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问题

华为方舟编译器 Runtime 已经开源，从技术角度如何评价其架构和实现？

回答
华为方舟编译器 Runtime 开源，无疑是件值得深入探讨的技术事件。从一个技术人员的角度出发，我们可以从几个层面来审视其架构和实现，包括设计理念、核心组件、性能优化策略以及与现有生态的融合潜力。

一、设计理念：挑战与突破

方舟编译器 Runtime 的核心设计理念，我认为可以归结为 “极致性能驱动下的动态语言运行环境”。传统上，动态语言（如JavaScript）在性能上与静态语言存在天然差距，这很大程度上源于其动态特性带来的运行时开销。方舟 Runtime 的出现，旨在打破这一藩篱，通过更激进、更智能的运行时优化，将动态语言的性能推向新的高度，甚至挑战静态语言的领域。

这种挑战意味着方舟 Runtime 需要解决一系列复杂的问题：

动态性与静态优化的矛盾： 如何在不牺牲动态语言的灵活性的前提下，尽可能地进行静态优化？
跨平台一致性与本地性能： 如何在不同的硬件架构和操作系统上提供一致且高性能的运行体验？
内存管理与资源效率： 如何在保证性能的同时，有效管理内存，降低资源消耗？

二、核心组件与架构设计

从宏观上看，方舟 Runtime 的架构并非一个简单的虚拟机，而是 一个集成了编译、优化、执行、垃圾回收等一系列关键功能的复杂系统。其核心组件可以大致划分为以下几个部分：

1. 即时编译（JIT）引擎： 这是方舟 Runtime 的心脏。不同于传统的解释执行或简单的字节码编译，方舟 Runtime 采用了 多层 JIT 编译策略。
基线编译器（Baseline Compiler）： 负责快速地将代码编译成机器码，确保程序能够快速启动和运行。它的目标是速度，允许一定的空间换时间。
优化编译器（Optimizing Compiler）： 当代码的“热点”被识别出来（即经常被执行的代码段），优化编译器就会介入，对这些代码进行深度分析和转换。这层编译器会投入更多的时间进行分析，但能产生更高效的机器码。
激进优化： 值得关注的是，方舟 Runtime 在优化编译器层面，可能采用了 更激进的优化手段，例如：
内联（Inlining）： 将函数调用替换为函数体，消除函数调用的开销。
逃逸分析（Escape Analysis）： 确定对象的作用域，将堆分配的对象优化为栈分配，甚至直接消除对象。
死代码消除（Dead Code Elimination）： 移除不会被执行的代码。
循环优化（Loop Optimizations）： 如循环展开、循环不变代码外提等，提升循环性能。
类型推断与形状推断（Type Inference & Shape Inference）： 尽管是动态语言，方舟 Runtime 可能会在运行时尝试推断变量的类型和对象的形状（如数据结构字段的布局），以便进行更有效的代码生成。

2. 字节码/中间表示（IR）： 方舟 Runtime 可能会定义一套自己的中间表示，用于在编译的不同阶段进行代码的表示和转换。这套 IR 的设计会影响到优化的能力和效率。一个良好的 IR 应该具备足够的表达能力，同时方便进行各种转换。

3. 垃圾回收（GC）系统： 动态语言的内存管理主要依靠 GC。方舟 Runtime 的 GC 系统需要高效、低延迟，并且与 JIT 引擎协同工作。
分代收集（Generational Collection）： 将对象按照“年龄”分为不同的代，对年轻的对象进行更频繁的回收，对存活时间长的对象进行较少频率的回收，提高 GC 效率。
并行/并发 GC： 利用多核 CPU 的能力，实现 GC 的并行或并发执行，降低 GC 对主线程的暂停时间。
写屏障（Write Barrier）： 在对象写入操作时，插入写屏障，记录对象引用关系的变化，以便 GC 能够准确地追踪可达对象，尤其是在并发 GC 场景下，这是关键的技术。

4. 对象模型与内存布局： 动态语言的对象模型通常比较灵活，但也可能带来性能开销。方舟 Runtime 在这方面可能做了针对性的优化，例如：
字段预分配（Field Preallocation）： 对于已知类型的对象，提前分配字段，减少查找开销。
隐藏类/形状（Hidden Classes/Shapes）： 借鉴 JavaScript 引擎的经验，为具有相同属性集的 JavaScript 对象建立“形状”，使得属性访问可以映射到固定的内存偏移量，从而加速访问。

5. 线程模型与并发： 现代应用需要支持并发。方舟 Runtime 需要提供一个高效的线程模型，并保证在并发场景下的数据一致性和安全性。这可能涉及到锁、原子操作等机制。

三、技术亮点与创新点

从公开的信息和业界普遍的认知来看，方舟 Runtime 的几个技术亮点非常突出：

“一次编译，多次运行”的理念： 这是其与传统 JIT 的一个重要区别。虽然“一次编译”更多地体现在 ArkCompiler（静态编译），但 Runtime 的设计也必然考虑到编译产物的复用性和高效执行。在 Runtime 层面，可能通过缓存和复用编译过的机器码来加速后续的执行。
深度集成与定制化： 作为华为自研的编译器，方舟 Runtime 可以与操作系统、硬件进行更深度的集成和优化。例如，可以针对华为的芯片架构（如鲲鹏、麒麟）进行专门的代码生成和运行时调度。
对动态语言特性的高效支持： 能够高效地处理 JavaScript 的 `eval`、`Function` 构造函数、动态添加/删除属性等特性，这本身就需要强大的运行时分析和动态重编译能力。
与 ArkCompiler 的协同： 方舟 Runtime 并非孤立存在，它与 ArkCompiler（静态编译器）构成了完整的方舟编译器体系。Runtime 需要能够高效地加载和执行 ArkCompiler 生成的 AOT（AheadOfTime）编译产物，并可能在此基础上进行 JIT 优化。

四、与现有生态的融合

方舟 Runtime 的开源，其深远的意义在于 促进生态的繁荣。从技术角度看，这意味着：

对开发者更友好： 开发者可以基于方舟 Runtime 开发新的语言、框架，或者将现有动态语言迁移到这个高性能平台上。
兼容性挑战： 如何保证对现有动态语言（如 JavaScript）的广泛兼容性，同时实现性能突破，是其能否被广泛接受的关键。这需要大量的测试和调优。
社区驱动的演进： 开源意味着社区的参与。一个活跃的社区能够贡献更多的优化、修复 bug，并推动其向更广泛的应用场景演进。

五、潜在的挑战与未来展望

尽管方舟 Runtime 在技术上展现出强大的实力，但其发展也面临一些挑战：

成熟度与稳定性： 与 V8、Node.js 等成熟的运行时相比，方舟 Runtime 在开源初期可能在某些细节的成熟度和稳定性上仍有提升空间。
社区生态的建立： 吸引开发者和贡献者，建立一个活跃的社区，是开源项目成功的关键。
持续的性能优化： 动态语言的性能优化是一个永无止境的课题，需要不断跟进新的语言特性和硬件发展。

总而言之，华为方舟编译器 Runtime 的架构设计和实现，体现了在动态语言运行时优化领域的深入探索和显著进步。它通过多层 JIT 编译、高效的 GC、优化的对象模型以及与静态编译器的协同，旨在为动态语言带来前所未有的性能体验。其开源举措，不仅是技术实力的展示，更是对构建更强大、更开放的软件生态系统的承诺。未来，我们期待看到方舟 Runtime 在社区的推动下，在更多场景下绽放光彩。

网友意见

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方舟目前已有的组件，包含孵化器（一个毫无感情的记录机器）：

  • 前端
    • C
    • Java，两个实现：1) jbc2mpl，Java字节码前端；2) dex2mpl，dalvik字节码前端
    • Open64的WHIRL IR
    • JS（未开源，可能working in progress）
  • 优化：常规优化都有了，地方太小写不下
  • 后端：
    • AArch64
    • ARM32（未开源）
    • RISC-V
    • MapleEngine，提供Maple IR的Interpreter
  • 调试器
    • 基于GDB的扩展
      • 支持调试C
      • 支持调试Java
      • JS待支持
  • Runtime(这个比较难分类了)
    • Java
      • Android（AArch64）
      • OpenJDK

Sorry这么久才来填坑。

开源出来的方舟目前已经可以实现基于libcore或者OpenJDK运行静态化编译后的Java程序了，不过因为缺少apk编译的程序、魔改后的zygote（mygote）以及可能涉及的Android Runtime相关的修改，目前不能自己编译运行安卓程序。不过如我之前的分析一样，方舟已经可以编译部分第三方应用了，只是华为扣扣嗖嗖一直不全部开源出来（开源的东西是基于Maple的Java静态化，不涉及Android相关的修改）。如果可以的话，华为完全可以把这些实现捐献给AOSP的。

方舟在安卓上的实现，目前应该是比较成熟了，但估计确实存在很多问题（例如代码膨胀、热更新方案、兼容性等等）。不过方舟的目的并不是替换整个安卓运行时（我查了当时的宣发，如果我没理解错的话，当时说的是替换ART），而是将Java静态化编译，消除JNI，并且将内存管理方式替换为RC为主、Tracing GC为辐，以此解决卡顿等问题。

虽然我还没理清赵俊民大大说的五层架构，但是在我理解里，方舟的简易版架构差不多是上图这样的（原谅我对架构设计不熟悉）。

  • 首先是上面的部分，将libcore/OpenJDK、HarmonyOS Framework以及Android Framework用方舟编译器静态化编译为动态库.so，这个过程中，方舟Runtime里好像对于一些JNI方法进行了重新实现；这个.so里就是编译为机器码的Java类，不过其对象结构不同；需要注意的是，原本Framework依赖的底层动态库，静态化编译之后也还是会依赖的，不过不是直接体现在.so的依赖中，而是通过libandroidmpl-rt.so这个方舟运行时库进行加载，而且在libmaplecore-all.so中，可以找到如下的和native调用相关的符号：
  • 然后是图中下面的应用部分，同样通过方舟编译器编译为.so，和上述Framework编译没有区别；
  • 最后是执行部分：
    • 对于单纯的Java程序，提供了一个叫mplsh的程序用于启动、加载类、运行。这个也是目前开源提供的东西；
    • 而对于Android和HarmonyOS，则是通过魔改的zygote（叫mygote）进行加载、运行。

上述提到了HarmonyOS，因为我在最新的EMUI 11中看到了maple化的HarmonyOS Framework。在EMUI 11的/system/lib64下面可以找到的maple化的动态库有如下这些：

       /system $ find -iname *maple* ./lib64/libmapleandroid.hardware.light-V2.0-java.so ./lib64/libmapleandroid.hidl.base-V1.0-java.so ./lib64/libmapleandroid.hidl.manager-V1.0-java.so ./lib64/libmapleandroid.test.base.so ./lib64/libmapleandroid.test.mock.so ./lib64/libmapleandroid.test.runner.so ./lib64/libmapleapache-xml.so ./lib64/libmaplebouncycastle.so ./lib64/libmaplecaliper-api-target.so ./lib64/libmaplecom.android.location.provider.so ./lib64/libmaplecom.huawei.nb.sdk.so ./lib64/libmaplecom.huawei.nfc.so ./lib64/libmapleconscrypt.so ./lib64/libmaplecore-all.so ./lib64/libmapleethernet-service.so ./lib64/libmapleext.so ./lib64/libmaplefeaturelayer-widget.so ./lib64/libmapleframework.so ./lib64/libmaplehwEmui.so ./lib64/libmaplehwIAwareAL.so ./lib64/libmaplehwIms-common.so ./lib64/libmaplehwPartAirSharing.so ./lib64/libmaplehwPartBasicplatform.so ./lib64/libmaplehwPartBasicplatformServices.so ./lib64/libmaplehwPartCamera.so ./lib64/libmaplehwPartConnectivity.so ./lib64/libmaplehwPartDFR.so ./lib64/libmaplehwPartDFRServices.so ./lib64/libmaplehwPartDefaultDFR.so ./lib64/libmaplehwPartDefaultDFRServices.so ./lib64/libmaplehwPartDeviceVirtualization.so ./lib64/libmaplehwPartEyeProtectionOpt.so ./lib64/libmaplehwPartIaware.so ./lib64/libmaplehwPartIawareService.so ./lib64/libmaplehwPartMagicWindow.so ./lib64/libmaplehwPartMagicWindowServices.so ./lib64/libmaplehwPartMdm.so ./lib64/libmaplehwPartMdmServices.so ./lib64/libmaplehwPartMedia.so ./lib64/libmaplehwPartPickUpWakeScreenOpt.so ./lib64/libmaplehwPartPowerOffice.so ./lib64/libmaplehwPartPowerOfficeServices.so ./lib64/libmaplehwPartSecurity.so ./lib64/libmaplehwPartSecurityFaceId.so ./lib64/libmaplehwPartSecurityServices.so ./lib64/libmaplehwPartSingleHandServices.so ./lib64/libmaplehwPartTelephony.so ./lib64/libmaplehwPartTelephonyCust.so ./lib64/libmaplehwPartTelephonyFullnetworkOpt.so ./lib64/libmaplehwPartTelephonyOpt.so ./lib64/libmaplehwPartTelephonyTimezoneOpt.so ./lib64/libmaplehwPartTelephonyVSim.so ./lib64/libmaplehwPartVr.so ./lib64/libmaplehwPartVrService.so ./lib64/libmaplehwSelfCure.so ./lib64/libmaplehwServices.so ./lib64/libmaplehwSlaveWifi.so ./lib64/libmaplehwTelephony-common.so ./lib64/libmaplehwWifi-service.so ./lib64/libmaplehwWifiPro-service.so ./lib64/libmaplehw_mdm_framework.so ./lib64/libmaplehwcustEmui.so ./lib64/libmaplehwcustIms-common.so ./lib64/libmaplehwcustServices.so ./lib64/libmaplehwcustTelephony-common.so ./lib64/libmaplehwcustframework.so ./lib64/libmaplehwcustwifi-service.so ./lib64/libmaplehwframework.so ./lib64/libmaplehwperf.so ./lib64/libmapleims-common.so ./lib64/libmaplejacocoagent.so ./lib64/libmaplejsr305.so ./lib64/libmaplejunit.so ./lib64/libmapleokhttp.so ./lib64/libmapleorg.apache.http.legacy.so ./lib64/libmapleorg.ifaa.android.manager.so ./lib64/libmapleorg.simalliance.openmobileapi.so ./lib64/libmapleservicehost.so ./lib64/libmapleservices.so ./lib64/libmapletelephony-common.so ./lib64/libmapletelephony-separated.so ./lib64/libmapleupdatable-media.so ./lib64/libmaplevendor.huawei.hardware.tp-V1.0-java.so ./lib64/libmaplevoip-common.so ./lib64/libmaplewifi-service.so ./lib64/libmaplezframework.z.so

与上面的图对应：

  • Android Framework: libmapleframework.so
  • HarmonyOS Framework: libmaplezframework.z.so
  • Maple Runtime: libmaplecore-all.so, libcommon_bridge.so, libandroidmpl-rt.so
  • 除此之外，还有例如apache-xml、com.huawei.nfc、android.hidl.base-V1.0-java等第三方Java库maple化后的动态库，也有hwEmui.so、wifi-service等系统服务的动态库。

安卓的System Services的maple化是很早以前就完成了的，单独拿这点来说，确实是个壮举。但是，这些东西都是closed world的，对于这些程序的代码，有很大的修改、定制空间，方舟编译器和这些代码可以互相成全。但是面对第三方应用时，情况就不同了，因为你没法限制这些应用使用的SDK版本、Java特性、热更新方案，也不能要求人家放弃某些动态特性，只能尽全力去兼容、兼容、兼容，然后就是性能和兼容性的trade-off。支持方舟编译器的安卓第三方应用有了，但是并没有大规模使用，估计就是这个原因。

而对于HarmonyOS，情况可以好很多，因为Android已经踩过很多坑了，历史兼容性问题也没有很多，可以尽可能发挥方舟的效用。以热更新为例，Android系统有特别多的方案，但在HarmonyOS，系统层面已经提供了热更新的方案（HarmonyOS 文档中心-HotFixClassLoader）：

所以在安卓方向上的方舟不是重点也很正常。

以上说的都是Java的编译，而对于JS的编译，从多方消息来看，华为内部正在做，这个可能才是重点。

非代码讨论到此为止。

内容太多了，以后有空我会写文章来具体分析，下面就大致讲一下大概的内容吧。

1. 对象结构

  • 编译出来的.so的正式名称叫MFile，Runtime有自己的ClassLoader来从MFile加载类信息；
  • 因为是Java的Runtime，目前其对象结构和Java有点类似，为了兼容JNI规范，这些结构都有重载的类型转换操作符转换为JNI里的结构：
    • MObject，对象，对应JNI的jobject；
    • MClass，类，MObject的子类，对应JNI的jclass；
    • MMethod，类方法，MObject的子类，以及对应的MethodMeta保存方法的元信息；
    • MField，属性，MObject的子类，以及对应的FieldMeta保存属性的元信息；
    • MArray，数组，MObject的子类，对应JNI的jarray；
    • MString，字符串，MObject的子类，对应JNI的jstring；
  • 有java.lang.invoke.MethodHandle相关的东西，所以可能已经支持lambda等特性了；
  • 反射信息从XXXMeta中获取；
  • 有一个还挺复杂的name mangler；
  • 每一个符号都有一个MUID，是基于MD5哈希生成的，这个用于虚表查找等地方；

2. JNI调用

  • 如上所说，兼容了JNI调用规范，将Runtime相关的结构转化为了JNI的结构，虽然本质上，JNI的那些结构就是一个指针；实现了JNI所有相关的方法；
  • JNI规定每一个JNIEnv是线程独有的，所以在方舟的Runtime的线程实现里，有一个获取JNIEnv的方法；
       // get a thread related  env virtual JNIEnv* GetJniEnv() const = 0;
  • 依赖libnativehelper这个third party来查找动态库；
  • 在中端优化部分（src/mapleall/mpl2mpl/src/native_stub_func.cpp）中，会为native方法生成相关的stub方法；
  • native方法stub默认是一个weak符号，实现是抛出UnsatisfiedLinkError；JNI调用会被缓存；有一些libcore里的native方法在libcore-static-binding-jni和src/mrt/codetricks/arch/arm64实现，因为stub是weak的，所以链接上之后，这部分的JNI调用是直接调用；
                // Now native binding have three mode: default mode, dynamic-only mode, static binding list mode          // default mode, it will generate a weak function, which can link in compile time          // dynamic only mode, it won't generate any weak function, it can't link in compile time          // static binding list mode, it will generate a weak function only in list
  • NativeCall分为Fast和Slow，实现在src/mrt/compiler-rt/src/arch/arm64/cc_native_method_stub_arm64.S；FastCall是直接通过x9寄存器保存函数地址一条br指令直接跳转；SlowCall也是使用x9寄存器，区别在于调用前会保存callee的现场，并且会进入safe region（不知道和JVM GC算法里的safe region是不是同一个东西）；
  • SlowCall支持最多8个参数；

3. RC

  • 这部分有点复杂，还没细看；
  • 编译时对于创建对象的指令，生成RC相关的Intrinsics调用，然后代码生成时，lowering为MCC_XXX等RC相关的运行时实现；
  • Runtime里有相关的内存分配的allocator实现，借鉴了部分Rust的设计；
  • 有四种垃圾收集器实现：
    • 没有垃圾回收……
    • NaiveRC，NaiveRCCollector，单纯只用RC回收；
    • MarkSweep，MarkSweepCollector，基于标记-清除的Tracing GC；
    • NaiveRCMarkSweep，NaiveRCMarkSweepCollector，RC为主，Tracing GC为辅；
  • 垃圾回收类型可以在运行时动态设置；
       // Record gcIsGCOnly symbol address in echo RC compiled maple so // If not found, no action is need. // 1. At load time, check collector type and update // 2. At fork time/collector create time, update all according to new collector type

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