Android ART在玄铁C910上的移植和性能优化

在过去的3年里，我们在玄铁C910上分别移植了Android 10和Android 12，在ART上我们也做了一些更加深入的优化。在今年 RISC-V 美国峰会上，我们介绍了在ART上移植和优化过程和最近进展，在本文中也将分享这些工作。

在进入ART优化工作介绍前，先简单看一下ART是什么。在Android中，所有的程序都是基于java来编写的，Android SDK会把java字节码转换成dex字节码。那么Android中的程序都离不开dex虚拟机。在Lolipop采用的是dalvikvm，而从Lolipop开始，ART替代了dalvikvm。

ART的执行的过程概述

相比于dalvikvm，ART在最开始的时候（Lolipop），引入全新的执行模式AHead-Of-Time(AOT)。应用程序在安装过程中，其.dex字节码会被编译成machine code，应用程序会以machine code的方式执行，大大提高了程序的执行效率。

纯AOT的方式会使程序的安装过程变得非常长，因此在Android N的时候，引入新的JIT执行流程。在JIT执行模式下，应用程序的dex字节码（cold）会先通过解释器（interpreter）进行解释执行，当发现其中的方法是热点方法（hot）时，ART的JIT编译器就会开始工作，将热点方法编译成machine code。在后续调用到该热点方法时，将会采用machine code进行执行。

ART for RISC-V 支持

在介绍完ART在Android上的基础工作原理后，再来回顾一下玄铁团队在两个Android版本上的支持情况。

Android 10支持

2020年的时候，我们就开始了在Android 10上支持 RISC-V 的工作。前期工作主要包括内核和驱动程序的准备，Clang编译器和build系统的支持，Bionic库支持，Shell启动支持。

在此基础上，ART先实现了JNI calling Convention和一些Runtime接口的支持，可以在20分钟左右能启动到Launcher界面。我们先后在ART上采用RV64GC指令集增加了Mterp汇编解释器以及JIT/AOT编译器，基于这两个编译器的优化，极大提高了Launcher启动时间，分别提高到10分钟和1分钟。

Android 12支持

2022年开始，我们又在Android 12上再一次支持了 RISC-V。有了前一次经验，在Android 12上的支持变得轻车熟路。相比于Android 10的移植工作，这一次有了新的硬件平台TH1520，同时更新了Clang编译，并采用玄铁优化的Clang15版本，也更新了Binonic。

在ART上，本次增加Nterp解释器，用于减少方法调用的链路，提高频繁方法调用场景下的性能。由于采用Clang15编译器支持了玄铁扩展指令集，因此在ART上也增加这一部分针对玄铁的特性优化。经过一系列的优化工作以后，Android 12在TH1520上在开启更多的服务的情况下，Launcher启动时间再一次得到提升，达到了47秒。

社区贡献

在移植Android的过程中，我们也积极参与社区的贡献，避免大家重复造轮子。自2022年9月，我们在AOSP社区开始陆续提交相关的Porting改动。在ART上，目前贡献超过了80个Commit。特别感谢来自Google的Vladimir Mark、Ulya Trofimovich和Santiago Aboy Solanes细致的代码审查工作，完成代码review、验证以及修改，保证代码高质量合入。

玄铁扩展指令集优化改进

在最近的优化工作中，我们在ART中增加了玄铁扩展指令的支持。玄铁扩展指令主要分为整数计算、内存读写、bit操作以及Vector v0.7指令集。基于这些指令集，ART中的优化内容包括编译器部分的优化器、指令生成器，运行时库的汇编解释器、Quick Entries等等。除了在ART采用玄铁扩展指令集进行优化以外，还在Bionic中对C库、数学库进行了优化。

玄铁扩展指令相比于RV64GC指令集，有较大的性能收益：

Caffeine Mark，对于整数部分有超过15%的性能提升，对于浮点，方法调用也有4%的提升

SCIMath2，大部分用例都有超过15%的性能提升，小部分SOR/Monte Carlo提升并不明显

其他一些编程语言上的结果也有较大的提升，最高的能达到约5倍

结语

RISC-V 在Android上才刚刚起步，ART上还有很多软件、硬件的优化需要继续支持。非常幸运能参与这一历史性的事情，与全球开发者共同推动Android在 RISC-V 上的适配。

希望社区里有兴趣的同学可以关注 RISC-V Android SIG以及Google RISCV64社区，共同讨论参与贡献。

　　审核编辑：汤梓红