本文由菊廠搞機MO編輯部出品，文字超1萬，查閱的資料多達上百萬文字，并且與華為方舟編譯器的專家做過深度訪談。文章高度概括了波瀾壯闊的軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展史，解析了華為在編譯器和手機系統(tǒng)方面做的多年準備。

2017年5月的一個凌晨，華為某實驗室里，方舟編譯器上第一個Java程序“Hello, World”跑通了。

當(dāng)時項目組的一位工程師就哽咽了：“I never thought printing ‘Hello, World’ would be this hard .”（我從來沒想到打出“Hello, World”會如此艱難。）

十年前華為啟動編譯組到這一刻，初見曙光。

2019年4月，華為方舟編譯器正式面世！

今天我們聚焦華為新貴——方舟編譯器，這個一發(fā)布就引起巨大響動的底層核心技術(shù)。

它為什么能擁有和世界對話的榮光？

它承載著怎樣的使命？

它能否做到傳說中的“出于安卓，勝于iOS”？

01

機器的“原力覺醒”

這個故事，先從計算機的語言說起。

事實上，人類文明中最早出現(xiàn)的文字就是數(shù)字，比完整表意的文字早500-1000年。

隨著人類社會的發(fā)展，社會結(jié)構(gòu)開始變得復(fù)雜，征稅必須先收集國民收入、財產(chǎn)、付款、欠款、債務(wù)、罰款等數(shù)據(jù)，遠遠超過人腦的記憶系統(tǒng)。于是，數(shù)字誕生了。

5000年前，蘇美爾人文明（今科威特及鄰近地區(qū)）以6和10作為基數(shù)，用符號表達1、10、60、600、以及3600。今天，我們?nèi)匀怀Ｒ娨?為基數(shù)的數(shù)字，例如圓有360度，一天有24小時。

而另外一種叫安第斯文化（主要在今天的南美地區(qū)），則用“結(jié)繩語”記錄數(shù)字，管理稅收等財務(wù)數(shù)據(jù)長達數(shù)百年甚至數(shù)千年。就算西班牙人占領(lǐng)南美之后，還在相當(dāng)一段時間內(nèi)用結(jié)繩語來管理他們建立的新帝國。

這就是人類最早的語言，雖然不能完整傳遞口語，也無法寫詩，但是記賬收稅效率一流。

公元8世紀，印度人發(fā)明了數(shù)字0-9，這種十進制的數(shù)學(xué)符號讓數(shù)據(jù)存儲和處理的效率一日千里，成為人類文明重要的里程碑，奠定了現(xiàn)代數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。后因阿拉伯人將其發(fā)揚光大并傳入中東和歐洲，所以大家稱之為“阿拉伯?dāng)?shù)字”。

還有一種文字系統(tǒng)——“0”和“1”的二進制，是人類文明另外一個重要的里程碑，被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代計算機領(lǐng)域中。此外，我們喜歡的音樂、我們熱愛的電影、我們拍攝的照片，今天都是通過這種二進制的數(shù)字來進行“重現(xiàn)”，包括記錄、存儲、傳播和分享。

人類通過0和1開啟了機器“文明”，從此科學(xué)革命的進程就像安裝上了“火箭”。

那為什么計算機使用的是二進制呢？

這個故事得回溯到大英帝國的航海時代。

早在17世紀，英國借助強大的經(jīng)濟實力和海軍力量擁有了眾多的殖民地，建立了全球霸主地位。艦隊使用的航海表計算復(fù)雜，人工計算的數(shù)據(jù)經(jīng)常有誤，百年間導(dǎo)致大量的船只觸礁沉沒。

直到第一次工業(yè)革命爆發(fā)，英國政府找到了數(shù)學(xué)家巴貝奇（Charles Babbage）來修正航海表。巴貝奇通過十年的努力，研制成功了“差分機”。用蒸汽機時代的機械齒輪來存儲計算過程中的數(shù)據(jù)，大大提升了航海表數(shù)據(jù)的計算速度和準確率。

同期，他開始了另外一種新機器——分析機的設(shè)計。在開發(fā)分析機的過程中，巴貝奇冥思苦想，發(fā)現(xiàn)乘法是加法的重復(fù)，除法是減法的重復(fù)，減法可以用加法來代替，這樣就只要設(shè)計一個加法運算器即可?；谶@種假設(shè)，計算機器只需要具備兩個功能即可運作：

1）判斷兩個數(shù)的大?。?

2）不斷重復(fù)執(zhí)行加法計算。

所有的運算轉(zhuǎn)化為最簡單的判斷和計算，1表示Yes（開），0表示No（關(guān)），計算機用0和1不斷重復(fù)計算。這就是計算機使用“0”和“1”二進制語言的理論基礎(chǔ)。

值得一提的是，巴貝奇發(fā)明分析機不久之后，英國數(shù)學(xué)家喬治·布爾于1854年發(fā)表了“布爾代數(shù)學(xué)”，提出了邏輯學(xué)的二元運算，為現(xiàn)代電子計算機提供了另外一個重要的理論基礎(chǔ)。

回到分析機，巴貝奇借鑒了法國紡織機上使用的穿孔卡片?？ㄆ系目籽叟帕校刂萍徔棛C的梭子，能夠不斷重復(fù)的織出各種各樣美麗圖案的布匹。巴貝奇在著名詩人拜倫之女Ada Lovelace的幫助下，發(fā)現(xiàn)穿孔卡片不僅可以用來記錄數(shù)據(jù)，還能用來控制機器工作的指令。在卡片上打上不同排列的孔，機器便有不同的工作程序，這就是現(xiàn)代計算機的軟件設(shè)計思想。

基礎(chǔ)研究與基礎(chǔ)教育是產(chǎn)業(yè)誕生和振興的根本。這也是為什么今天的英國，仍然在數(shù)學(xué)和通信領(lǐng)域擁有非常廣泛的影響力。

1884年，美國統(tǒng)計專家赫爾曼·何樂禮（Herman Hollerith）借鑒穿孔卡原理發(fā)明了電動制表機，用于美國人口統(tǒng)計，與巴貝奇的分析機具有異曲同工之妙。他把所有需要調(diào)查的項目依次固定在一張硬紙卡上，然后將統(tǒng)計的居民個人信息在相應(yīng)位置打孔，用來表示“Yes”。當(dāng)統(tǒng)計機器的探針撞到卡片上的“孔”，就會接通電流，計數(shù)裝置往前進一個刻度。何樂禮博士正是采用了二進制的原理，來高效統(tǒng)計美國人口信息。

我們今天使用的答題卡，就采用了這種原理。

何樂禮博士隨后創(chuàng)建了制表機公司，也就是赫赫有名的IBM公司的前身。

1935年，著名的現(xiàn)代計算機科學(xué)之父和人工智能之父，艾倫·圖靈提出了著名的圖靈機模型，為現(xiàn)代計算機的邏輯工作方式奠定了理論基礎(chǔ)。

1937年，美國哈佛大學(xué)著名計算機專家霍德·艾肯在IBM公司的資助下，借鑒上面提到的英國數(shù)學(xué)家巴貝奇的分析機理論，于1944年研制成功世界第一臺機電計算機——Mark-I型。IBM把這臺計算機送給了哈佛大學(xué)，并一直使用到1959年，為培養(yǎng)早期的計算機科學(xué)家做出了巨大貢獻。

另外一位學(xué)者就沒有這樣幸運了。美國愛荷華州立大學(xué)理論量子物理學(xué)的約翰·阿塔那索夫（John Atanasoff）副教授，苦于沒有機器能夠計算出量子物理中許多變量的求解。同樣是在1937年，他尋求IBM公司的資助，但被斷然拒絕，于是他橫下決心一定要研制一臺更好的計算機器。他利用當(dāng)時正在發(fā)展的真空晶體管，用電子脈沖來表示“0”和“1”，并在電氣工程專家克利福特·貝瑞（Clifford Berry）的幫助下，兩人于1940年底研制成功了世界第一臺電子計算機，并用兩個人的名字將其命名為ABC（Atanasoff-Berry Computer）。

阿塔那索夫開辟了一種計算機的全新路徑，為現(xiàn)代電子計算機的架構(gòu)奠定了不可磨滅的基礎(chǔ)。今天的華為在內(nèi)部強調(diào)研發(fā)上要多路徑突破，或許也曾受此啟發(fā)。

1940年底，他結(jié)識了美國物理學(xué)家莫克利（JohnW.Mauchly）。莫克利在了解和參觀了ABC計算機后，聯(lián)合賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院的電氣專家艾克特（J.PresperEckert），在國防部的資助下和馮·諾依曼博士的指導(dǎo)下，于1945年研制成功了世界第一臺通用電子計算機ENIAC。雖然這臺計算機采用的是十進制，但當(dāng)時毫不影響它的計算能力，它大大縮短了美國“曼哈頓計劃”的原子彈研發(fā)時間，加速了二戰(zhàn)的結(jié)束。

1945年6月，馮·諾依曼將ENIAC電子計算機的十進制改回成二進制，并提出計算機內(nèi)部存儲器存儲程序的概念，從而奠定了現(xiàn)代電子計算機理論的架構(gòu)。

0和1這種極簡的語言設(shè)計，像給計算機注入了永遠在生長的“原力”，帶來了無限的可能。與通信領(lǐng)域IP路由理念具有異曲同工，就像“看不見的蒸汽機”，用最簡單的理論架構(gòu)開啟了一個全新的偉大產(chǎn)業(yè)。

02

軟件王國的“四大明珠”

實際上，在電子計算機誕生之前，計算機這個角色是由女人來扮演的。這些女人被稱為Computers，大多數(shù)計算都是她們手工完成的。

世界第一段程序，是上面提到的巴貝奇的師妹著名詩人拜倫之女Ada Lovelace在打孔卡上寫出來的。程序設(shè)計人員都要把程序編排成010101這樣的形式，在紙上打孔，再送到機器里去讀。這減少了相當(dāng)多的工作，寫一個卡片能使用相當(dāng)久，也避免了重復(fù)造輪子。

因此，當(dāng)程序員開始在卡片上寫這些程序時，人們開始構(gòu)建程序庫（libraries）。隨著時間的推移，大部分的程序漸漸的有了一些規(guī)則手冊來指導(dǎo)編寫。但還是很繁瑣，畢竟編寫和記憶0和1的各種組合，對于很多人來說相當(dāng)于是“天書”。

一個傳奇的人物出現(xiàn)了。

美國海軍的傳奇天才格雷斯·霍珀（Grace Hopper），在海軍服役時，曾被派到哈佛大學(xué)，與艾肯博士一起工作，負責(zé)為美國國防部資助的Mark-II型機電計算機編制程序。在二戰(zhàn)結(jié)束后，她加入了發(fā)明ENAIC電子計算機的莫克利和艾克特創(chuàng)辦的“電子控制公司”，開始了她改變世界的光輝旅程——打開編譯器和編程語言的新世界。

Grace在加入莫克利和艾克特的公司，便產(chǎn)生了一種想法。她想設(shè)計一種程序，讓人可以用類似英文的語法，把想做的事寫下來，然后用這個程序把英文翻譯成機器能執(zhí)行的語言，交給機器去執(zhí)行。

她把這個革命性的想法付諸實踐，發(fā)明了世界上第一個編譯器A-0。這是編譯器的始祖，也是現(xiàn)代編程語言的始祖。

1952年，Grace和莫克利研究出了一種較為接近自然語言的計算機語言——匯編語言Flow-Matic。匯編語言本質(zhì)上是使用助記符來代替機器語言01010101，進了一大步，但這種語言對計算機硬件依賴很大。不同的計算機，匯編語言不相通。

IBM公司在1946年后從制表機全面轉(zhuǎn)型電子計算機市場，并投入巨資招攬了世界眾多頂尖的計算機人才。其中一位叫約翰·貝克斯(John W. Backus)，這位出身證券經(jīng)紀人家庭的富二代，酷愛數(shù)學(xué)，加入IBM公司三年后，發(fā)明了一種快速編程的FORTRAN語言。同時，他深入研究了Grace發(fā)明的Flow-Matic的編譯器，應(yīng)用到FORTRAN的編譯器中。

FORTRAN的問世，在計算機史上具有劃時代的意義。它是世界第一個高級編程語言，使計算機語言從原始的低級匯編語言走到人人易懂的境界，計算機不再是科學(xué)家的專利。FORTRAN的誕生，孕育了軟件產(chǎn)業(yè)。此后，計算機高級編程語言進入蓬勃發(fā)展的時代。

隨后，IBM公司開發(fā)出了的ALGOL高級語言，人工智能之父約翰·麥卡錫（John McCarthy）發(fā)布了人工智能設(shè)計語言LISP，Grace奶奶也在Flow-Matic匯編語言的基礎(chǔ)上開發(fā)了COBOL語言。

FORTRAN適合科學(xué)計算，ALOGOL適合事務(wù)處理，LISP適合人工智能計算，COBOL適合商業(yè)處理。這四種高級語言雖然比匯編語言更簡單，但對于非計算機專業(yè)人員，編程仍難度較大。于是，Dartmouth學(xué)院的兩位教授聯(lián)手開發(fā)一種更簡單的編程語言BASIC（初學(xué)者的全方位符式指令代碼）。這是一種不需要編譯的語言，只需要經(jīng)過解釋器執(zhí)行即可，初期的Android智能手機軟件借鑒了這種機制。BASIC語言也是目前被廣泛使用的Visual Basic語言的鼻祖，目前在微軟Excel的“宏”中可以直接使用。

美國編程語言的開發(fā)熱潮你追我趕，其他國家也不甘示弱。

1963年，英國劍橋大學(xué)推出了CPL語言，后又推出了簡化的BCPL語言。

1970年，美國貝爾實驗室的肯·湯普遜（Ken Thompson）和丹尼斯·利奇（Dennis Ritchie）在BCPL語言的基礎(chǔ)上，推出了更加簡單的B語言（取BCPL第一個字母），后又簡化出了C語言（取BCPL第二個字母）。這是目前世界上最常用的編程語言之一，甚至可以說是第一大編程語言。

C語言之后，誕生了很多著名的語言，包括：

C++：1983年正式發(fā)布。由貝爾實驗室基于C語言改良，所以C++是完全兼容C語言的。

Objective-C：1980年代發(fā)明。1988年，斯蒂夫·喬布斯（Steve Jobs）在NeXT公司時買下了 Objective-C 語言的授權(quán)，后來成為蘋果公司MAC電腦和iPhone手機的程序設(shè)計語言。

Java：1995年5月發(fā)布。SUN公司為了在電視機頂盒等電子產(chǎn)品智能化過程中搶占先機，解決跨平臺的問題，所以開發(fā)了Java語言。但Java需要借助虛擬機機制來解釋源代碼并調(diào)度硬件資源。安卓系統(tǒng)使用的基礎(chǔ)語言就是Java。

C#：2000年6月，由微軟發(fā)布。C#與Java有著驚人的相似，也需要借助類似于虛擬機的Framework來運行；不同的是，Java支持所有平臺，而C#只支持Windows和Linux系統(tǒng)。

GO：谷歌在2009年發(fā)布。GO語言主要用作服務(wù)器端和云計算開發(fā)。

Swift：2014年由蘋果公司發(fā)布，可以和Objective-C語言混合使用。

其中，C/C++是編譯語言，即在程序員寫完程序后，通過編譯器直接編譯成機器碼，安裝到相應(yīng)的硬件設(shè)備上即可直接運行。

Java/C#是預(yù)編譯語言，就是需要先在開發(fā)者環(huán)境中將源代碼（Source Code）轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼（Byte Code），然后在設(shè)備上運行時再將字節(jié)碼編譯或解釋成硬件能聽得懂的機器碼。將源代碼轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼的過程，就叫預(yù)編譯。

軟件王國還有兩個很重要的成員，就是操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫。

上個世紀60年代，計算機高級語言的發(fā)展為操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的誕生培育了沃土。

1970年，貝爾實驗室B語言和C語言的開發(fā)者肯·湯普遜（Ken Thompson）和丹尼斯·利奇（Dennis Ritchie），開發(fā)出了世界第一個通用計算機系統(tǒng)——UNIX。現(xiàn)在大家熟悉的Linux和Mac OS就是類UNIX操作系統(tǒng)。

其中Linux可以運行在服務(wù)器和其他大型平臺之上，如大型計算機和超級計算機，世界上最快的前10名超級計算機運行的都是基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)。在移動設(shè)備上廣泛使用的Android操作系統(tǒng)也是創(chuàng)建在Linux內(nèi)核之上。

隨著磁盤的發(fā)明，從磁盤隨機存取數(shù)據(jù)成為可能。1961年，美國通用電氣公司成功地開發(fā)出世界上第一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）——IDS（Integrated DataStore 集成數(shù)據(jù)存儲）。1968年，IBM公司開發(fā)了IBM第一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)IMS（Information Management System）。IBM科學(xué)家的論文理論，成就了著名的Oracle數(shù)據(jù)庫。IBM公司出品的DB2和微軟公司的MS SQLServer數(shù)據(jù)庫也成為當(dāng)今數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域重要的角色，目前在全世界已經(jīng)廣泛應(yīng)用。

高級編程語言、編譯器、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，被稱為軟件王國的“四大明珠”。

從上圖可以看出，為軟件底層貢獻核心技術(shù)的公司主要來自于歐美。華為通過多年持續(xù)的研發(fā)投入，讓我們終于看到了美國巨頭的背影。

03

編譯器的前世今生

如果說計算機是汽車，那么軟件就像汽車的操控系統(tǒng)一樣，是計算機的血液。

編譯器則是汽車發(fā)動機里最核心的汽油燃燒技術(shù)，將軟件變成計算機的動力，其編譯性能和效率，直接決定了用戶的使用體驗。

如上文所述，最早的編譯器是Grace奶奶發(fā)明的A-0編譯器。

第二個被大規(guī)模應(yīng)用的編譯器，則是和FORTRAN編程語言配套的FORTRAN編譯器。

目前主流使用的編譯器主要有下面幾種：

Windows系統(tǒng)

使用CL編譯器。它直接集成在Visual Studio或Visual C++的開發(fā)者環(huán)境中，一般不單獨使用。

Linux系統(tǒng)

使用開源的GCC編譯器。GCC，由自由軟件運動的精神領(lǐng)袖理查德·馬修·斯托曼（Richard Matthew Stallman, RMS）在上個世紀80年代創(chuàng)立。它原本只處理C語言，后續(xù)擴展可以處理C++、Objective-C、Java等其他語言。GCC被認為是跨平臺軟件的編譯器首選。

蘋果Mac和iOS系統(tǒng)

最初使用GCC編譯器，現(xiàn)已替代為Clang + LLVM。

為什么蘋果公司要換編譯器呢？

因為蘋果發(fā)現(xiàn)開源的GCC開發(fā)者根本使喚不動，他們不愿意專門為了蘋果公司的要求優(yōu)化和改進GCC代碼，所以蘋果將編譯器后端直接替換為LLVM（Low Level Virtual Machine，底層虛擬機），并且將讀研時（2003年）發(fā)明LLVM的天才少年克里斯·拉特納（Chris Lattner）招入麾下?？死锼惯M入了蘋果之后，大幅度優(yōu)化和改進LLVM以適應(yīng)Objective-C的語法變革和性能要求，同時發(fā)起了CLang項目來完全替代GCC。

今天，GCC + LLVM 已經(jīng)被替換成了 Clang +LLVM。LLVM負責(zé)編譯器后端，用來處理代碼優(yōu)化和跨平臺，而Clang負責(zé)前端，只需將程序源代碼轉(zhuǎn)換成LLVM可以看得懂的IR（Intermediate Representation，中間語言）即可。

另外，上文提到的Swift語言，則是這位天才少年克里斯為蘋果公司貢獻的第三個重要作品。

安卓系統(tǒng)

安卓主要使用預(yù)編譯的Java語言開發(fā)，最初版本通過虛擬機運行，不需要編譯器，后續(xù)版本加入了JIT和AOT編譯機制（下一部分將詳細展開）。

除了上述編譯器之外，還有兩個著名的編譯器值得一提。

Intel的ICC編譯器

ICC編譯器，全稱Intel C++ Compiler，是Intel開發(fā)的C/C++/Fortran編譯器套裝，適用于Linux、Microsoft和Mac OS X操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于高性能計算、分布式計算等商業(yè)計算領(lǐng)域。

SGI等公司推出的Open64編譯器

SGI（S代表超級計算機，G代表圖形工作站，I代表具有突破性的洞察力）生產(chǎn)的超級計算機，主要應(yīng)用于巨大的實驗室，采用Open64編譯器。

04

安卓的四大命門

交待完計算機和軟件的發(fā)展歷程，終于說到正題。

安卓系統(tǒng)從2008年1.0到今天的9.0，十來年間安卓系統(tǒng)大小版本超過15個，從2016年開始也在不斷融入了華為等手機公司發(fā)起的文件系統(tǒng)、人工智能學(xué)習(xí)、智能硬件調(diào)度和內(nèi)存管理等底層創(chuàng)新技術(shù)，安卓手機的體驗已經(jīng)今非昔比。

為什么仍然還有很多人詬病安卓手機沒有iPhone流暢？安卓系統(tǒng)的程序是怎樣運行的？下面展開闡述一下安卓的四大命門。

解決安卓這四大命門，也是華為方舟編譯器的使命！

第一個命門

Java的“虛擬機”

前面提到，Java為了能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺操作，便借助虛擬機來調(diào)度硬件平臺資源。在虛擬機里，還需要集成翻譯器或者編譯器，來將Java的字節(jié)碼（即中間代碼）解釋成機器聽得懂的機器語言，或者直接編譯成機器直接執(zhí)行的010101的機器碼。

2008年，Android 1.0剛發(fā)布的時候，使用的是一個叫Dalvik的虛擬機，里面集成了一個解釋器，每次用戶在安卓手機上運行APP時，就會叫醒這個解釋器，來給安卓的硬件解釋APP想要干嘛。這就相當(dāng)于新聞發(fā)布會，發(fā)言人講一句自己的母語，然后再由專業(yè)翻譯將其翻譯成外國記者聽得懂的語言，效率非常低下，一個小時可能也問不了幾個問題。

谷歌意識到這個問題嚴重拖了安卓手機的后腿，所以通過一年多的努力，在2010年中發(fā)布了2.2版本，引入了JIT(Just in Time，即時編譯)機制。JIT比較聰明，當(dāng)用戶在安卓手機運行APP時，會同時將用戶經(jīng)常使用的功能編譯為機器能直接執(zhí)行的010101機器碼，不用每一句每一句的去翻譯。當(dāng)出現(xiàn)不常用的功能時，再把解釋器叫起來翻譯。

JIT雖然變聰明了一點，但是每次啟動APP都要先編譯一次，不能一勞永逸。加上Dalvik虛擬機性能比較落后，所以谷歌在2014年10月推出了Android 5.0版本，將虛擬機從Dalvik替代成ART（Android Run Time），同時把JIT的編譯器替代成AOT (Ahead of Time)。意思就是說，APP在下載后安裝到手機上時同時把能編譯的代碼先編譯成機器聽得懂的101010。剩下不太好翻譯的代碼，就在用戶使用時再叫醒解釋器來翻譯。AOT相比JIT的好處，就是不用每次打開APP都需要先編譯一遍。但是，壞處就是用戶安裝APP的時間有點長。

越來越多的用戶吐槽為什么安裝一個APP也慢吞吞。于是，谷歌在2017年Android 7.0又做了一點改進，安裝時先不編譯中間代碼，而是在用戶空閑時將能夠編譯成機器碼的那部分代碼，通過AOT編譯器先靜態(tài)編譯了。如果AOT還沒來得及編譯或者不能編譯，再叫醒JIT+解釋器兩個難兄難弟來頂住。這種機制，相當(dāng)于用時間換空間，既縮短了用戶安裝APP的等待時間，又將虛擬機里編譯器和解釋器能做的優(yōu)化提升到最大效率了。

很多人以為華為方舟編譯器就是Android 7.0的ART虛擬機，其實不然。

無論是編譯器還是解釋器，只是在虛擬機上打補丁。手機上的虛擬機+編譯器+解釋器本身不僅占用硬件資源，還無法最大發(fā)揮軟件運行性能。正因如此，所以絕大部分手機廠商只能無奈的通過簡單粗暴提升安卓手機的內(nèi)存和存儲空間，來彌補虛擬機的弊端。

這就是安卓的第一個命門，虛擬機先天不足。

第二個命門 

Java的“原罪”——額外的JNI開銷

JNI，全稱Java Native Interface（Java原生接口），用來和C/C++等代碼進行交互。

目前95%的TOP應(yīng)用都是使用Java和C/C++等多種語言混合開發(fā)而成。Java和C/C++屬于兩種不同架構(gòu)的語言，各有自己的使用規(guī)范。為了APP正常運行，它倆之間需要互通有無，這個互通有無的接口就是JNI。在數(shù)據(jù)訪問、函數(shù)調(diào)用、生命周期維護、異常處理等方面都需要這兩種代碼互相調(diào)用。這就意味著手機硬件資源要分配一部分給JNI去做調(diào)度。不僅占用了硬件資源，而且這種機制本身就效率較低。

這便是額外的JNI開銷。

第三個命門 

代碼優(yōu)化空間有限

安卓虛擬機的編譯器受限于手機硬件和代碼優(yōu)化模板單一，代碼優(yōu)化空間有限。

編譯器包含三個部分。前端Front End，主要負責(zé)將源代碼翻譯成IR（Intermediate Representation，中間表示）；中端的Optimizer主要負責(zé)代碼優(yōu)化，將前端翻譯過來的IR代碼優(yōu)化得更高效；后端Back End則將優(yōu)化后的IR編譯成101010的機器碼。

為了防止生態(tài)過于碎片化，安卓只為第三方開放了簡單的編譯代碼優(yōu)化模板，代碼優(yōu)化空間有限。

第四個命門 

Java現(xiàn)有內(nèi)存回收機制易造成間歇性卡頓

當(dāng)手機內(nèi)存資源不夠用的時候，安卓虛擬機就會召喚GC（Garbage Collection）封鎖公路，讓所有手機運行的Java線程“Stop World”，全部暫停，等待它回收內(nèi)存空間，避免“交通流量超載”。這個GC機制，無法精確控制和干預(yù)，用戶也無法把它去掉，所以性能比較差的手機還存在“間歇性”卡頓。

十余年間，通過安卓系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化，以及內(nèi)存的不斷加持，安卓手機構(gòu)筑了足夠流暢的用戶體驗。

但是安卓的四大命門，如同達摩克利斯之劍，懸在安卓廠商的頭上。華為科學(xué)家和工程師們，對此持續(xù)攻關(guān)了十年，只為再造安卓。

05

十年方舟，再造安卓

沒錯，華為為此準備了十年。

2009年，華為啟動5G基礎(chǔ)技術(shù)研究的同時，開始創(chuàng)建編譯組，第一批海內(nèi)外研究人員加入。

2013年，華為推出面向基站領(lǐng)域的自研編譯器HCC，并正式提出編譯器框架構(gòu)想。

2014年，眾多海內(nèi)外專家加入華為，方舟項目正式啟動。

2016年，成立編譯器與編程語言實驗室。

2019年，華為方舟編譯器正式面世！

這十年，每一次攻關(guān)都蘊含著華為軟件工程師們的傾力投入，每一個進展都值得銘記。

2017年5月，方舟編譯器上第一個Java程序“Hello World”跑通。

2017年8月的一個凌晨，在華為的一個實驗室里，項目組已經(jīng)連續(xù)數(shù)日24小時不間斷攻關(guān)，卻始終看不到success的返回信息。絕望之下，工程師把所有通信數(shù)據(jù)打印出來，逐個字節(jié)排查，最終發(fā)現(xiàn)有一處字節(jié)的順序不一致。糾正后，華為方舟跑通了第一個安卓后臺服務(wù)DiskStatus，這標志著對安卓的換心手術(shù)進入了實操階段。

2018年春節(jié)前一周，方舟編譯器跑通安卓系統(tǒng)所有后臺服務(wù)，并成功移植到手機。當(dāng)晚，所有人聚集在實驗室的機房中，等待首個開機畫面加載成功的神圣時刻。秒針滴答，如同過了一個世紀那么久，屏幕終于點亮。

歡呼，擁抱，一蹦三尺高，項目組成員們到底沒忍住，留下了激動的淚水。

接下來，項目組在除夕前夜啟動了方舟編譯手機的Beta測試。大年初一清晨，總架構(gòu)師發(fā)來了第一條經(jīng)編譯器編譯的運行程序發(fā)出來的拜年消息：

春節(jié)快樂，方舟大吉！

當(dāng)P30發(fā)布會上“方舟”甫一出現(xiàn)，就在中國軟件行業(yè)“炸”了鍋。無數(shù)軟件從業(yè)者從一開始的質(zhì)疑，到弄清方舟真相后的驚嘆……這些都是對華為軟件工程師們十年如一日、一點一滴“啃硬骨頭”的致敬！

實際上，方舟已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上從高級語言到機器碼的“萬能翻譯”，更是一個編譯運行系統(tǒng)。

一方面，方舟編譯器首次在Java領(lǐng)域?qū)⑻摂M機干掉了，也是軟件史上首次將Java/C/C++等混合代碼一次編譯成機器碼直接在手機上運行，徹底告別Java的JNI額外開銷，也徹底告別了虛擬機GC內(nèi)存回收帶來的應(yīng)用進程掉線，使操作流暢度大幅提升。如果說目前最新的安卓系統(tǒng)是和諧號動車，那么經(jīng)方舟編譯的安卓系統(tǒng)便是高鐵，是“復(fù)興號”。

華為手機直接通過方舟編譯器替換了Android system-server的所有后臺服務(wù)，這一項就已經(jīng)足夠讓華為EMUI比其他安卓系統(tǒng)更快一步。根據(jù)華為官方測試，方舟編譯器提升手機系統(tǒng)操作流暢度高達24%，系統(tǒng)響應(yīng)性能提升44%。入手P30系列的用戶，應(yīng)該已經(jīng)體驗到了。

另一方面，方舟編譯器用空間換性能，直接將編譯器的代碼優(yōu)化搬到了開發(fā)者環(huán)境，不再被手機端的硬件資源所限制，為代碼優(yōu)化提供了無限可能。

此外，經(jīng)測試，新浪微博極速版APP經(jīng)方舟編譯后，操作流暢度提升高達60%。

解決安卓的四大命門，出于安卓，勝于安卓，超越iOS，并且全面兼容安卓，這就是華為方舟編譯器的使命！

06

生來就是要干掉虛擬機

方舟編譯器從立項開始，就是要徹底干掉虛擬機。這在歷史上，是從來沒有人做過的。

SUN公司當(dāng)初發(fā)明Java語言，就是借助虛擬機的這個“萬能中轉(zhuǎn)站”，屏蔽掉各種硬件的差異，方便同一個代碼在多個平臺運行，所以Java是目前最流行的高級編程語言之一。這么多年，從來沒有人能夠干掉虛擬機，說明難度非常之大。

那么方舟編譯器，是如何完全干掉虛擬機的呢？

最關(guān)鍵的就是要能夠?qū)ava代碼直接編譯成010101的機器碼。

這種設(shè)想在理論是可行的，但是從現(xiàn)實來講太難了。歷史上有過一些嘗試，比如現(xiàn)在大行其道的安卓ART虛擬機。這些嘗試能夠提前翻譯Java語言里很多的靜態(tài)語義，但是多數(shù)的動態(tài)語義，仍然搞不定，還得交給虛擬機。

所謂靜態(tài)語義，我們可以理解為確定的語言和意思，比如“我是張三”。而動態(tài)語義，則需要結(jié)合上下文去理解，比如“能穿多少就穿多少”，到底穿多還是穿少，要看是冬天還是夏天了。例如大家熟悉的微博、京東等APP的開屏廣告就需要用到動態(tài)語義。像編譯靜態(tài)語義一樣去編譯動態(tài)語義，很多知乎大神認為根本就不可能。

為了這個目標，華為軟件工程師們對自己苛求再苛求，這里涉及到大量的細節(jié)，從對象模型的設(shè)計，到每一個bit的用途、每一個對象的元數(shù)據(jù)metadata（描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)）每一個編譯優(yōu)化的設(shè)計，都經(jīng)過了無數(shù)次的激烈討論和推倒重來。

最終，方舟編譯器通過編譯階段和運行階段的雙向加持，將靜態(tài)編譯動態(tài)語義最大的兩大難點一一解決：一是設(shè)計數(shù)據(jù)模型，二是如何在運行時高效獲得動態(tài)信息。方舟編譯器團隊基本遍歷了Java的動態(tài)語義，進行了大規(guī)模的數(shù)據(jù)建模。同時，大大提高了編譯時動態(tài)語義分析的精度，特別是涉及跨語言調(diào)用時；另外，華為設(shè)計了一套具有核心專利的動態(tài)語義匹配機制，有效降低了運行時動態(tài)語義的開銷。

正是因為這兩大難點的突破，讓方舟編譯器能夠?qū)ava代碼編譯成機器能直接執(zhí)行的語言。經(jīng)過華為方舟編譯器的APP，再也不需要在手機上編譯了，徹底告別了虛擬機，從而帶來了媲美甚至超越iOS的安卓體驗。

07

代碼“萬國通”

95%的Top應(yīng)用都是Java/C/C++等混合語言編寫而成。方舟編譯器的第二個使命，就是干掉混合語言互相調(diào)用帶來的JNI開銷。

華為方舟編譯器團隊基于多個編程語言的深刻理解和大量研發(fā)積累，將混合語言破天荒實現(xiàn)了統(tǒng)一的中間表示IR，這就相當(dāng)于同一個人能夠理解全世界的語言，所以我們把這個革命性突破叫做，代碼“萬國通”。

那么方舟編譯器是如何使用統(tǒng)一的IR來表示各種語言呢？

IR是用來表示代碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是編譯器的各模塊以及相關(guān)工具之間用來傳遞信息的“協(xié)議和通用語言”，也是程序變換和編譯優(yōu)化各種算法的承載體。它是編譯器的“大腦”，直接決定了編譯器的最終效果。它的難度是最高的。

華為方舟編譯器團隊對IR進行了長達五年的精雕細琢，逐漸摸索出“大腦”里每一條神經(jīng)、每一個神經(jīng)元的信號規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明了一套核心專利，使得不同語言代碼在開發(fā)者環(huán)境中能夠統(tǒng)一編譯成同一套可直接執(zhí)行的機器碼，從而徹底消除混合語言互相調(diào)用的開銷。

08

給代碼裝上飛機發(fā)動機

除了IR，編譯器還有一個非常重要的價值，就是代碼優(yōu)化。

華為方舟編譯器，直接將代碼優(yōu)化從手機環(huán)節(jié)搬到了開發(fā)者環(huán)境，未來還可能搬到云端。利用開發(fā)者環(huán)境更強大的算力，可以實現(xiàn)更先進和精細的優(yōu)化算法，來達到更強大的優(yōu)化效果，在很多特定場景代碼優(yōu)化的提升甚至是顛覆性的。

這相當(dāng)于給APP在方舟里裝上飛機發(fā)動機，讓你的APP運行如飛！

值得一提的是，開發(fā)者使用方舟編譯器，并不需要改變原來的編碼習(xí)慣。開發(fā)者可以自行開發(fā)代碼優(yōu)化算法，也可以僅通過方舟編譯器預(yù)置的算法進行代碼優(yōu)化。未來，華為還將提供代碼調(diào)優(yōu)工具，開發(fā)者可以選擇根據(jù)工具的優(yōu)化建議來調(diào)整代碼，和方舟編譯器配合獲得更優(yōu)的執(zhí)行效果。

可以想象，未來廣大APP開發(fā)者使用方舟編譯器后，消費者們的體驗將達到一個前所未有的高度。這對于整個安卓生態(tài)，都是一件前所未有的幸事！

09

Stop World，安卓卡頓再見

方舟的第四個使命，就是解決安卓虛擬機GC內(nèi)存回收帶來的“Stop World”。

目前安卓手機內(nèi)存資源不夠用的時候，GC直接叫停所有應(yīng)用，所以偶爾會遭遇莫名卡頓。

方舟編譯器采用了引用計數(shù)法（RC，Reference Counting）來進行內(nèi)存的實時回收，并且配合使用了專門的消除環(huán)算法（消除對象互相引用帶來的無法回收問題），來避免GC集中式回收帶來的系統(tǒng)卡頓。相比GC，方舟的內(nèi)存回收是實時的而非集中式的，且不需要暫停應(yīng)用進程，這樣便大大消除了卡頓。

如果把內(nèi)存回收比作成打掃房間，那么GC的策略是專門有一個衛(wèi)生員，看房間里垃圾太多了，就把所有人請出去，打掃完了再讓大家回來。而方舟的RC則是每個人收拾自己的垃圾，用完就清理，保持清潔的同時不影響人的正?；顒?。

軟件有一個大家很熟悉的死循環(huán)，就是電腦被一個無限循環(huán)的運行程序把計算機資源占光。

這種“死循環(huán)”在軟件中叫“環(huán)引用”。為了從機制避免手機內(nèi)存被環(huán)引用“吃掉”，方舟編譯器引入annotation的“告警”標示，對基礎(chǔ)類的環(huán)進行標注。當(dāng)然，Java程序員也可以對業(yè)務(wù)代碼中的環(huán)進行標注。經(jīng)過豐富的實踐驗證，方舟這種機制可減少大部分程序中環(huán)的出現(xiàn)。

另外一方面，方舟編譯器在運行狀態(tài)下引入了高效的環(huán)回收機制，允許有選擇的智能回收某個APP的內(nèi)存占用，這對傳統(tǒng)的環(huán)回收算法是一個非常棒的改進。

Stop World，安卓卡頓，再見！

正是因為方舟做到混合語言的統(tǒng)一中間表示和完全靜態(tài)編譯，它干掉了虛擬機，消除了JNI開銷，告別了GC內(nèi)存回收的“間歇性”卡頓，以及其他很多開銷。同時，為開發(fā)者進行代碼優(yōu)化提供了一個更廣闊的舞臺。

華為很快將全面開源方舟編譯器，屆時開發(fā)者們可以使用方舟編譯器作為開發(fā)工具，為移動應(yīng)用生態(tài)和體驗打開一扇全新的大門。

科技的進步，離不開全球無數(shù)科學(xué)家和工程師的奉獻。產(chǎn)業(yè)的繁榮，開放是唯一出路！

最后，以Linux 的創(chuàng)始人Linus Torvalds的名言結(jié)尾！

Talk is cheap. Show me the code！

空談?wù)`國，實干興邦！

硬廣植入2019華為開發(fā)者大會8月9日—8月11日敬請期待！