包括內(nèi)核和驅(qū)動程序的準備，Clang編譯器和build系統(tǒng)的支持，Bionic庫支持，Shell啟動支持。

在此基礎(chǔ)上，ART先實現(xiàn)了JNI calling Convention和一些Runtime接口的支持，可以在20分鐘左右能啟動到Launcher界面。我們先后在ART上采用RV64GC指令集增加了Mterp匯編解釋器以及JIT/AOT編譯器，基于這兩個編譯器的優(yōu)化，極大提高了Launcher啟動時間，分別提高到10分鐘和1分鐘。

Android12支持

2022年開始，我們又在Android 12上再一次支持了 RISC-V。有了前一次經(jīng)驗，在Android 12上的支持變得輕車熟路。相比于Android 10的移植工作，這一次有了新的硬件平臺TH1520，同時更新了Clang編譯，并采用玄鐵優(yōu)化的Clang15版本，也更新了Binonic。

在ART上，本次增加Nterp解釋器，用于減少方法調(diào)用的鏈路，提高頻繁方法調(diào)用場景下的性能。由于采用Clang15編譯器支持了玄鐵擴展指令集，因此在ART上也增加這一部分針對玄鐵的特性優(yōu)化。經(jīng)過一系列的優(yōu)化工作以后，Android 12在TH1520上在開啟更多的服務(wù)的情況下，Launcher啟動時間再一次得到提升，達到了47秒。

社區(qū)貢獻

在移植Android的過程中，我們也積極參與社區(qū)的貢獻，避免大家重復(fù)造輪子。自2022年9月，我們在AOSP社區(qū)開始陸續(xù)提交相關(guān)的Porting改動。在ART上，目前貢獻超過了80個Commit。特別感謝來自Google的Vladimir Mark、Ulya Trofimovich和Santiago Aboy Solanes細致的代碼審查工作，完成代碼review、驗證以及修改，保證代碼高質(zhì)量合入。

玄鐵擴展指令集優(yōu)化改進

在最近的優(yōu)化工作中，我們在ART中增加了玄鐵擴展指令的支持。玄鐵擴展指令主要分為整數(shù)計算、內(nèi)存讀寫、bit操作以及Vector v0.7指令集?；谶@些指令集，ART中的優(yōu)化內(nèi)容包括編譯器部分的優(yōu)化器、指令生成器，運行時庫的匯編解釋器、Quick Entries等等。除了在ART采用玄鐵擴展指令集進行優(yōu)化以外，還在Bionic中對C庫、數(shù)學庫進行了優(yōu)化。

玄鐵擴展指令相比于RV64GC指令集，有較大的性能收益：

CaffeineMark，對于整數(shù)部分有超過15%的性能提升，對于浮點，方法調(diào)用也有4%的提升

SCIMath2，大部分用例都有超過15%的性能提升，小部分SOR/MonteCarlo提升并不明顯

其他一些編程語言上的結(jié)果也有較大的提升，最高的能達到約5倍

結(jié)語

RISC-V 在Android上才剛剛起步，ART上還有很多軟件、硬件的優(yōu)化需要繼續(xù)支持。非常幸運能參與這一歷史性的事情，與全球開發(fā)者共同推動Android在 RISC-V 上的適配。

希望社區(qū)里有興趣的同學可以關(guān)注 RISC-V Android SIG以及Google RISCV64社區(qū)，共同討論參與貢獻。

審核編輯：湯梓紅