在過(guò)去的3年里，我們?cè)谛FC910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(guó)峰會(huì)上，我們介紹了在ART上移植和優(yōu)化過(guò)程和最近進(jìn)展，在本文中也將分享這些工作。

在進(jìn)入ART優(yōu)化工作介紹前，先簡(jiǎn)單看一下ART是什么。在Android中，所有的程序都是基于java來(lái)編寫(xiě)的，Android SDK會(huì)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(kāi)dex虛擬機(jī)。在Lolipop采用的是dalvikvm，而從Lolipop開(kāi)始，ART替代了dalvikvm。

ART的執(zhí)行的過(guò)程概述

相比于dalvikvm，ART在最開(kāi)始的時(shí)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(guò)程中，其.dex字節(jié)碼會(huì)被編譯成machine code，應(yīng)用程序會(huì)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(huì)使程序的安裝過(guò)程變得非常長(zhǎng)，因此在Android N的時(shí)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(huì)先通過(guò)解釋器（interpreter）進(jìn)行解釋執(zhí)行，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其中的方法是熱點(diǎn)方法（hot）時(shí)，ART的JIT編譯器就會(huì)開(kāi)始工作，將熱點(diǎn)方法編譯成machine code。在后續(xù)調(diào)用到該熱點(diǎn)方法時(shí)，將會(huì)采用machine code進(jìn)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(lái)回顧一下玄鐵團(tuán)隊(duì)在兩個(gè)Android版本上的支持情況。

Android10支持

2020年的時(shí)候，我們就開(kāi)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(dòng)程序的準(zhǔn)備，Clang編譯器和build系統(tǒng)的支持，Bionic庫(kù)支持，Shell啟動(dòng)支持。

在此基礎(chǔ)上，ART先實(shí)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(dòng)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(gè)編譯器的優(yōu)化，極大提高了Launcher啟動(dòng)時(shí)間，分別提高到10分鐘和1分鐘。

Android12支持

2022年開(kāi)始，我們又在Android 12上再一次支持了 RISC-V。有了前一次經(jīng)驗(yàn)，在Android 12上的支持變得輕車(chē)熟路。相比于Android 10的移植工作，這一次有了新的硬件平臺(tái)TH1520，同時(shí)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(chǎng)景下的性能。由于采用Clang15編譯器支持了玄鐵擴(kuò)展指令集，因此在ART上也增加這一部分針對(duì)玄鐵的特性優(yōu)化。經(jīng)過(guò)一系列的優(yōu)化工作以后，Android 12在TH1520上在開(kāi)啟更多的服務(wù)的情況下，Launcher啟動(dòng)時(shí)間再一次得到提升，達(dá)到了47秒。

社區(qū)貢獻(xiàn)

在移植Android的過(guò)程中，我們也積極參與社區(qū)的貢獻(xiàn)，避免大家重復(fù)造輪子。自2022年9月，我們?cè)贏OSP社區(qū)開(kāi)始陸續(xù)提交相關(guān)的Porting改動(dòng)。在ART上，目前貢獻(xiàn)超過(guò)了80個(gè)Commit。特別感謝來(lái)自Google的Vladimir Mark、Ulya Trofimovich和Santiago Aboy Solanes細(xì)致的代碼審查工作，完成代碼review、驗(yàn)證以及修改，保證代碼高質(zhì)量合入。

玄鐵擴(kuò)展指令集優(yōu)化改進(jìn)

在最近的優(yōu)化工作中，我們?cè)贏RT中增加了玄鐵擴(kuò)展指令的支持。玄鐵擴(kuò)展指令主要分為整數(shù)計(jì)算、內(nèi)存讀寫(xiě)、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(yùn)行時(shí)庫(kù)的匯編解釋器、Quick Entries等等。除了在ART采用玄鐵擴(kuò)展指令集進(jìn)行優(yōu)化以外，還在Bionic中對(duì)C庫(kù)、數(shù)學(xué)庫(kù)進(jìn)行了優(yōu)化。

玄鐵擴(kuò)展指令相比于RV64GC指令集，有較大的性能收益：

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

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

其他一些編程語(yǔ)言上的結(jié)果也有較大的提升，最高的能達(dá)到約5倍

結(jié)語(yǔ)

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(yùn)能參與這一歷史性的事情，與全球開(kāi)發(fā)者共同推動(dòng)Android在 RISC-V 上的適配。

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

審核編輯：湯梓紅