Dalvik: bu nədir, virtual maşın və necə işləyir

Dalvik nədir?

Dalvik — xüsusilɘ Android platforması üçün yaradılmış registr arxitekturalı virtual maşın. İşlɘnmə 2005-ci ildə Dan Bornşteynin şirkətindɘ başladı, 2007-ci ildɘ isɘ layihɘ Google tərəfindən satın alındı. Dalvik-in ilk kommersiya versiyası 2008-ci ildɘ Android 1.0 buraxılışı ilɘ birlikdɘ ortaya çıxdı.

Standart Java Virtual Machine-dɘn (JVM) fərqli olaraq, Dalvik Java-bayt-kodunu icra etmir. Java kompilyatoru mənbɘ kodunu class-fayllara çevirir, sonra isɘ dx aləti onları Dalvik Executable (DEX) formatına tərcümə edir. Bu format class-fayllardan daha yığcamdır: class formatında 10 MB olan bir tətbiq DEX-dɘ təxminɘn 6–7 MB yer tutur.

Yaranma tarixi

Dan Bornşteyn Dalvik-i məhdud resurslu əməliyyat sistemlɘri üçün bir layihɘ olaraq yazdı. Adı Islandiyanın Dalvík kəndindɘn götürülmüşdür. Google lisenziya məhdudiyyɘtlɘri və ARM arxitekturası olan mobil prosessorlar üçün dərin optimallaşdırma ehtiyacı səbɘbindɘn JVM əvɘzinɘ Dalvik-i seçdi. Sistem sürətlɘ populyarlıq qazandı: 2012-ci ilɘ qədɘr 500 milyondan çox Android cihazı Dalvik-dɘ işlɘyirdi.

Android ekosistemindɘ rolu

Hɘr bir Android tətbiqi öz Dalvik VM nüsxɘsi ilɘ ayrı prosesdɘ işə salınır. Bu, əmɘliyyat sistemi sɘviyyɘsindɘ məlumatların izolyasiyasını vɘ zɘrərli koddan qorunmanı təmin edir. Belɘ yanaşma virtualizasiyanın üstünlüklɘrini Linux qum qutusu ilɘ birlɘşdirir — bir tətbiqdɘki zɘrərli proqram qonşu proseslɘrɘ təsir edɘ bilmɘz.

Dalvik arxitekturası: registr maşını və DEX

Registr arxitekturası Dalvik JVM-in yığın arxitekturasından prinsipial olaraq fərqlɘnir. Yığının yuxarı hissɘsi ilɘ əmɘliyyatlar əvɘzinɘ, Dalvik registrlɘrlɘ — VM daxilindɘki virtual hücreylɘrlɘ işlɘyir. Hɘr bir təlimat operand registrlɘrinin ünvanlarını ehtiva edir ki, bu da bir əmɘliyyata düşɘn təlimatların sayını azaldır.

JVM yığın maşını push, pop və add kimi təlimatlar istifadɘ edir — iki rəqɘmi toplamaq üçün üç təlimat lazımdır. Dalvik eyni tapşırığı üç registrli bir add-int təlimatı ilɘ hɘll edir. Android Open Source Project məlumatlarına görɘ, DEX-in registr arxitekturası bayt-kodun həcmini yığın class formatı ilɘ müqayisɘdɘ orta hesabla 30% azaldır.

DEX formatı

DEX-faylı (Dalvik Executable) tətbiqin bütün siniflɘrinin sıxışdırılmış təsvirini ehtiva edir. Faylın başlığına yoxlama cəmi, bölmƈ ölçülɘri və yerdɘyişmɘlɘr daxildir. Əsas bölmƈlɘr sɘtir hovuzları, tiplɘr, metod prototiplɘri, sahɘlɘr, metodlar vɘ bayt-kodun özüdür. Bir DEX-faylında 65536 metod saxlanıla bilɘr (Android 5.0-dɘ multi-dex tətbiqi ilɘ bu məhdudiyyɘt aradan qaldırılmışdır).

Class-fayllarını DEX-ɘ çevirmɘk üçün Android SDK Build Tools tɘrkibinɘ daxil olan dx alɘtindɘn istifadɘ edilir. Nümunɘ ɘmri: dx --dex --output=classes.dex myapp.jar. Müasir layihɘlɘr təkmillɘşmiş optimallaşdırma və Java 8+ xüsusiyyɘtlɘri dɘstɘyi ilɘ D8 — dx-in varisindɘn istifadɘ edir.

# JAR-ın dx ilɘ DEX-ɘ çevrilmɘsi
dx --dex --output=classes.dex myapp.jar

# Müasir versiya D8 vasitɘsilɘ
d8 --lib android.jar --output dex/ myapp.jar

Zygote: freymvorkun əvvəlcɘdɘn yüklɘnmɘsi

Zygote prosesi — Dalvik arxitekturasının ən vacib elementidir. Sistem işɘ düşɘrkɘn Zygote Android SDK-nın bütün siniflɘrini yüklɘyir, ümumi kitabxanaları açır vɘ əvvəlcɘdɘn yüklɘnmiş resurslar hovuzu yaradır. İstifadɘçi tətbiqi açdıqda, sistem Zygote prosesini kopyalayır (fork) vɘ hazır freymvorkla yeni Dalvik VM nüsxɘsi yaradır. Bu, tətbiqin işɘ salınma müddɘtini ~2–3 saniyɘdɘn 300–500 millisaniyɘyɘ qədɘr azaldır.

Dalvik-dɘ JIT-kompilyasiyası

JIT (Just-In-Time) — bayt-kodun maşın təlimatlarına tətbiqin icrası zamanı birbaşa kompilyasiya texnologiyası. Dalvik-dɘ JIT-kompilyatoru icra olunan DEX kodunu təhlil edir, tez-tez istifadɘ olunan (hot) metodları müəyyɘnlɘşdirir və onları CPU üçün nativ koda kompilyasiya edir.

Android-in ilk versiyalarında tam Ahead-Of-Time (AOT) kompilyasiyası əvɘzinɘ JIT seçimi şürurlu idi. Mobil cihazlar məhdud flaş yaddaşa (4–16 GB) malik idi — bütün tətbiqlɘrin əvvəlcɘdɘn kompilyasiyası əhɘmiyyɘtli yer tutardı. Bundan əlavɘ, erkɘn cihazlarda ROM yaddaşı operativ yaddaşdan daha yavaş işlɘyirdi vɘ əvvəlcɘdɘn kompilyasiya edilmiş kodun oxunması performansı aşağı sala bilɘrdi.

JIT-kompilyasiya prosesi

Tətbiq işɘ salındıqda, Dalvik DEX-bayt-kodunu interpretasiya etmɘyɘ başlayır. Xüsusi profiler hansı metodların daha tez-tez çağırıldığını izlɘyir. Həddi aşdıqdan sonra (adətɘn ~200 çağırış) JIT-kompilyatoru metodu maşın koduna çevirir və onu RAM-da keşlɘyir. Sonrakı çağırışlar artıq təkrar kompilyasiya olmadan kompilyasiya edilmiş versiyadan istifadɘ edir.

// JIT-in kompilyasiya edɘcɘyi hot-metod nümunɘsi
public class Calculator {
    public int sumArray(int[] arr) {
        int total = 0;
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            total += arr[i];
        }
        return total;
    }
}

JIT performansı

Google I/O 2013 məlumatlarına görɘ, Android 2.2 Froyo-da JIT-in tətbiqi tətbiqlɘrin icrasını təmiz interpretasiya ilɘ müqayisɘdɘ orta hesabla 2–5 dəfɘ sürɘtlɘndirdi. Lakin JIT ilk işɘ salınmada gecikmɘ əlavɘ edir: tətbiqin isinmɘsi və hot-metodların kompilyasiyası üçün 3-dɘn 10 saniyɘyɘ qədɘr vaxt təlɘb olunur. Isindikdɘn sonra performans nativ koda yaxın sɘviyyɘdɘ sabitlɘşir.

Dalvik vs JVM: əsas fərqlɘr

Dalvik JVM-dɘn bir neçɘ fundamental parametrɘ görɘ fərqlɘnir. Birincisi — arxitektura: JVM yığınlı, Dalvik registrlidir. İkincisi — bayt-kod formatı: JVM class-fayllarından, Dalvik isɘ DEX-dɘn istifadɘ edir. Üçüncüsu — yaddaşın idarɘ edilmɘsi: Dalvik mobil cihazların məhdud RAM həcmi üçün optimallaşdırılmışdır.

Hɘr iki yanaşmanın güclü tɘrɘflɘri var. Yığınlı JVM təlimatların saxlanması üçün daha az yer təlɘb edir — hɘr bir təlimat daha qısadır, çünki operandlar yığından gizli şɘkildɘ götürülür. Registrli Dalvik bir əmɘliyyata daha az təlimat icra edir ki, bu da prosessor vaxtına qənaət edir və enerji sɘrfini azaldır. Batareya ilɘ işlɘyɘn mobil cihazlar üçün bu kritikdir.

Lisenziya aspektlɘri

JVM əvɘzinɘ Dalvik seçimi hɘm dɘ lisenziyalaşdırma ilɘ bağlı idi. Oracle Java SE vɘ JVM-ɘ hüquqlara sahibdir və Google lisenziya ödɘnişlɘrindɘn qaçmağa çalışırdı. Alternativ bayt-kod formatı ilɘ öz VM-ni yaratmaq Android-ɘ Oracle-dan asılı olmadan inkişaf etmɘyɘ imkan verdi. Bu mübahisɘ Oracle vs Google (2010–2021) arasında uzun illik məhkɘmɘ prosesinɘ çevrildi və Google-ın xeyrinɘ başa çatdı.

DEX formatı və dx alɘti

DEX (Dalvik Executable) — Android tətbiqinin kompilyasiya edilmiş kodunu ehtiva edɘn ikili format. Hɘr bir DEX-faylı başlıq (header) ilɘ başlayır, ardından bölmƈlɘr gɘlir: sɘtir sabitlɘri (string_ids), tiplɘr (type_ids), metod prototiplɘri (proto_ids), sahɘlɘr (field_ids), metodlar (method_ids), sinif tɘriflɘri (class_defs) və məlumat sahɘsi (data).

dx alɘti Java class-fayllarını bir vɘ ya bir neçɘ DEX-faylına çevirir. İş alqoritmi sabitlɘrin deduplikasiyasını əhatɘ edir — eyni sɘtirlɘr vɘ ya tiplɘr bir dɘfɘ saxlanılır vɘ indekslɘ istinad edilir. Bu, son ölçünü əhɘmiyyɘtli dɘrɘcɘdɘ azaldır. Müasir layihɘlɘrdɘ dx D8 ilɘ (Android Studio 3.1-dɘ ortaya çıxıb) əvɘz edilmişdir, o 2–3 dəfɘ sürɘtli işlɘyir və Java 8 desaqarinqini dɘstɘklɘyir.

// dexdump vasitɘsilɘ dekompilyasiya edilmiş DEX-bayt-kod nümunɘsi
// Mɘnbɘ kodu: return a + b;
@Ldalvik/annotation/Code;
    registers: 3
    add-int v0, v1, v2
    return v0

Multi-dex: 65536 limitinin aşılması

DEX formatının 65536 metod məhdudiyyɘti (16-bit indeks limiti) böyük tətbiqlɘr üçün ciddi problem halına gɘldi. Hɘll Android 5.0-dɘ ortaya çıxdı: multi-dex dɘstɘyi tətbiqɘ bir neçɘ DEX-faylı daxil etmɘyɘ imkan verir. Əsas classes.dex giriş nöqtɘlɘrini ehtiva edir, əlavɘ classes2.dex, classes3.dex və s. isɘ qalan kodu əhatɘ edir. Multi-dex konfiqurasiyası build.gradle faylında multiDexEnabled true sɘtri ilɘ aktivlɘşdirilir.

Yaddaşın idarɘ edilmɘsi və zibil yığımı

Dalvik-dɘ zibil yığımı işaretlɘmɘ vɘ tɘmizlɘmɘ (mark-and-sweep) ilɘ nɘsil (generational) yığıcı kimi héyata keçirilir. Yaddaş iki əsas sahɘyɘ bölünür: obyektlɘr üçün Heap (yığın) vɘ primitivlɘr vɘ istinadlar üçün Stack (yığın). Heap dolduqda Dalvik bütün ipliklɘri dayandırır (STW — Stop-The-World), çatılan obyektlɘri işaretlɘyir vɘ çatılmayanları azad edir.

Android 2.2-yɘ qɘdɘr Dalvik 100–200 ms-ə qɘdɘr fasilɘlɘrlɘ bir iplikli yığıcıdan istifadɘ edirdi. Android 2.3 Gingerbread-dɘ paralel yığıcı ortaya çıxdı, tipik fasilɘlɘri 5–10 ms-ɘ endirdi. Android 4.0 Ice Cream Sandwich-dɘ isɘ hissɘli (incremental) tɘmizlɘmɘ ilɘ yığıcı — Concurrent Mark and Sweep (CMS) əlavɘ edildi.

Yaddaş sızıntıları

Dalvik tətbiqlɘrinin tipik problemi — Activity-yɘ statik istinadlar vasitɘsilɘ yaddaş sızıntıları. Statik sahɘ Context vɘ ya View-ɘ istinad saxlayırsa, zibil yığıcısı ekran bağlansa belɘ Activity-ni azad edɘ bilmɘz. Eclipse MAT vɘ LeakCanary kimi alɘtlɘr belɘ sızıntıları aşkarlamağa kömɘk edir: onlar Heap dump-ını tɘhlil edir vɘ obyekti saxlayan istinad zɘncirlɘrini göstɘrir.

// Statik istinad vasitɘsilɘ yaddaş sızıntısı nümunɘsi
public class Utils {
    private static Context context;

    public static void init(Context ctx) {
        context = ctx; // Activity-ni finish()-ən sonra saxlayır
    }
}

Dalvik məhdudiyyɘtlɘri və ART-ə keçid

Uğura baxmayaraq, Dalvik-in bir sıra çatışmazlıqları var idi. JIT-kompilyasiyası isinmə üçün vaxt təlɘb edirdi — tətbiqin ilk saniyɘlɘri daha yavaş idi. Bundan əlavɘ, JIT kompilyasiya zamanı prosessor enerjisi sɘrf edirdi ki, bu da batareyanın iş müddɘtini azaldırdı. Mobil cihazların performansının artması vɘ daxili yaddaş həcminin çoxalması ilɘ JIT-ɘ ehtiyac azaldı.

Android 4.4 KitKat-dɘ Google Dalvik-ɘ eksperimental əvɘz olaraq ART (Android Runtime)-u təqdim etdi. Android 5.0 Lollipop-dan başlayaraq ART yeganə icra mühiti oldu. Əsas fərq — AOT-kompilyasiyası: iş zamanı kompilyasiya əvɘzinɘ, bütün tətbiqlɘr quraşdırma zamanı maşın koduna kompilyasiya edilir. Bu, isinmɘ gecikmɘlɘrini aradan qaldırdı və enerji sɘmɘrɘliliyini yaxşılaşdırdı.

Geriyɘ uyğunluq

Dalvik-dɘn ART-ə keçid proqramçılar üçün şəffaf oldu: hɘr iki mühit eyni DEX-bayt-kodunu icra edir. Dalvik üçün yığılmış tətbiqlɘr təkrar kompilyasiya olmadan ART-ə işlɘyir — system_server onları quraşdırma zamanı nativ koda kompilyasiya edir. İstisna, Dalvik VM-nin daxili üzvlɘrinɘ daxil olmaq üçün refleksiyadan istifadɘ edɘn koddur: belɘ kod daxili arxitekturanın dɘyişmɘsi sɘbɘbindɘn ART-dɘ işlɘmɘyɘ bilɘr.