【Android Dalvik虚拟机探索之路系列】之一：Dalvik虚拟机简介

作者：郭嘉
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【Android SDK程序逆向分析与破解系列】章节索引

【Android SDK程序逆向分析与破解系列】之一：Android安装程序APK分析
【Android SDK程序逆向分析与破解系列】之二：Android可执行程序DEX分析（一）
【Android SDK程序逆向分析与破解系列】之三：Android可执行程序DEX分析（二）
【Android SDK程序逆向分析与破解系列】之四：Android可执行程序ODEX分析
【Android SDK程序逆向分析与破解系列】之五：Android APK的静态分析

一 Dalvik虚拟机的特点

Android Dalvik虚拟机出自于Dan Bomstein之手，它作为Android平台的核心组件，具有以下几个方面的特点。

• 体积小，占用内存空间小；
• 专有的DEX可执行文件，体积更小，执行速度更快；
• 常量池采用32位索引值，寻址类方法名、字段名和常量更快；
• 基于寄存器架构，并拥有一套完整的指令系统；
• 提供了对象的生命周期管理、堆栈管理、安全管理和异常管理以及垃圾回收等重要功能
• 所有的Android程序都运行在Android的系统进程里，每个进程对应着一个Dalvik虚拟机实例。

二 Dalvik虚拟机和Java虚拟机的区别

1 Dalvik虚拟机运行的是Dalvik字节码，Java虚拟机运行的是Java字节码。

2 Dalvik虚拟机基于寄存器，指令执行较快，但是需要更多的指令缓冲，指令更易失效。Java虚拟机基于栈，指令指令缓冲空间小，但执行相对较慢，需要耗费更多的CPU时间。

3 Dalvik虚拟机使用dex格式打包类文件，各个类中重复的字符串可以只保存一次，更加节省空间。Java虚拟机使用class格式打包类文件。
Android SDK使用DX工具将Java字节码转换为Dalvik字节码，生成DEX文件，常见的优化如下所示：

• 将get/put指令中的field index转换为byte offset – 加快实例成员变量访问速度。
• 将boolean/byte/char/short变种的get/put指令统一转换为32位的get/put指令 – 减小VM解释器的大小，从而更有效地利用CPU的i-cache。
• 将高频调用的函数，例如String.length，转换为inline函数 – 消除函数调用开销。
• 移除空函数，例如Object. -消除空函数调用。
• 将可以预先计算的数据进行预处理，例如预先生成VM根据class name查询class的hash table – 节省Dex文件加载时间以及内存占用空间。

jar文件转换为DEX文件的过程如下图所示：

三 Dalvik虚拟机启动和执行程序的流程

1. Android系统启动并加载内核；
2. 执行init进程，init进程进行设备初始化工作，然后读取inic.rc文件并启动系统中重要的外部程序Zygote；
3. Zygote启动后，首先初始化Dalvik虚拟机，然后启动system_server并进入Zygote模式，通过socke等候命令。
4. 当执行Android程序时，system_server进程通过Binder IPC方式发送命令给Zygote，Zygote收到命令后通过fork自身创建一个Dalvik虚拟机实例来执行应用程序入口函数。当fork成功后，执行工作就由Dalvik虚拟机来完成。

Zygote启动流程如下图所示：

Dalvik执行程序流程

1. 虚拟机线程
2. 装载程序类，由loadClassFromDex()函数完成，解析成功的类会拥有一个ClassObject类型的数据存储在运行时环境中，Dalvik虚拟机使用gDvm.loadedClasses()全局哈希表来存储与查询装载进来的类；
3. 验证字节码，由dvmVerifyCodeFlow()函数对装入的代码进程校验；
4. 查找主类，由FindClass()函数查找并装载main()方法类；
5. 执行字节码流，由dvmInterpre()函数来初始化解析器并执行字节码流。

Zygote提供了三种创建进程的方法：

• fork()，创建一个Zygote进程,该方式不常用。
• forkAndSpecialize()，创建一个非Zygote进程。
• forkSystemService()，创建一个系统服务进程。

四 Dalvik虚拟机的即时编译

即时编译（Just in time Compilation），又称动态编译，是一种运行时将字节码翻译成机器码的技术。
JIT包含两种编译方式：

• method方式：这个很好理解，就是以函数或方法为单位进行编译。
• trace方式：程序在真正执行的时候很少会顺序执行，因此会分为，冷路径：不经常被执行的路径。热路径：经常被执行的路径。所谓trace方式编译，就是可以快速获取热路径代码，使用更短的时间和更少的内存来编译代码。

Dalvik虚拟机默认使用trace方式编译代码，同时也保留了method方式。

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