Android ART在玄鐵C910上的移植和性能優(yōu)化

在過(guò)去的3年里，我們在玄鐵C910上分別移植了Android 10和Android 12，在A(yíng)RT上我們也做了一些更加深入的優(yōu)化。在今年 RISC-V 美國峰會(huì )上，我們介紹了在A(yíng)RT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A(yíng)ndroid中，所有的程序都是基于java來(lái)編寫(xiě)的，Android SDK會(huì )把java字節碼轉換成dex字節碼。那么Android中的程序都離不開(kāi)dex虛擬機。在Lolipop采用的是dalvikvm，而從Lolipop開(kāi)始，ART替代了dalvikvm。

ART的執行的過(guò)程概述

相比于dalvikvm，ART在最開(kāi)始的時(shí)候（Lolipop），引入全新的執行模式AHead-Of-Time(AOT)。應用程序在安裝過(guò)程中，其.dex字節碼會(huì )被編譯成machine code，應用程序會(huì )以machine code的方式執行，大大提高了程序的執行效率。

純AOT的方式會(huì )使程序的安裝過(guò)程變得非常長(cháng)，因此在A(yíng)ndroid N的時(shí)候，引入新的JIT執行流程。在JIT執行模式下，應用程序的dex字節碼（cold）會(huì )先通過(guò)解釋器（interpreter）進(jìn)行解釋執行，當發(fā)現其中的方法是熱點(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。在后續調用到該熱點(diǎn)方法時(shí)，將會(huì )采用machine code進(jìn)行執行。

ARTforRISC-V支持

在介紹完ART在A(yíng)ndroid上的基礎工作原理后，再來(lái)回顧一下玄鐵團隊在兩個(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A(yíng)ndroid 10上支持 RISC-V 的工作。前期工作主要包括內核和驅動(dòng)程序的準備，Clang編譯器和build系統的支持，Bionic庫支持，Shell啟動(dòng)支持。

在此基礎上，ART先實(shí)現了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A(yíng)RT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A(yíng)ndroid 12上再一次支持了 RISC-V。有了前一次經(jīng)驗，在A(yíng)ndroid 12上的支持變得輕車(chē)熟路。相比于A(yíng)ndroid 10的移植工作，這一次有了新的硬件平臺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A(yíng)RT上，本次增加Nterp解釋器，用于減少方法調用的鏈路，提高頻繁方法調用場(chǎng)景下的性能。由于采用Clang15編譯器支持了玄鐵擴展指令集，因此在A(yíng)RT上也增加這一部分針對玄鐵的特性?xún)?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，達到了47秒。

社區貢獻

在移植Android的過(guò)程中，我們也積極參與社區的貢獻，避免大家重復造輪子。自2022年9月，我們在A(yíng)OSP社區開(kāi)始陸續提交相關(guān)的Porting改動(dòng)。在A(yíng)RT上，目前貢獻超過(guò)了80個(gè)Commit。特別感謝來(lái)自Google的Vladimir Mark、Ulya Trofimovich和Santiago Aboy Solanes細致的代碼審查工作，完成代碼review、驗證以及修改，保證代碼高質(zhì)量合入。

玄鐵擴展指令集優(yōu)化改進(jìn)

在最近的優(yōu)化工作中，我們在A(yíng)RT中增加了玄鐵擴展指令的支持。玄鐵擴展指令主要分為整數計算、內存讀寫(xiě)、bit操作以及Vector v0.7指令集?；谶@些指令集，ART中的優(yōu)化內容包括編譯器部分的優(yōu)化器、指令生成器，運行時(shí)庫的匯編解釋器、Quick Entries等等。除了在A(yíng)RT采用玄鐵擴展指令集進(jìn)行優(yōu)化以外，還在Bionic中對C庫、數學(xué)庫進(jìn)行了優(yōu)化。

玄鐵擴展指令相比于RV64GC指令集，有較大的性能收益：

CaffeineMark，對于整數部分有超過(guò)15%的性能提升，對于浮點(diǎn)，方法調用也有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)言上的結果也有較大的提升，最高的能達到約5倍

結語(yǔ)

RISC-V 在A(yíng)ndroid上才剛剛起步，ART上還有很多軟件、硬件的優(yōu)化需要繼續支持。非常幸運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。

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

審核編輯：湯梓紅