龔宇潔

方舟編譯器初探＊

龔宇潔

（武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

2019-04，華為首次公開了自主研發(fā)的方舟編譯器，2019-08-31開源編譯器框架代碼，從華為的設(shè)計思想和框架設(shè)計來看，方舟編譯器將會在業(yè)界帶來一場安卓性能革命。作為一名Android開發(fā)者，對方舟有限的資源和開源內(nèi)容進行了學(xué)習(xí)和解讀，結(jié)合安卓編譯器發(fā)展的研究，對方舟編譯器進行了初步的探索。

方舟編譯器；Android；多語言設(shè)計；設(shè)計方案

1 概述

2019-04，華為舉行了P30手機發(fā)布會，在展示手機產(chǎn)品的同時，首次公開了華為自主研發(fā)的方舟編譯器，稱之為“安卓性能革命”，能夠解決安卓程序“邊解釋邊執(zhí)行”的低效，構(gòu)級優(yōu)化，顯著提升性能。系統(tǒng)操作流暢度提升24%，系統(tǒng)響應(yīng)提升44%，三方應(yīng)用操作流暢度提升60%，并將測試視頻進行了展示，同時承諾向業(yè)界開源。2019-08-31，華為方舟編譯器開源官網(wǎng)正式上線，開源編譯器框架代碼，包括編譯器IR（Intermediate Representation）、RC（Reference Counting）和多語言設(shè)計思想等，用于與行業(yè)、學(xué)術(shù)界交流和學(xué)習(xí)。雖然華為還沒有開源完整的方舟編譯器，但從華為的設(shè)計方案和框架設(shè)計來看，方舟編譯器確實能提升安卓應(yīng)用程序的運行效率，這將會在業(yè)界帶來一場安卓性能革命。

2 基本概念

2.1 機器語言

對于編程常用的C/C++程序語言或Java程序語言，計算機識別不了，計算機只能識別和執(zhí)行用“0”“1”這樣的二進制數(shù)所表示的指令，用二進制數(shù)表示的指令的集合稱之為機器語言。在計算機誕生初期，程序員在紙帶上打孔表示1，不打孔表示0，再將紙帶輸入計算機運算，但在現(xiàn)代無法實現(xiàn)。

2.2 匯編語言

匯編指令是匯編語言的主體。機器指令運用的是“0”“1”的組合，而匯編指令的格式更容易書寫和記憶，例如“MOV AX，BX”將寄存器BX的內(nèi)容發(fā)送到AX上。匯編語言程序和硬件相關(guān)，不同的處理器匯編指令可能不同。程序員用匯編語言編寫程序比較復(fù)雜。

2.3 高級語言

目前常用的C/C++、java等都是高級語言，高級語言從人類習(xí)慣的語言結(jié)構(gòu)出發(fā)，更容易讀懂和表達，高級語言與指令或者硬件的相關(guān)度低，更多是對數(shù)據(jù)的運算和控制，通過算法實現(xiàn)具體功能。

高級語言程序需要通過編譯器變成匯編程序，然后通過匯編器變成機器代碼，最后才能被計算機執(zhí)行。其中C/C++是編譯語言，靜態(tài)編譯，即編譯器直接將程序編譯成機器碼，安裝到硬件設(shè)備上就能執(zhí)行。而Java為了實現(xiàn)跨平臺的操作，運用虛擬機來調(diào)度硬件資源，虛擬機中包含了翻譯器或編譯器，Java是預(yù)編譯語言，動態(tài)編譯，在開發(fā)環(huán)境中將源碼轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼，再由虛擬機中的編譯器或解釋器轉(zhuǎn)換為機器語言。

3 安卓編譯器

Android應(yīng)用程序基于Java語言，所以都是依靠虛擬機進行編譯或解釋的。2008年，Android1.0使用的是Dalvik的虛擬機，里面集成了一個解釋器，用戶每一次打開Android應(yīng)用程序時，解釋器就開始翻譯。它的執(zhí)行方式是一邊翻譯一邊執(zhí)行，因此其執(zhí)行效率很低。2010年發(fā)布的Android 2.2使用了JIT（Just in Time）即時編譯機制，即當(dāng)Android應(yīng)用程序運行時，會同時將用戶經(jīng)常使用的功能編譯為機器能直接執(zhí)行的機器碼，而不是碰到一句執(zhí)行一句。當(dāng)用戶使用了不常用的功能時，再讓解釋器進行翻譯。但缺點是不能一勞永逸，每次啟動應(yīng)用程序都要重新編譯。2014年發(fā)布的Android 5.0，將Dalvik虛擬機換成了性能更好的ART（Android Run Time），同時把AOT （Ahead of Time）編譯器替代了JIT。AOT是指應(yīng)用程序在手機安裝時就把代碼先編譯成機器碼，這樣就不需要每次打開應(yīng)用程序的時候重新編譯。但其有2個缺點：①占用存儲空間，編譯后的機器碼體積迅速膨脹；②程序安裝速度慢。

對于2017年的Android 7.0，Google對其進行了改進，采用AOT+JIT+解釋執(zhí)行的方式，應(yīng)用程序安裝時不執(zhí)行編譯，安裝速度快。應(yīng)用之后，系統(tǒng)收集經(jīng)常被傳輸?shù)拇a信息，設(shè)備空閑時直接把這些代碼編譯為機器碼（AOT）。剩下的部分在運行時通過JIT和解釋器實現(xiàn)，用時間換效率，達到一種平衡。但無論如何演變，仍然只是在虛擬機上進行優(yōu)化，虛擬機+編譯器+解釋器的結(jié)構(gòu)本身就是一種對硬件資源的占用，Java這樣的預(yù)編譯解釋型語言，每執(zhí)行一行代碼，先有解釋器解釋機器碼，然后再去執(zhí)行。其優(yōu)點是不同平臺只需要換用不同的解釋器；缺點是運行效率低下，程序的運行性能仍無法得到最大發(fā)揮。

Android編譯器演變?nèi)绫?所示。

表1 Android編譯器演變

Android版本1.02.25.07.0 虛擬機DalvikDalvikARTART 編譯機制解釋器JIT+解釋器AOTAOT+ JIT+解釋器

Android 1.5系統(tǒng)之后Google允許Java通過JNI（Java Native Interface）Java原生接口去調(diào)用一些由C/C++代碼開發(fā)的so庫，來實現(xiàn)和C/C++等代碼的互交。兩種不同框架的語言相互調(diào)用，JNI需要調(diào)用硬件資源來做調(diào)度，這種機制效率也很低。

當(dāng)內(nèi)存資源不足時，C/C++需手動釋放內(nèi)存，而Java可以自動釋放內(nèi)存，Java虛擬機將會不定期自動回收不再被使用的對象，這也是Java語言的重要優(yōu)點。但同時也造成了一些問題，當(dāng)內(nèi)存資源不夠時，虛擬機運用GC（Garbage Collection）機制進行內(nèi)存資源回收，Java虛擬機所有運行的線程將會暫停。雖然這個過程很短暫，但用戶是無法準確控制的，如果是性能較差的手機可能還會出現(xiàn)“間歇性”卡頓的現(xiàn)象。

4 方舟編譯器初探

據(jù)官網(wǎng)介紹，方舟編譯器是為支持多種編程語言、多種芯片平臺的聯(lián)合編譯、運行而設(shè)計的統(tǒng)一編程平臺，包含編譯器、工具鏈、運行時等關(guān)鍵部件。從開源框架來看有以下特點。

4.1 徹底摒除了虛擬機

方舟編譯器也屬于AOT，所采用的機制是在程序編譯打包的時候已經(jīng)將Java代碼轉(zhuǎn)換成機器碼，將Java原本的動態(tài)編譯改為靜態(tài)編譯，這樣提供給用戶的安裝文件所包含就已經(jīng)是機器碼了，不需要在用戶的手機上進行編譯，即使是應(yīng)用程序安裝后首次運行也會非常流暢。

4.2 支持多語言

方舟編譯器將同時支持Java和C/C++多種語言，包括混合語言，各種語言實現(xiàn)統(tǒng)一的編譯器中間表示（IR），使各種程序語言代碼在開發(fā)者環(huán)境中編譯成統(tǒng)一的可直接執(zhí)行的機器碼，具體如圖1所示。

圖1 多語言支持

4.3 消除卡頓

方舟編譯器采用了引用計數(shù)法（RC，Reference Counting）來進行內(nèi)存的實時回收，并且配合使用了專門的消除環(huán)算法（消除對象互相引用帶來的無法回收問題），來避免GC集中式回收帶來的系統(tǒng)卡頓。相比GC，方舟的內(nèi)存回收是實時的而非集中式的，且不需要暫停應(yīng)用進程，這樣便大大消除了卡頓。

4.4 生成so庫

方舟編譯器的工作原理：生成的安裝包改變了Android原本的apk格式規(guī)則，但有可能目前的Android是無法兼容的，但從官網(wǎng)的演示代碼來看，輸出了so庫，so庫是C/C++通過Android的 ndk編譯之后生成的本地庫，是Android系統(tǒng)支持的，形成so庫能夠保證最后生成的安裝包文件和原生的apk文件格式一致；虛擬機的自動回收內(nèi)存資源的工作也不需啟動，“間歇性”卡頓現(xiàn)象消失。

5 結(jié)語

從官方發(fā)布的內(nèi)容看，方舟編譯器強大，始于安卓，強于安卓，趕超IOS，但是由于目前只開源的框架源碼和部分功能演示，所以方舟編譯器的具體表現(xiàn)如何還有待考證。既然方舟編譯器支持多語言和多種硬件平臺，是否會發(fā)布一個與AndroidStudio類似的開發(fā)平臺，也是值得期待的。中國計算機行業(yè)最根本的編譯器、操作系統(tǒng)、芯片等領(lǐng)域還是比較落后的，而華為是國內(nèi)為數(shù)不多有這個能力，并且愿意投入人力和物力在這幾個領(lǐng)域的企業(yè)，華為需要的是時間，人們期待著方舟，期待著鴻蒙。

TP314

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.018

2095－6835（2019）23－0047－02

龔宇潔（1984—），女，碩士研究生，研究方向為電子計算機。

2017年武漢市教育局教學(xué)研究項目“‘互聯(lián)網(wǎng)+’背景下《Android應(yīng)用開發(fā)》課程學(xué)生自主學(xué)習(xí)策略研究”（編號：2017162）

〔編輯：張思楠〕