計(jì)算機(jī)編程原來是這樣的過程：告訴你我們每天瀏覽的頁面是如何編譯出來的!

　　計(jì)算機(jī)編程原來是這樣的過程：告訴你我們每天瀏覽的頁面是如何編譯出來的!

　　機(jī)器的“原力覺醒”

　　這個(gè)故事，先從計(jì)算機(jī)的語言說起。

　　事實(shí)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(cái)產(chǎn)、付款、欠款、債務(wù)、罰款等數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)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(shí)。

　　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(cái)務(wù)數(shù)據(jù)長達(dá)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(shí)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(jì)，印度人發(fā)明了數(shù)字0-9，這種十進(jìn)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(yáng)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(jìn)制，是人類文明另外一個(gè)重要的里程碑，被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(jìn)制的數(shù)字來進(jìn)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(jī)器“文明”，從此科學(xué)革命的進(jìn)程就像安裝上了“火箭”。那為什么計(jì)算機(jī)使用的是二進(jìn)制呢?這個(gè)故事得回溯到大英帝國的航海時(shí)代。早在17世紀(jì)，英國借助強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)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(duì)使用的航海表計(jì)算復(fù)雜，人工計(jì)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(jī)”。用蒸汽機(jī)時(shí)代的機(jī)械齒輪來存儲計(jì)算過程中的數(shù)據(jù)，大大提升了航海表數(shù)據(jù)的計(jì)算速度和準(zhǔn)確率。

　　同期，他開始了另外一種新機(jī)器——分析機(jī)的設(shè)計(jì)。在開發(fā)分析機(jī)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(jì)一個(gè)加法運(yùn)算器即可。基于這種假設(shè)，計(jì)算機(jī)器只需要具備兩個(gè)功能即可運(yùn)作：

　　1)判斷兩個(gè)數(shù)的大小;

　　2)不斷重復(fù)執(zhí)行加法計(jì)算。

　　所有的運(yùn)算轉(zhuǎn)化為最簡單的判斷和計(jì)算，1表示Yes(開)，0表示No(關(guān))，計(jì)算機(jī)用0和1不斷重復(fù)計(jì)算。這就是計(jì)算機(jī)使用“0”和“1”二進(jìn)制語言的理論基礎(chǔ)。

　　值得一提的是，巴貝奇發(fā)明分析機(jī)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(yùn)算，為現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)提供了另外一個(gè)重要的理論基礎(chǔ)。

　　回到分析機(jī)，巴貝奇借鑒了法國紡織機(jī)上使用的穿孔卡片。卡片上的孔眼排列，控制紡織機(jī)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(jī)器工作的指令。在卡片上打上不同排列的孔，機(jī)器便有不同的工作程序，這就是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)，用于美國人口統(tǒng)計(jì)，與巴貝奇的分析機(jī)具有異曲同工之妙。他把所有需要調(diào)查的項(xiàng)目依次固定在一張硬紙卡上，然后將統(tǒng)計(jì)的居民個(gè)人信息在相應(yīng)位置打孔，用來表示“Yes”。當(dāng)統(tǒng)計(jì)機(jī)器的探針撞到卡片上的“孔”，就會接通電流，計(jì)數(shù)裝置往前進(jìn)一個(gè)刻度。何樂禮博士正是采用了二進(jìn)制的原理，來高效統(tǒng)計(jì)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(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)模型，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)理論，于1944年研制成功世界第一臺機(jī)電計(jì)算機(jī)——Mark-I型。IBM把這臺計(jì)算機(jī)送給了哈佛大學(xué)，并一直使用到1959年，為培養(yǎng)早期的計(jì)算機(jī)科學(xué)家做出了巨大貢獻(xiàn)。

　　另外一位學(xué)者就沒有這樣幸運(yùn)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(jī)器能夠計(jì)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(jì)算機(jī)器。他利用當(dāng)時(shí)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(jì)算機(jī)，并用兩個(gè)人的名字將其命名為ABC(Atanasoff-Berry Computer)。

　　阿塔那索夫開辟了一種計(jì)算機(jī)的全新路徑，為現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)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(qiáng)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)ENIAC。

　　雖然這臺計(jì)算機(jī)采用的是十進(jìn)制，但當(dāng)時(shí)毫不影響它的計(jì)算能力，它大大縮短了美國“曼哈頓計(jì)劃”的原子彈研發(fā)時(shí)間，加速了二戰(zhàn)的結(jié)束。

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

　　0和1這種極簡的語言設(shè)計(jì)，像給計(jì)算機(jī)注入了永遠(yuǎn)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(jī)”，用最簡單的理論架構(gòu)開啟了一個(gè)全新的偉大產(chǎn)業(yè)。

　　02

　　軟件王國的“四大明珠”

　　實(shí)際上，在電子計(jì)算機(jī)誕生之前，計(jì)算機(jī)這個(gè)角色是由女人來扮演的。這些女人被稱為Computers，大多數(shù)計(jì)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(jì)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(jī)器里去讀。這減少了相當(dāng)多的工作，寫一個(gè)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(shí)，人們開始構(gòu)建程序庫(libraries)。隨著時(shí)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(gè)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(shí)，曾被派到哈佛大學(xué)，與艾肯博士一起工作，負(fù)責(zé)為美國國防部資助的Mark-II型機(jī)電計(jì)算機(jī)編制程序。在二戰(zhàn)結(jié)束后，她加入了發(fā)明ENAIC電子計(jì)算機(jī)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(jì)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(gè)程序把英文翻譯成機(jī)器能執(zhí)行的語言，交給機(jī)器去執(zhí)行。

　　她把這個(gè)革命性的想法付諸實(shí)踐，發(fā)明了世界上第一個(gè)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(jì)算機(jī)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(jī)器語言01010101，進(jìn)了一大步，但這種語言對計(jì)算機(jī)硬件依賴很大。不同的計(jì)算機(jī)，匯編語言不相通。

　　IBM公司在1946年后從制表機(jī)全面轉(zhuǎn)型電子計(jì)算機(jī)市場，并投入巨資招攬了世界眾多頂尖的計(jì)算機(jī)人才。其中一位叫約翰·貝克斯(John W. Backus)，這位出身證券經(jīng)紀(jì)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(shí)，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(jì)算機(jī)史上具有劃時(shí)代的意義。它是世界第一個(gè)高級編程語言，使計(jì)算機(jī)語言從原始的低級匯編語言走到人人易懂的境界，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)高級編程語言進(jìn)入蓬勃發(fā)展的時(shí)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(jì)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(jì)算，ALOGOL適合事務(wù)處理，LISP適合人工智能計(jì)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(jì)算機(jī)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(jī)軟件借鑒了這種機(jī)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(shí)驗(yàn)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(gè)字母)，后又簡化出了C語言(取BCPL第二個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jī)的程序設(shè)計(jì)語言。

　　Java：1995年5月發(fā)布。SUN公司為了在電視機(jī)頂盒等電子產(chǎn)品智能化過程中搶占先機(jī)，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(jī)機(jī)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(jī)的Framework來運(yùn)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(jì)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(jī)器碼，安裝到相應(yīng)的硬件設(shè)備上即可直接運(yùn)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(yùn)行時(shí)再將字節(jié)碼編譯或解釋成硬件能聽得懂的機(jī)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(gè)很重要的成員，就是操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫。上個(gè)世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)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(gè)通用計(jì)算機(jī)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(yùn)行在服務(wù)器和其他大型平臺之上，如大型計(jì)算機(jī)和超級計(jì)算機(jī)，世界上最快的前10名超級計(jì)算機(jī)運(yùn)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(jī)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(gè)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(gè)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”。為軟件底層貢獻(xiàn)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(jì)算機(jī)是汽車，那么軟件就像汽車的操控系統(tǒng)一樣，是計(jì)算機(jī)的血液。編譯器則是汽車發(fā)動機(jī)里最核心的汽油燃燒技術(shù)，將軟件變成計(jì)算機(jī)的動力，其編譯性能和效率，直接決定了用戶的使用體驗(yàn)。

　　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(gè)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(dú)使用。

　　Linux系統(tǒng)

　　使用開源的GCC編譯器。GCC，由自由軟件運(yùn)動的精神領(lǐng)袖理查德·馬修·斯托曼(Richard Matthew Stallman, RMS)在上個(gè)世紀(jì)80年代創(chuàng)立。它原本只處理C語言，后續(xù)擴(kuò)展可以處理C++、Objective-C、Java等其他語言。GCC被認(rèn)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?yàn)樘O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(jìn)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(jī))，并且將讀研時(shí)(2003年)發(fā)明LLVM的天才少年克里斯·拉特納(Chris Lattner)招入麾下。克里斯進(jìn)入了蘋果之后，大幅度優(yōu)化和改進(jìn)LLVM以適應(yīng)Objective-C的語法變革和性能要求，同時(shí)發(fā)起了CLang項(xiàng)目來完全替代GCC。

　　今天，GCC + LLVM 已經(jīng)被替換成了 Clang +LLVM。LLVM負(fù)責(zé)編譯器后端，用來處理代碼優(yōu)化和跨平臺，而Clang負(fù)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(xiàn)的第三個(gè)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(jī)運(yùn)行，不需要編譯器，后續(xù)版本加入了JIT和AOT編譯機(jī)制(下一部分將詳細(xì)展開)。

　　除了上述編譯器之外，還有兩個(gè)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(jì)算、分布式計(jì)算等商業(yè)計(jì)算領(lǐng)域。

　　SGI等公司推出的Open64編譯器

　　SGI(S代表超級計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用于巨大的實(shí)驗(yàn)室，采用Open64編譯器。

　　04

　　安卓的四大命門交待完計(jì)算機(jī)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(gè)，從2016年開始也在不斷融入了華為等手機(jī)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(jī)的體驗(yàn)已經(jīng)今非昔比。為什么仍然還有很多人詬病安卓手機(jī)沒有iPhone流暢?安卓系統(tǒng)的程序是怎樣運(yùn)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(gè)命門

　　Java的“虛擬機(jī)”

　　前面提到，Java為了能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺操作，便借助虛擬機(jī)來調(diào)度硬件平臺資源。在虛擬機(jī)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(jī)器聽得懂的機(jī)器語言，或者直接編譯成機(jī)器直接執(zhí)行的010101的機(jī)器碼。

　　2008年，Android 1.0剛發(fā)布的時(shí)候，使用的是一個(gè)叫Dalvik的虛擬機(jī)，里面集成了一個(gè)解釋器，每次用戶在安卓手機(jī)上運(yùn)行APP時(shí)，就會叫醒這個(gè)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(gè)小時(shí)可能也問不了幾個(gè)問題。

　　谷歌意識到這個(gè)問題嚴(yán)重拖了安卓手機(jī)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(shí)編譯)機(jī)制。JIT比較聰明，當(dāng)用戶在安卓手機(jī)運(yùn)行APP時(shí)，會同時(shí)將用戶經(jīng)常使用的功能編譯為機(jī)器能直接執(zhí)行的010101機(jī)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(shí)，再把解釋器叫起來翻譯。

　　JIT雖然變聰明了一點(diǎn)，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(jī)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(jī)從Dalvik替代成ART(Android Run Time)，同時(shí)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(jī)上時(shí)同時(shí)把能編譯的代碼先編譯成機(jī)器聽得懂的101010。剩下不太好翻譯的代碼，就在用戶使用時(shí)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(shí)間有點(diǎn)長。

　　越來越多的用戶吐槽為什么安裝一個(gè)APP也慢吞吞。于是，谷歌在2017年Android 7.0又做了一點(diǎn)改進(jìn)，安裝時(shí)先不編譯中間代碼，而是在用戶空閑時(shí)將能夠編譯成機(jī)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(gè)難兄難弟來頂住。這種機(jī)制，相當(dāng)于用時(shí)間換空間，既縮短了用戶安裝APP的等待時(shí)間，又將虛擬機(jī)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(jī)，其實(shí)不然。無論是編譯器還是解釋器，只是在虛擬機(jī)上打補(bǔ)丁。手機(jī)上的虛擬機(jī)+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(yùn)行性能。正因如此，所以絕大部分手機(jī)廠商只能無奈的通過簡單粗暴提升安卓手機(jī)的內(nèi)存和存儲空間，來彌補(bǔ)虛擬機(jī)的弊端。這就是安卓的第一個(gè)命門，虛擬機(jī)先天不足。

　　第二個(gè)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(jìn)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(yùn)行，它倆之間需要互通有無，這個(gè)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(hù)、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(jī)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(jī)制本身就效率較低。

　　這便是額外的JNI開銷。

　　第三個(gè)命門

　　代碼優(yōu)化空間有限

　　安卓虛擬機(jī)的編譯器受限于手機(jī)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(gè)部分。前端Front End，主要負(fù)責(zé)將源代碼翻譯成IR(Intermediate Representation，中間表示);中端的Optimizer主要負(fù)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(jī)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(gè)命門

　　Java現(xiàn)有內(nèi)存回收機(jī)制易造成間歇性卡頓

　　當(dāng)手機(jī)內(nèi)存資源不夠用的時(shí)候，安卓虛擬機(jī)就會召喚GC(Garbage Collection)封鎖公路，讓所有手機(jī)運(yùn)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(gè)GC機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)筑了足夠流暢的用戶體驗(yàn)。

　　但是安卓的四大命門，如同達(dá)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(cuò)，華為為此準(zhǔn)備了十年。2009年，華為啟動5G基礎(chǔ)技術(shù)研究的同時(shí)，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(xiàng)目正式啟動。2016年，成立編譯器與編程語言實(shí)驗(yàn)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(yùn)含著華為軟件工程師們的傾力投入，每一個(gè)進(jìn)展都值得銘記。2017年5月，方舟編譯器上第一個(gè)Java程序“Hello World”跑通。2017年8月的一個(gè)凌晨，在華為的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，項(xiàng)目組已經(jīng)連續(xù)數(shù)日24小時(shí)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(gè)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(gè)安卓后臺服務(wù)DiskStatus，這標(biāo)志著對安卓的換心手術(shù)進(jìn)入了實(shí)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(jī)。當(dāng)晚，所有人聚集在實(shí)驗(yàn)室的機(jī)房中，等待首個(gè)開機(jī)畫面加載成功的神圣時(shí)刻。秒針滴答，如同過了一個(gè)世紀(jì)那么久，屏幕終于點(diǎn)亮。歡呼，擁抱，一蹦三尺高，項(xiàng)目組成員們到底沒忍住，留下了激動的淚水。接下來，項(xiàng)目組在除夕前夜啟動了方舟編譯手機(jī)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(yùn)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(diǎn)一滴“啃硬骨頭”的致敬!

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

　　一方面，方舟編譯器首次在Java領(lǐng)域?qū)⑻摂M機(jī)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(jī)器碼直接在手機(jī)上運(yùn)行，徹底告別Java的JNI額外開銷，也徹底告別了虛擬機(jī)GC內(nèi)存回收帶來的應(yīng)用進(jìn)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(jī)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(xiàng)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(jī)系統(tǒng)操作流暢度高達(dá)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(yàn)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(jī)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(dá)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(jī)方舟編譯器從立項(xiàng)開始，就是要徹底干掉虛擬機(jī)。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(jī)的這個(gè)“萬能中轉(zhuǎn)站”，屏蔽掉各種硬件的差異，方便同一個(gè)代碼在多個(gè)平臺運(yùn)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(jī)，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(jī)的呢?

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

　　這種設(shè)想在理論是可行的，但是從現(xiàn)實(shí)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(jī)。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(jī)。

　　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(rèn)為根本就不可能。

　　為了這個(gè)目標(biāo)，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(xì)節(jié)，從對象模型的設(shè)計(jì)，到每一個(gè)bit的用途、每一個(gè)對象的元數(shù)據(jù)metadata(描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù))每一個(gè)編譯優(yōu)化的設(shè)計(jì)，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(yùn)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(diǎn)一一解決：一是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型，二是如何在運(yùn)行時(shí)高效獲得動態(tài)信息。方舟編譯器團(tuán)隊(duì)基本遍歷了Java的動態(tài)語義，進(jìn)行了大規(guī)模的數(shù)據(jù)建模。同時(shí)，大大提高了編譯時(shí)動態(tài)語義分析的精度，特別是涉及跨語言調(diào)用時(shí);另外，華為設(shè)計(jì)了一套具有核心專利的動態(tài)語義匹配機(jī)制，有效降低了運(yùn)行時(shí)動態(tài)語義的開銷。正是因?yàn)檫@兩大難點(diǎn)的突破，讓方舟編譯器能夠?qū)ava代碼編譯成機(jī)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(jī)上編譯了，徹底告別了虛擬機(jī)，從而帶來了媲美甚至超越iOS的安卓體驗(yàn)。

　　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(gè)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(tuán)隊(duì)基于多個(gè)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(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的中間表示IR，這就相當(dāng)于同一個(gè)人能夠理解全世界的語言，所以我們把這個(gè)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(tuán)隊(duì)對IR進(jìn)行了長達(dá)五年的精雕細(xì)琢，逐漸摸索出“大腦”里每一條神經(jīng)、每一個(gè)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(jī)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(jī)發(fā)動機(jī)

　　除了IR，編譯器還有一個(gè)非常重要的價(jià)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(jī)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(qiáng)大的算力，可以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)和精細(xì)的優(yōu)化算法，來達(dá)到更強(qiáng)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(jī)發(fā)動機(jī)，讓你的APP運(yùn)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(jìn)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(fèi)者們的體驗(yàn)將達(dá)到一個(gè)前所未有的高度。這對于整個(gè)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(gè)使命，就是解決安卓虛擬機(jī)GC內(nèi)存回收帶來的“Stop World”。

　　目前安卓手機(jī)內(nèi)存資源不夠用的時(shí)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(jì)數(shù)法(RC，Reference Counting)來進(jìn)行內(nèi)存的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)的而非集中式的，且不需要暫停應(yīng)用進(jìn)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(gè)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(gè)人收拾自己的垃圾，用完就清理，保持清潔的同時(shí)不影響人的正常活動。

　　軟件有一個(gè)大家很熟悉的死循環(huán)，就是電腦被一個(gè)無限循環(huán)的運(yùn)行程序把計(jì)算機(jī)資源占光。

　　這種“死循環(huán)”在軟件中叫“環(huán)引用”。為了從機(jī)制避免手機(jī)內(nèi)存被環(huán)引用“吃掉”，方舟編譯器引入annotation的“告警”標(biāo)示，對基礎(chǔ)類的環(huán)進(jìn)行標(biāo)注。當(dāng)然，Java程序員也可以對業(yè)務(wù)代碼中的環(huán)進(jìn)行標(biāo)注。經(jīng)過豐富的實(shí)踐驗(yàn)證，方舟這種機(jī)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(yùn)行狀態(tài)下引入了高效的環(huán)回收機(jī)制，允許有選擇的智能回收某個(gè)APP的內(nèi)存占用，這對傳統(tǒng)的環(huán)回收算法是一個(gè)非常棒的改進(jìn)。

　　Stop World，安卓卡頓，再見!

　　正是因?yàn)榉街圩龅交旌险Z言的統(tǒng)一中間表示和完全靜態(tài)編譯，它干掉了虛擬機(jī)，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(shí)，為開發(fā)者進(jìn)行代碼優(yōu)化提供了一個(gè)更廣闊的舞臺。

　　華為很快將全面開源方舟編譯器，屆時(shí)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(yàn)打開一扇全新的大門。科技的進(jìn)步，離不開全球無數(shù)科學(xué)家和工程師的奉獻(xiàn)。產(chǎn)業(yè)的繁榮，開放是唯一出路!