解讀開源的方舟編譯器，創新的RC與多層的IR
2021-02-02 分類： 網站建設
編譯器是很基礎的軟件，不過已經很多年沒有冒出新的編譯器了，技術也很成熟了，華為為什么要搞一個方舟編譯器呢？當然是為了編譯程序使之更好的運行了。多數人都知道JAVA是一個跨平臺的編程語言，為什么JAVA可以跨平臺呢？這就是JAVA虛擬機（JVM）的功勞，JAVA語言其實是通過JVM來運行的，JVM與各個平臺之間做了適配，其實跨平臺的是JVM，Android的ART虛擬機是一個特別的JVM。在計算機領域沒有什么問題是不能通過增加一個間接的中間層來解決的，JVM就是這樣的中間層。很多人會問Android 的APP需要跨平臺運行嗎？現在來看不需要，那Google為什么選JAVA作為開發語言呢？可能有很多因素的考量，但是誰也沒有想到SUN居然被著名的專利流氓ORACLE收購了，即便Google把JVM改寫了好幾遍也依然沒躲過這個專利官司，真正的大公司還是要有自己能完全控制的編程語言呀，華為會走出這一步嗎？有點跑題了，虛擬機是JAVA的精髓所在，虛擬機帶來的好處是以性能為代價的，那么那些必須考考慮效率的庫和應用怎么辦呢？用JNI技術調用C/C++庫，又是一筆不必要的開銷，還是影響效率。JAVA作為Android的開發語言已經成為事實，即便不需要跨平臺依然要忍受虛擬機帶來的低效問題。如何解決呢？干掉虛擬機最好了，反正現在也不需要跨平臺，這也是方舟編譯器的主要目的之一，當然，也并不是說方舟不能支持跨平臺，從公布的材料中看，還是有跨平臺方面的考慮只是不是JAVA虛擬機這種形式了。
解讀開源的方舟編譯器，創新的RC與多層的IR
既來之則安之，既然只能用JAVA就想法優化他，優化JAVA的運行效率關鍵還是在于虛擬機。Android 在5.0之后將Dalvik虛擬機替換為ART虛擬機，這也是Android Run Time，在幾經更改之后現在Android采用的是 解釋執行+ JIT + AOT 的混合編譯策略。
解讀開源的方舟編譯器，創新的RC與多層的IR
一般的靜態編程語言（編譯時確定類型，C/C++、JAVA都是）用編譯器編譯成二進制代碼并不難，但是JAVA還存在一些動態特性，比如反射，通常被稱為JAVA語言的高級特性，使用也很廣泛，尤其是框架。反射這樣的特性對程序員很友好，但是對編譯器是個災難，與runtime密切相關，方舟編譯器如何解決這個問題還沒有具體的Codes公布，不過在Readme中有一句可以留意：更輕量的語言運行時，這很可能與反射有關。編譯器本身是一個翻譯的過程，現代編譯器的結構基本就如下圖LLVM的結構差不多，分為前后端，方舟編譯器也是如此，目前主要開源的就是里面的IR部分。還是那句話，在計算機領域沒有什么問題是不能通過增加一個間接的中間層來解決的，IR也是一個中間層，連接編譯器的前端和后端。更形象的說，IR可以理解為JAVA的字節碼，后端可以理解為JAVA虛擬機。
解讀開源的方舟編譯器，創新的RC與多層的IR
在之前公布的信息中表示方舟編譯器支持跨語言編譯（尚未開源），跨語言編譯的原理就是將多種語言翻譯成同一種IR表示語言，然后兩部分合并優化。方舟編譯器的IR分多層，其中編程語言相關的優化使用高層表示(high level ir)
通用優化使用中層表示(mid level ir)，編譯時就是一個持續降低層次的過程。在high level 中我們還能看到 if、while這樣的操作碼，與高級語言很像。用個例子看，C語言如下：
int fact(int n) {
if (n != 1)
return foo(n-1);
else return 1;
翻譯成MIR如下所示：
可以看出來很像，MIR中的語言像極了高級語言，只是有一些冗余，對于編譯器來說準確是第一位的，需要適當的冗余。根據方舟編譯器的文檔說明，當所有語言都翻譯成MIR后，都有自己的Opcodes，更加接近原語言，但是在逐級降低優化的時就越來越接近處理器的原生指令。
方舟編譯器目前開源的代碼還有一部分是關于GC（Garbage Collection）的，GC是對內存的管理，在程序運行中內存是一種寶貴的資源，當這塊內存的外部引用不存在時需要釋放內存，有些語言比如C/C++不提供內存回收機制，需要程序員手動的new/delete、malloc/free，一不小心就會造成內存泄漏，而JAVA的GC機制就很好的解決了這個問題。
自動內存管理通常有兩種垃圾回收策略：一種是引用追蹤垃圾回收（Tracing Garbage Collection，Tracing GC），另一種是基于引用計數（Reference Counting，RC）垃圾回收。JAVA上的垃圾回收采用的是GC方式，這個追蹤過程回依賴整個系統中多線程的間歇同步和停頓，可能會造成卡頓。方舟編譯器是在JAVA上嘗試RC，RC的方式是在函數返回時或異常退出時進行標記，這些操作會帶來額外的開銷，華為是想通過編譯器優化將RC開銷降低。
RC并不是一種落后的內存回收機制，廣受好評的蘋果swift就采用的RC回收機制，在用戶體驗非常重要的客戶端RC其實很適合，但是JAVA實現RC并不是很好弄，他還有龐大的舊JAVA庫。方舟編譯器引入RC機制的目的為了解決GC造成的卡頓問題， RC的機制大的問題在于可能產生循環引用，方舟編譯器的應對方法是：
1、程序員標記（目前還沒有開放給第三方）；
2、引入一個環模式匹配的算法，在Runtime里會收集環在程序過程中的信息記錄到手機上，然后給三方應有使用，這是一個學習的過程，學習完下次運行時就會快速知道如何避免這些環；
3、GC兜底確保環能正確的解掉。
確切的說方舟編譯器并沒有拋棄GC，而是采用了RC為主GC兜底的方式。當內存閾值，或者程序員調動System.GC的時候使用GC來回收內存，根據華為在首場開源技術沙龍上的說法觸發GC的幾率大概為5%，這樣確實可以大大提高流暢性，目的基本達到了。
目前方舟編譯器開源的代碼還很少，不好分析，也給出一個演示示例，這個演示示例可以做的更好一些。
解讀開源的方舟編譯器，創新的RC與多層的IR
采用RC的方式，還會有一個循環引用的問題，目前方舟編譯器開源的代碼還很少，不知這個循環引用如何解決，對于已存在庫的標記要如何添加呢？說到標記我想到了一個人工智能訓練的數據標注，從理論上來說引用的標記和解除循環也是可以自動學習的，如果說能做到自動學習，那將是編譯器這些年來大的進步。所以我對下一步的開源很有興趣，想知道是如何做的。
RC的自動學習解環是我之前沒想到的，不知道這個自動學習算法是否會開源，對于他是如何保證解環正確的還是充滿好奇。目前方舟編譯器開源的部分還是少，等待更多的開源，包括運行時。
當前題目：解讀開源的方舟編譯器，創新的RC與多層的IR
標題URL：http://m.kartarina.com/news9/98809.html
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