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深入學習Android：虛擬機&運行時

02-09

經常在知乎上看到一些「如何深入學習Android」之類的問題，我也曾經寫過一些答案：

  1. Android 程序猿如何繼續深入的研究技術層的知識？請教各位前輩指條明路

  2. Android Framework 如何學習，如何從應用深入到Framework

也有很多別的優秀的回答，但是我總覺得少了點什麼。相比於調像素改顏色做動畫，了解一些系統原理性的知識確實已經深入一步了，但是這還遠遠不夠：我們寫的Apk運行在虛擬機上，而虛擬機又運行在Linux內核上，如果就在虛擬機給我們提供的溫室裡面轉悠，怎麼能算是深入理解呢？

打個比方，談到Android View系統的原理，很多人或許會想到，布局解析流程，View繪製流程，事件傳遞機制，動畫實現原理，等等。但是，從根本上來講，我們App的Activity界面，是如何呈現在用戶面前的？那些個View，又是如何渲染到屏幕上的呢？我們事件的源頭是Window，那Window的事件又是怎麼來的？還有，我們經常講Binder通信機制，我也寫過一些文章（Binder學習指南）這些講解很多都只說明了通信的過程和大致原理，至於數據是如何從一個進程傳輸到另外一個進程的，這些細節我們都不清楚。

說到這裡，已經很清楚了：如果僅僅學習了Android Framework的Java層，並不能算作是「深入Android」，必須深入native層，才能把握整個系統的來龍去脈。眾所周知，Android開發已經趨於飽和，而Android系統上技術的應用也已經進入深水區，如要想提升自己的核心競爭力，必須花心思、花時間，去學習Android的虛擬機 & 運行時。

我相信，有很多小夥伴跟蹤Android Framwork源碼的時候跟著跟著就翻車了——一個native方法掛在那，並不知道裡面幹了些什麼。其實，你離系統真正的原理之間只有一步之遙，就如native和naive一樣；native方法有什麼可怕的呢？照跟不誤。下面，我給出一些我的學習路徑和學習經驗吧，希望能有幫助。

  1. Dex文件格式以及dalvik虛擬機指令。那些知名的反編譯工具smali/baksmali, apktool, dex2jar, jdgui, jadx, jeb...它們是如何工作的，原理是什麼？學完Dex文件格式以及dalvik虛擬機指令，再結合開源項目 jadx ，你會發現自己寫一個反編譯工具也並不是什麼難事。

  2. 類載入。也許你知道ClassLoader機制，了解雙親委派模型，但那不過是皮毛而已。你寫的代碼被打包進Apk之後，系統是如何把這個類載入到內存中並使用的？一個Apk中數萬個方法，查找會有效率問題嗎，如何提高查找以及載入速度？ClassNotFoundException，NoClassDefFoundError是怎麼發生的，他們有啥區別？QQ空間的插件機制preverify又是什麼，redex為什麼可以優化啟動速度？

  3. 進程管理 & 進程通信。當你按下電源鍵開機的時候，發生了什麼？當你點擊桌面App圖標的時候又發生了什麼？各式各樣的系統服務是如何工作的？系統殺進程的時候發生了什麼？從一個App切換到另外一個App又發生了什麼？進程優先順序又是如何確定的？也許你通過學習Java層的framework可以對這些問題說出個一二，但這些最終實現是在虛擬機裡面，在這裡你可以揭開它最神秘的面紗。

  4. 線程調度 你在Java層new Thread的時候發生了什麼？`Process.setThreadPriority` 與 `Thread.setPriority`有什麼區別？虛擬機線程與Linux內核線程有什麼關係，如何協調？如何讓一個線程獲取更多的調度時間？
  5. 內存管理 包括內存分配和垃圾回收（GC）；創建一個對象的時候，背後發生了什麼？Java層可以操作內存嘛？Unsafe的原理又是啥？OOM是如何發生的，如何避免內存泄漏？當我們說對象已死的時候我們在說什麼？作為一個自動內存管理的平台，談性能優化怎麼能不談GC？GC會對應用程序的啟動有多大影響，如何減少甚至避免GC？
  6. 反射機制 一個對象是如何知道自己是誰，擁有哪些成員和方法的？為什麼大家都說避免使用反射，反射的開銷真的很大嗎？
  7. 本地介面(JNI) 我們使用native函數，那麼Java層到底是如何與C/C++通信的？我們在framework裡面見到的Java類裡面大量的`long mObject`有什麼作用（比如AssetManager/DisplayEventReceiver) ？native方法和別的方法調用有何不同，開銷如何呢？加密放so里就真的安全了？
  8. 虛擬機執行流程 這裡面的知識就相當有意思了，我們寫的代碼歸根結底是如何執行的？在Android上調用一個方法的開銷有多大？為什麼感覺TraceView不準？ART虛擬機上的那個AOT又是什麼，為什麼要這麼做？即時編譯又是個啥，為什麼dexposed對ART支持不好？熱更新在Android7上又會遇到什麼困難？如何實現native層的Hook？等等等等。

上面列舉了一些關鍵詞，你可以把這些關鍵詞拿去google，然後自己對著源碼尋找答案；也許你對C++很陌生，那麼就先了解一下C++的知識，特別智能指針，模版（不然根本看不懂）。如果你依然感覺陌生和恐懼，建議閱讀一下《彙編語言》以及《CSAPP》這兩本書，消除一下神秘感和陌生感；當然，我個人不太贊同未雨綢繆，既然決定了，天亮就出發吧，一邊學一邊打基礎，然後真正滴」深入」Android ^_^，如果依然有問題，歡迎與我交流 & 討論。

附參考資料：

  1. 《彙編語言(第3版)》 王爽【摘要 書評 試讀】圖書 這本書非常不錯，作者寫書的理念我非常認同，真正的循循善誘，循序漸進，學習起來非常舒服。看這本書並不意味著你真的要去寫彙編，讀彙編，而是培養一種底層的思維習慣——計算機的原理實際上非常簡單和樸素，這本書幫你消除對2進位，指令，數據，寄存器等的陌生感和恐懼感。

  2. 《C++ Primer(中文版)(第5版)》 斯坦利·李普曼 (Stanley B. Lippman), 約瑟·拉喬伊 (Josee Lajoie), 芭芭拉·默 (Barbara E. Moo), 王剛, 楊巨峰【摘要 書評 試讀】圖書 嗯，要學底層，怎麼能不懂C++呢？我覺得這是每一個程序員必須學習的一門語言，不懂C/C++，永遠無法深入底層。
  3. Dex文件格式
  4. Dalvik虛擬機指令
  5. JNI Tips
  6. 《深入理解Java虛擬機:JVM高級特性與最佳實踐(第2版)》 周志明【摘要 書評 試讀】圖書
  7. Dalvik源碼
  8. ART源碼
  9. 《Android Dalvik虛擬機結構及機制剖析(第2卷):Dalvik虛擬機各模塊機制分析》 吳艷霞, 張國印【摘要 書評 試讀】圖書 這本書怎麼說呢？dalvik已經成為歷史，而且書中措辭和用語也有很多不恰當的地方甚至有謬誤，但還是一本不錯的入門書。雖然dalvik已經廢棄，但是dalvik指令集長存，並且dalvik的實現相對簡單，可以先從dalvik入手來學習Android的運行時。
  10. 讀源碼mac可以選擇understand，當然AndroidXRef 也很不錯，但是它的回退和歷史功能堪憂，還是習慣understand/sourceinsight.

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