嵌入式設(shè)備Java平臺(tái)及其虛擬機(jī)技術(shù)

無線手持設(shè)備市場(chǎng)對(duì)Java產(chǎn)生了巨大的需求增長，目前每10臺(tái)新出手機(jī)中就有8臺(tái)支持Java。本文關(guān)注嵌入式設(shè)備Java平臺(tái)的性能問題，詳細(xì)介紹振戎融通自主研發(fā)的Java虛擬機(jī)產(chǎn)品——JMO＋（JMOplus）的性能優(yōu)化技術(shù)。

在過去的幾年里，Java已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是無線移動(dòng)領(lǐng)域，全球180多個(gè)移動(dòng)運(yùn)營商已經(jīng)推出了Java下載服務(wù)。無線手持設(shè)備市場(chǎng)對(duì) Java產(chǎn)生了巨大的需求增長，目前每10臺(tái)新出手機(jī)中就有8臺(tái)支持Java。廣大的消費(fèi)者，運(yùn)營商，服務(wù)/內(nèi)容提供商以及手機(jī)制造商強(qiáng)烈渴望手機(jī)的 Java性能更加強(qiáng)勁，支持更多更復(fù)雜的應(yīng)用，為產(chǎn)業(yè)鏈各方帶來更多商機(jī)和收入，為用戶帶來更豐富多彩的增值應(yīng)用。

北京振戎融通通信技術(shù)有限公司（以下簡稱振戎融通）一直致力于嵌入式Java技術(shù)的研究、開發(fā)和推廣，立志通過對(duì)國際先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、掌握和創(chuàng)新，迅速實(shí)現(xiàn)專有技術(shù)的國產(chǎn)化，最終擁有整套先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本文著重關(guān)注嵌入式設(shè)備Java平臺(tái)的性能問題，詳細(xì)介紹振戎融通自主研發(fā)的Java虛擬機(jī)產(chǎn)品—— JMO＋（JMOplus）的性能優(yōu)化技術(shù)。

Java功能和性能支持

嵌入式Java經(jīng)過幾年的蓬勃發(fā)展，所支持的應(yīng)用越來越豐富，功能也越來越強(qiáng)大，諸如3D游戲、多人聯(lián)網(wǎng)等更高級(jí)的支持也已紛紛涌現(xiàn)。運(yùn)營商和手機(jī)制造商希望出現(xiàn)更具可玩性的游戲，并期望充分利用 Java技術(shù)發(fā)展諸如商務(wù)、定位、視頻等各種各樣的增值服務(wù)，以期帶來更多收入。

為了支持這些新的業(yè)務(wù)，Java虛擬機(jī)必須不斷集成新的API。因此， JCP（Java Community Process）這一業(yè)界唯一的Java標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)不斷制定、發(fā)布相應(yīng)功能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 2004年振戎融通公司正式成為JCP成員，并且是幾個(gè)重要JSR 標(biāo)準(zhǔn)的專家組成員，參與這些標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。振戎融通JMO＋產(chǎn)品最為廣泛的支持了現(xiàn)在比較流行和通用的JSR標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)市場(chǎng)的需求和客戶的需要提供一些擴(kuò)展功能的支持，在功能上能夠提供給一個(gè)功能強(qiáng)大的移動(dòng)Java運(yùn)行平臺(tái)，能夠讓用戶感受到JAVA的豐富多彩，可以說JMO＋產(chǎn)品在功能支持方面處于行業(yè)的領(lǐng)先地位。

北京振戎融通通信技術(shù)有限公司針對(duì)市場(chǎng)的需求，在JMO＋性能方面運(yùn)用了多種技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)不同的硬件平臺(tái)采用不同的優(yōu)化技術(shù)，以提供最優(yōu)的性能體驗(yàn)。

Java虛擬機(jī)的性能瓶頸

Java 是一種解釋執(zhí)行的語言，它的優(yōu)勢(shì)是“一次編譯，到處運(yùn)行”，因此Java具有很好的可移植性，開發(fā)和發(fā)布Java應(yīng)用都很便捷，快速上市，節(jié)約成本；另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是Java字節(jié)碼代碼密度高，程序體積較小，便于進(jìn)行下載，和裝入資源有限的嵌入式設(shè)備中。這種優(yōu)勢(shì)是明顯的，但對(duì)于嵌入式Java來說，由于其機(jī)制而帶來了不可避免的性能瓶頸。業(yè)界針對(duì)這個(gè)性能瓶頸都在尋找各自不同的解決之道，振戎融通在這方面也進(jìn)行深入的研究，在解決這個(gè)性能瓶頸的方面取得了不菲的成績，性能解決方案處于業(yè)界領(lǐng)先地位。

Java性能優(yōu)化方案

加快Java執(zhí)行速度的方法包括幾種軟件方案，如字節(jié)碼解釋器優(yōu)化、即時(shí)編譯器、預(yù)先編譯器、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)編譯（DAC）等。這些方法都能在一定程度上提高Java的性能，但同時(shí)也會(huì)帶來一些負(fù)面影響，比如這些軟件方案通常會(huì)增加對(duì)功耗、內(nèi)存的需求，或是延長啟動(dòng)時(shí)間以致系統(tǒng)存在停頓感等現(xiàn)象。

硬件的解決方案有專用Java處理器和 Java協(xié)處理器，以及ARM推出的Jazelle DBX硬件指令集。這些方案在解決Java的效率方面的確發(fā)揮了重要作用，并有可能是今后的一個(gè)發(fā)展方向，特別是Jazelle技術(shù)。但是，硬件的解決方案將增加硬件成本和嵌入式設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，并降低靈活性，這是設(shè)備制造商不愿意接受。因此，硬件的解決方案可以用于高端市場(chǎng)，但對(duì)成本敏感的中低端市場(chǎng)來說，該方案存在成本壓力。

JIT和AOT編譯器

JIT或 AOT編譯器是把字節(jié)碼動(dòng)態(tài)地編譯成目標(biāo)平臺(tái)的本地碼，然后直接執(zhí)行。顧名思義，AOT編譯方案就是在應(yīng)用下載完后編譯所有代碼，而實(shí)際上，某些代碼很有可能根本就執(zhí)行不到。JIT編譯方案則是在運(yùn)行到某段代碼之前，才對(duì)這一段代碼作即時(shí)編譯。這種即時(shí)處理策略會(huì)讓用戶在選擇啟動(dòng)應(yīng)用程序后，需要等待很長一段時(shí)間，程序才真正運(yùn)行起來。另外，有研究顯示，動(dòng)態(tài)編譯會(huì)導(dǎo)致代碼大小增大4~6倍。因此，除了降低應(yīng)用程序的啟動(dòng)速度外，無論JIT還是AOT方案，都需要很大的額外內(nèi)存來保存編譯生成的本地碼。

DAC動(dòng)態(tài)自適應(yīng)編譯

動(dòng)態(tài)自適應(yīng)編譯（DAC）是一種彌補(bǔ) JIT編譯器缺點(diǎn)的方法。它采用通常被稱為的混合軟件方案，可以被看成是JIT編譯器和字節(jié)碼解釋器的組合。在開始階段，程序解釋器開始執(zhí)行，同時(shí)軟件對(duì)代碼進(jìn)行分析并決定哪些關(guān)鍵代碼需要被編譯，這些關(guān)鍵代碼被鑒別出來后，即被編譯成本地碼運(yùn)行。

Jazelle DBX技術(shù)

Jazelle DBX 是一種硬件架構(gòu)擴(kuò)展技術(shù)，為ARM處理器引入了第三套指令集—Java字節(jié)碼。新指令集建立了一種新的狀態(tài)，處理器在此狀態(tài)下處理Java字節(jié)碼取指、譯碼和維護(hù)Java操作數(shù)棧。這種硬件架構(gòu)擴(kuò)展技術(shù)，重用已有的處理器資源不會(huì)增加額外的硬件成本和功耗，帶擴(kuò)展的內(nèi)核能夠同時(shí)執(zhí)行Java字節(jié)碼及本地碼，開發(fā)者可以充分利用已有的操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)，在Java程序可移植性和性能之間取得很好的平衡。

JMOplus的性能優(yōu)化方案

振戎融通在解決性能優(yōu)化問題時(shí)，深入的分析了目前的軟件和硬件的解決方案，總結(jié)其中的優(yōu)勢(shì)和弊端，綜合運(yùn)用了這些優(yōu)化方法，并進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。

每一種優(yōu)化方法都有其存在的道理，針對(duì)某種情況的優(yōu)化效果是最好的，但在某種情況下，其弊端表現(xiàn)的又十分的明顯，我們經(jīng)過了大量的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，將各種性能優(yōu)化方案有機(jī)的結(jié)合在一起，讓他們共同發(fā)揮作用，即解決了性能的優(yōu)化，又在相當(dāng)?shù)某潭壬媳苊庖驗(yàn)橐雰?yōu)化算法而帶來的負(fù)面影響。

比如采用 AOT和DAC的結(jié)合方案，通過大量的應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，找出調(diào)用頻度最高的Java API進(jìn)行AOT，這樣即得到了AOT的快速執(zhí)行，又最大限度的控制了因?yàn)锳OT而帶來的體積膨脹，優(yōu)化DAC的選擇算法，使得Java虛擬機(jī)避免陷入盲目的編譯過程，制定DAC的執(zhí)行時(shí)機(jī)，在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉DAC功能，這樣不會(huì)因?yàn)镈AC的編譯而讓用戶忍受漫長的應(yīng)用啟動(dòng)階段。

根據(jù)不同的終端，動(dòng)態(tài)的調(diào)整AOT和DAC的搭配比例，比如，在RAM相對(duì)ROM空間需求寬松時(shí)，將DAC的比例提高；在ROM相對(duì)RAM空間需求相對(duì)寬松時(shí)，將AOT的比例提高。

在支持Jazelle指令集的情況下，加入Jazelle加速技術(shù)，并調(diào)整AOT和DAC的相關(guān)參數(shù)，將Jazelle支持的Java指令，并不進(jìn)行AOT和DAC的優(yōu)化，而直接由芯片直接執(zhí)行，這樣即增加了效率而且節(jié)省了功耗。

還進(jìn)行市場(chǎng)的進(jìn)一步細(xì)分，比如針對(duì)游戲市場(chǎng)，定位市場(chǎng)，商務(wù)市場(chǎng)等，每個(gè)細(xì)分市場(chǎng)，其運(yùn)行的Java應(yīng)用都會(huì)有所側(cè)重，進(jìn)而其使用和調(diào)用的Java API的頻度分布也是不同的，根據(jù)調(diào)用頻度的分布，調(diào)節(jié)AOT和DAC在不同市場(chǎng)的優(yōu)化方案會(huì)更加有效。

振戎融通不僅擁有了先進(jìn)的性能優(yōu)化技術(shù)，并且更深入的挖掘優(yōu)化的細(xì)節(jié)，使得JMO＋產(chǎn)品在業(yè)界處于領(lǐng)先的地位。經(jīng)過業(yè)界權(quán)威測(cè)試工具測(cè)試比較表明，JMO＋在功能、性能和質(zhì)量上已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。目前JMO＋已經(jīng)獲得摩托羅拉、三星、LG、SKTT、TCL、UT等國內(nèi)外主流手機(jī)廠商采用，已經(jīng)有近 20款、100萬臺(tái)手機(jī)采用，成功取得了規(guī)模化商用。