今年8月，華為方舟編譯框架代碼將開源，11月完整方舟編譯器代碼開源。

據(jù)“智東西”微信公眾號（zhidxcom）4月25日消息，兩周前華為年度第一款旗艦機(jī)P30，同時宣布將操作系統(tǒng)升級為EMUI9.1。 在發(fā)布會上，華為推出了方舟編譯器和超級文件系統(tǒng)EROFS兩大創(chuàng)新亮點(diǎn)。

由于發(fā)布會時間限制，當(dāng)時華為僅僅用兩頁P(yáng)PT粗略地介紹了這兩項(xiàng)技術(shù)作用。 據(jù)華為方面表示，自發(fā)布會后，華為軟件OpenLab團(tuán)隊(duì)的電話幾乎要被打爆了，很多開發(fā)者都想要了解方舟編譯器更多的信息。

▲華為CBG軟件部總裁 王成錄

今天，智東西與少數(shù)媒體參與了華為EMUI軟件溝通會，會上華為CBG軟件部總裁王成錄詳細(xì)介紹了方舟編譯器和超級文件系統(tǒng)EROFS兩項(xiàng)技術(shù)的原理以及研發(fā)背后的細(xì)節(jié)，以及EMUI未來的主攻方向。

什么是方舟編譯器？

分享會一開始，王成錄博士先介紹了EMUI演進(jìn)過程以及近幾年來，華為在系統(tǒng)軟件上針對用戶使用中的痛點(diǎn)問題進(jìn)行的有針對性的優(yōu)化。 比如EMUI5.0主要解決安卓系統(tǒng)卡頓問題，EMUI8.2上線了GPU Turbo主攻游戲性能受限問題，EMUI9.0上線了Link Turbo主攻網(wǎng)絡(luò)覆蓋不均問題，EMUI9.1則上線了方舟編譯器和超級文件系統(tǒng)EROFS，針對安卓流暢度不足問題。

當(dāng)前安卓平臺的絕大多數(shù)應(yīng)用是使用Java寫的，但在底層，最終真正能讓計(jì)算機(jī)“聽懂”并執(zhí)行的其實(shí)是機(jī)器語言，也就是由0和1組成的二進(jìn)制代碼。 所以，這中間必須存在著由高級語言到機(jī)器語言的轉(zhuǎn)化。

一般來說有兩種辦法：

(1)引入一個中間層，其工作的方式是，理解一句Java語句就將其翻譯為機(jī)器碼，讓硬件執(zhí)行一下，稱之為解釋執(zhí)行。 這種方式對代碼不加篩選，執(zhí)行效率非常低。

（2）直接把高級語言翻譯成機(jī)器語言。 這又有兩種方式： 一是在程序運(yùn)行之前，把高級語言編譯為機(jī)器語言，稱之為 AOT（Ahead of time）編譯； 二是，在程序運(yùn)行后，實(shí)時地把高級語言編譯為機(jī)器語言并執(zhí)行，稱之為 JIT（Just in time） 編譯。

在安卓5.0之前，安卓采用的是解釋執(zhí)行 + JIT 的方式執(zhí)行高級語言代碼，屬于邊解釋邊執(zhí)行模式，但效率非常低。 隨后安卓版本不斷迭代，在安卓6.0 階段推出了虛擬機(jī) ART。

目前安卓采用的就是解釋執(zhí)行 +  JIT + AOT 的綜合模式。

那么，編譯器又是什么呢？ 編譯器就是將計(jì)算機(jī)高級編程語言轉(zhuǎn)化為機(jī)器可執(zhí)行的機(jī)器語言的工具，也就是直接轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼。 可以說是一步到位的編譯。

用方舟編譯器做出來的APK，下載到手機(jī)上直接就是機(jī)器語言，也就是二進(jìn)制代碼，機(jī)器直接就可以運(yùn)行，不需要再做編譯了，這是方舟編譯器最本質(zhì)的技術(shù)突破。

編譯器的研發(fā)難不難？ 編譯器開發(fā)是需要長期大量研發(fā)積累，王成錄博士也坦言需要“板凳要坐十年冷”。 同時，開發(fā)編譯器需要研發(fā)人員既精通高級語言，對各種框架等非常熟悉，又要對機(jī)器語言了如指掌，對研究人員要求非常高。 谷歌生態(tài)建立了這么久，其規(guī)模非常龐大，其上的框架和、應(yīng)用等非常多，想要重新做一個適配谷歌生態(tài)的編譯器，工作量可想而知，是非常巨大的。

華為是如何作出方舟編譯器呢？ 據(jù)王博士介紹，華為在編譯器研發(fā)上的積累，可以追溯到2009年，華為海思研發(fā)起步時，當(dāng)時吸引了第一批海內(nèi)外研究人員加入，創(chuàng)建了編譯組。 2013年，華為自研并推出了用于基站的編譯器HCC，這也是華為編譯器框架構(gòu)想的正式提出，也是方舟編譯器的前身。

2014年，F(xiàn)red Chow（ 周志德）加入華為并擔(dān)任華為編譯器技術(shù)首席科學(xué)家，建立了方舟編譯器的主架構(gòu)。 2015年華為推出自研編程語言CM，2016年成立編譯器與編程語言實(shí)驗(yàn)室，2019年華為正式推出方舟編譯器。 前前后后共計(jì)十年時間，經(jīng)過了幾百位研究人員的努力，投入的資金也有幾億美元了。

王成錄博士表示，有了方舟編譯器優(yōu)化的安卓系統(tǒng)在DNA上與蘋果iOS系統(tǒng)接近了。 華為下一步要做的工作就是推動生態(tài)建立，不斷將系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，讓用戶用上更純凈的安卓軟件。

方舟編譯器的四大技術(shù)亮點(diǎn)：

1、是一種多語言聯(lián)合優(yōu)化編譯器，消除了跨語言調(diào)用的開銷

據(jù)王成錄博士介紹，當(dāng)前Top級的應(yīng)用95%以上都采用混合語言模式，涉及多種開發(fā)語言。 具體來說是程序的邏輯部分采用Java語言編寫，但為了增強(qiáng)安全性、可靠性、兼容性等能力，應(yīng)用開發(fā)者可能會用C語言寫庫，供Java調(diào)用。 Java和C語言之間調(diào)用，是一定要通過接口去使用，這就會形成額外的性能開銷，而且相比于不需要調(diào)用的情況開銷很大。

而方舟編譯器則可以讓不同語言代碼在程序開發(fā)環(huán)境中環(huán)境中編譯成一套語言統(tǒng)一的可執(zhí)行文件，在硬件的運(yùn)行環(huán)境高效執(zhí)行。 也就是說，方舟編譯器中吸納了現(xiàn)在安卓生態(tài)中的各種主流框架和庫，對不同語言做了統(tǒng)一的程序優(yōu)化，直接編譯成機(jī)器指令。

2、程序運(yùn)行時無需依賴虛擬機(jī)，減少資源占用，并且建立了高效的內(nèi)存回收機(jī)制

Java語言有非常多的優(yōu)勢，包括跨平臺、分布式，安全性高等。 Java語言在設(shè)計(jì)之初，有一個Java語言開發(fā)包，其中有一個非常重要的東西，就是虛擬機(jī)。 虛擬機(jī)的作用是，無論使用什么樣的硬件，都可以將其抽象成Java的運(yùn)行環(huán)境，因此可以實(shí)現(xiàn)跨平臺，無論是X86、ARM架構(gòu)，還是CPU的機(jī)器都沒問題。 虛擬機(jī)的出現(xiàn)則帶來了一個問題，只要把Java語言開發(fā)包裝上，虛擬機(jī)就一定會分配好，占用額外的系統(tǒng)資源。

那么ART虛擬機(jī)的作用是什么呢？ 就是運(yùn)行之前先把編譯準(zhǔn)備好了，是一種靜態(tài)編譯。 通過引入了JIT編譯和AOT編譯能解決一部分效率問題，但是對于Java動態(tài)特性的部分仍做不到直接編譯，還是要解釋執(zhí)行。 Java動態(tài)特性是為了降低開發(fā)難度，不需要開發(fā)者把所有的程序都寫好，只要能夠運(yùn)行時實(shí)現(xiàn)調(diào)用就可以了。 這部分往往只能在運(yùn)行時進(jìn)行處理。

方舟編譯器最大的突破就在這里，把動態(tài)的部分全部變?yōu)殪o態(tài)編譯，其核心是一定要對Java語言動態(tài)特性非常深入理解。 “就像一個優(yōu)秀的翻譯官一定對漢語言文學(xué)理解的非常到位，然后再對英語理解非常到位。 ”Java是非常龐大的，需要對安卓現(xiàn)有的應(yīng)用，可能會用到哪些庫，這些庫之間怎么用理解，需要大量的分析運(yùn)行狀態(tài)，才能夠?qū)⑦@些動態(tài)特性完成提前的編譯。 同時由于方舟編譯器統(tǒng)一將程序編譯為機(jī)器語言，所以也是跨硬件平臺的。

早期C/C++需要開發(fā)者自己管理程序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)存的使用和釋放，影響開發(fā)效率。 Java的虛擬機(jī)模式提供了內(nèi)存GC（垃圾回收）機(jī)制，在內(nèi)存進(jìn)行全局回收時，所有部分都要停下來，等待回收完成，這是產(chǎn)生隨機(jī)卡頓的重要原因。

方舟編譯器則是在編譯時，為程序配備及時回收的內(nèi)存處理機(jī)制。 在程序運(yùn)行的過程中都在實(shí)施處理，這是方舟編譯器又一個非常重要的技術(shù)突破。

3、可針對不同應(yīng)用靈活編譯優(yōu)化，翻譯出性能更佳的機(jī)器指令

一個翻譯器做得好不好，重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)是能不能給程序帶來性能提升。 “編譯器和翻譯人類語言是一樣的，翻譯出來不太難，但是要翻譯的又快又好就太難了。 ”

所以，當(dāng)方舟編譯器整套邏輯通了之后，還需要做大量的優(yōu)化和調(diào)整。 一方面需要對Java語言的了解再深入再細(xì)致再重建； 另一方面對機(jī)器指令順序結(jié)構(gòu)理解要更清楚。 這兩個匹配的方法越準(zhǔn)確，編譯器效率越高。 王成錄博士表示，“一個好的編譯器，開發(fā)者一行代碼都不需要修改，性能能提升10%到20%”。

現(xiàn)有的安卓編譯，大部分代碼在虛擬機(jī)環(huán)境運(yùn)行，其創(chuàng)建遵循同一套“模板”，所以難以作深度的優(yōu)化。

方舟編譯器可針對不同應(yīng)用靈活編譯優(yōu)化，每個應(yīng)用編譯優(yōu)化方案由開發(fā)者自己來定，分別形成不同應(yīng)用優(yōu)化后的機(jī)器碼。

王成錄博士表示，方舟編譯器從立項(xiàng)之初最理想的目標(biāo)就是不需要開發(fā)者更改業(yè)務(wù)代碼，大家只需要通過華為的方舟編譯器做重新編譯就足夠了。 現(xiàn)在可能還需要開發(fā)者作一些對接，但很快隨著一些應(yīng)用進(jìn)入，這個目標(biāo)很快就能實(shí)現(xiàn)。

4、開發(fā)者學(xué)習(xí)和使用成本低，打包時即編譯

方舟編譯器的又一亮點(diǎn)是，在應(yīng)用開發(fā)構(gòu)建的階段為開發(fā)者提供快速的集成編譯環(huán)境。 而現(xiàn)行安卓系統(tǒng)則是在用戶將應(yīng)用下載后，在終端上實(shí)現(xiàn)編譯的。

據(jù)王成錄博士介紹，在同一硬件平臺上，方舟編譯器讓系統(tǒng)操作流暢度提升了24%，系統(tǒng)響應(yīng)速度提升44%，第三方應(yīng)用操作流暢度提升60%。 在內(nèi)存回收機(jī)制上方舟編譯器已經(jīng)趕超了蘋果iOS系統(tǒng)。

方舟編譯器在今年4月隨著華為P30系列發(fā)布并宣布開源，華為接下已經(jīng)為方舟編譯器制定好了上市計(jì)劃。 今年8月，在華為終端開發(fā)者大會上，華為將開源方舟編譯框架代碼，供開發(fā)者研究參考，11月的綠盟開發(fā)者大會上，華為將完整方舟編譯器代碼開源，讓開發(fā)者可編譯使用。

什么是超級文件系統(tǒng)EROFS？

隨著存儲介質(zhì)的進(jìn)步，文件系統(tǒng)也在被驅(qū)動著演進(jìn)。 文件系統(tǒng)對磁盤讀寫效率有著重要影響。 此前，華為曾推出過F2FS，2016年就在華為P9上應(yīng)用了，而這個是面向用戶分區(qū)的。 今天要提的超級文件系統(tǒng)EROFS，則是針對系統(tǒng)分區(qū)的。

安卓系統(tǒng)采用的模式是EXT4，文件塊定長輸入，變長輸出，導(dǎo)致同一個文件塊的內(nèi)容可能會出現(xiàn)在不同的磁盤塊中，讀取時造成了浪費(fèi)。

超級文件系統(tǒng)EROFS的特點(diǎn)是： 1、隨機(jī)讀寫的性能提升了20%； 2、采用先進(jìn)的壓縮算法，減少了2GB； 3、采用只讀模式，讓系統(tǒng)更安全。 目前，EROFS文件系統(tǒng)已經(jīng)開源，并已經(jīng)合入Linux內(nèi)核主線，在4.19版本發(fā)布。

據(jù)王成錄博士介紹，這一系統(tǒng)是華為研發(fā)人員一行行寫出來，100%原創(chuàng)。 其中，王成錄博士特別提到了壓縮算法，也是華為申請了專利的一項(xiàng)技術(shù)。

而EROFS文件系統(tǒng)的壓縮算法采用的則是文件塊變長輸入，磁盤塊定長輸出。 也就是說，將不同長度的文件塊壓縮成為統(tǒng)一大小的磁盤塊，這樣做的好處是不存在無效的讀取。

這樣做的好處是，隨機(jī)讀性能平均提升20%。 升級包大小下降約5%-10%，升級時間縮短了約20%。

EMUI未來演進(jìn)的四大方向

在分享會上，智東西問到王博士，未來EMUI的優(yōu)化方向有哪些時，王博士回答說主要集中在四個方面：

第一，基礎(chǔ)的性能仍然會持續(xù)投資 ，隨著硬件的變化，軟件的變化，上面應(yīng)用的變化，對系統(tǒng)資源的應(yīng)用永遠(yuǎn)沒有夠的那一天，所以這個投資還會持續(xù)。

第二，體驗(yàn) ，雖然很多消費(fèi)者對于華為UI吐槽非常多，但確實(shí)眾口難調(diào)。 王博士認(rèn)為UI的背后一定有科學(xué)依據(jù)。 “我們現(xiàn)在找到的方向就是人因，我們在使用一個設(shè)備的時候一定要考慮設(shè)備本身的因素，環(huán)境因素和人的因素，這三個因素都考慮全了，在給消費(fèi)者不同場景下恰當(dāng)?shù)姆答仯@才是最好的體驗(yàn)。 ”

什么是好的體驗(yàn)？ 就是手的操作和眼睛看到的，跟大腦期望是協(xié)調(diào)的這就是好的操作。 現(xiàn)在很多的體驗(yàn)設(shè)計(jì)是缺少建模的，一定要根據(jù)不同的人群年齡段，性別去構(gòu)建人的模型，看多大的字體更合適，多大的對比度，對這一類的人群是合適的，所以這種模型會構(gòu)建的越來越完善，變成系統(tǒng)里面UI的算法，在不同場景下就會不一樣，這一塊華為努力在做。

第三，創(chuàng)新， 這個創(chuàng)新指的是，隨著應(yīng)用的不一樣，場景的不同，沒有必要讓所有的應(yīng)用嚴(yán)格的按照這個軟件的過程，一步一步都走完。 打個比方，有個應(yīng)用運(yùn)行了無數(shù)次了，已經(jīng)證明是一個非常高質(zhì)量、安全的應(yīng)用，就沒有必要每次都做那么復(fù)雜的處理。

第四，中國在軟件工程領(lǐng)域非常缺人。 軟件開發(fā)人員經(jīng)驗(yàn)的積累，能不能沉淀為工具和平臺很關(guān)鍵，在中國沒有出現(xiàn)過一個非常優(yōu)秀的軟件工具平臺。

在會上，王博士還特意提到了生態(tài)構(gòu)建的重要性。 目前，在終端生態(tài)構(gòu)建上，華為已建立三大開發(fā)者生態(tài)： 以HiAI平臺建立AI開發(fā)者生態(tài)； 以Link Turbo和方舟編譯器建立應(yīng)用生態(tài)； 以HiLink和 HiCar建立連接生態(tài)。

此外，王成錄介紹說，今年Link Turbo將有突破，升級到2.0版本，將帶來對更多華為終端與更多應(yīng)用的支持，讓更多用戶能享受極速流暢的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

結(jié)語： 華為EMUI正在從系統(tǒng)底層進(jìn)行優(yōu)化

無論是方舟編譯器還是超級文件系統(tǒng)EROFS，都是華為在系統(tǒng)底層進(jìn)行優(yōu)化的重要一步。 無論是方舟編譯器還是超級文件系統(tǒng)EROFS，都是華為在系統(tǒng)底層進(jìn)行優(yōu)化的重要一步。 當(dāng)然，安卓開發(fā)生態(tài)建立多年，其優(yōu)勢在于開源和自由，而其劣勢則也正是由此帶來的無序性發(fā)展，導(dǎo)致了終端運(yùn)行效率低下。 而作為頭部的智能手機(jī)廠商，華為推出這個內(nèi)容的初心是想進(jìn)一步提升安卓系統(tǒng)的流暢性，也是出于自身發(fā)展和產(chǎn)品性能和體驗(yàn)提升的考慮。

不過，也正如王成錄博士所說的那樣，華為做方舟編譯器是想要幫安卓陣營解決實(shí)際問題的，僅僅華為一家之力是不夠的，還需要終端廠商、開發(fā)者等一起努力。