x86 架構 Android 應用程式的優化技巧與訣竅

x86 架構 Android 應用程式的優化技巧與訣竅

Intel 公司非常重視如何為開發人員提供可在 Intel 架構上運作正常 (甚至是效能最佳) 的 Android 應用程式。雖然 Intel 致力於社群層級，包括最佳化 Dalvik Java、V8 引擎及 Bionic C；為程式碼基底做出貢獻；並為 IA 提供 32 與 64 位元核心的版本；但 Intel 也同樣創造多種新工具來協助 Android 開發人員。上述工具主要用於提升效能，以超越 x86 預設的 ARM 轉譯層提供的效能：libhoudini
但是首先應選擇正確的工具。建立 Android 應用程式有三種常見的方法。

1. 使用 Android SDK API 編譯 Java，以便在 Dalvik VM 中執行。附註：針對 ART 的說明文章近期之內即可在 Android L 取得。
   使用最新的 SDK 以顧及最大的差異，雖然您可能比較注重針對高解析度螢幕所配置的記憶體。最值得注意的是，如果藉由 Intel® HAXM (需要將 Intel® 虛擬技術與 XD 設為開啟) 提升 Android 模擬軟體的速度，將可加快測試的速度。
2. 聚焦於網頁的 HTML5 與 JavaScript。有關開放原始碼 Android 資訊，請參閱 Android-IA 網站。
3. 建立或移植的 NDK (以 C++ 撰寫)。如果有密集使用處理器的功能或已有 C++ 程式碼，那麼這是比較理想的方法。原生 C++ 程式碼通常 (不一定) 會因為以「原生」的語言溝通而使執行速度較快，因為程式碼在執行之前會編譯為二進位，而且不需要解譯為機器語言。

本文將聚焦於最佳化以 NDK 為基礎的應用程式。這些應用程式可能僅使用 C/C++ 程式碼，或可能包含第三方程式庫及 / 或組合碼。
附註：如果尚未擁有 Android 開發環境 (IDE)，新工具套件 Intel® INDE (Intel® Integrated Native Developer Experience) 將載入選取的 Android IDE 並下載及安裝多種 Intel 工具，以便協助您製作、編譯、疑難排解及發佈 Android 應用程式。按一下這些連結以瞭解一系列有關註冊及安裝 Intel® INDE 及使用 Eclipse* IDE 進行設定的方法。以及有關設定 NDK 與 SDK*、Eclipse*，以及執行於模擬器 (包括如何加快其速度) 或 Intel® 架構裝置的影片連結。
在高階部分，NDK 開發包括以下步驟及最低變更，以便在 x86 架構上運作。

1. 建立 Android 專案及 jni 資料夾。編輯 Application.mk 以顯示 APP_ABI = all (如果檔案大小是 ARM* 及 x86 允許的，即可放入相同的套件中) 或 x86。附註：APP_ABI 設定也會影響浮點運作操作 - 請參閱以下內容。
2. 程式碼。任何原生 (C++) 程式碼皆可重複使用。重新撰寫所有內嵌組譯碼或 ARM 特定程式碼。使用 javah 建立 JNI/ 原生程式碼標頭檔。在 Windows 標準 C++ 慣例與 Java/JNI 之間進行解譯時，請務必使用 JNIEXPORT 與 JNICALL 巨集。
3. 編譯 / 建置程式庫 (呼叫會產生 .so 程式庫並將它們放入適當的專案目錄)。使用「ndk-build APP_ABI = X86」以及少數幾個建置旗標變更 - 請參閱以下內容。另外，請務必重新編譯所有的第三方程式庫。
4. 從 Java 呼叫。在 Java 中宣告原生 (C++) 函式呼叫，並使用 System.loadlibrary() 載入共用的程式庫。
5. 除錯。執行 ndk-build 並將資訊清單設為可除錯，即可使用 ndk-gdb 除錯。請確定 adb 目錄已加入至 PATH，且只有一個目標正在執行。

除了基本的「移植」之外，還有一些最佳化可以使用，

最佳化秘訣：

1. 使用 Intel® HAXM 硬體輔助模擬，加快以軟體為基礎的 Android 模擬器。Intel® HAXM 需要將 Intel® 虛擬化技術 (Intel® VT) 及 XD 設為開啟。
2. 依據您的檔案大小限制，設定 APP_ABI = x86 (建立一個內含所有二進制檔案的 APK) 或 = armeabi armeabi-v7a x86。(注意，x86 與 armeabi-v7a-x86 (在某種程度上) 同樣包含硬體浮點)
3. 在編譯過程中，使用 gcc "-malign-double"。(這用於記憶體對齊 - 另請參閱 #9)
4. 在編譯過程中，新增適當的 CPU 執行緒旗標
   針對 Intel® Atom™ 處理器超執行緒功能，可嘗試 -mtune=atom -mssse3 -mfpmath=sse
   針對非超執行緒 (BYT、SLM、Merrifield)，使用 -mtune=slm -msse4.2 -mfpmath=sse
   使用 -march= 以限制指定的 CPU (mtune 可執行於更多的機型，但是僅針對列出的類型進行最佳化)。
   -mavx 尚無法在 Atom 上使用。
5. 使用 Little Endian (預設使用 NDK)。ARM* 支援 Big 與 Little Endian，Intel® Atom™ 僅支援 Little，因此請檢查您的 gcc 旗標。
    
6. 使用 v 4.8 的 gcc。注意這兩個工具鏈路徑 (android-ndk\toolchains\arm-linux-androideabi-4.8 以及 x86 android-ndk\toolchains\x86-4.8
7. 請務必使用正確的 JNIEXPORT 方法簽章，將輸入方法設定至原生碼 - (符合標頭檔的函式簽章，以確保原始碼可在 Windows 上編譯*)。
   JNIEXPORT void JNICALL Java_ClassName_MethodName
8. 編譯之後，請檢查系統記錄，確定目標原生程式庫已在執行階段順利載入。(這將會在記錄中顯示為 "added shared lib //<path>"
9. 強制對齊記憶體，以避免載入錯誤及網路封包問題。ARM 佔用 24 位元組，但需要 8 位元組對齊才能使用 64 位元變數，而 x86 佔用 16 位元組，因此請盡量確保資料結構的 16 位元組對齊。接著，從該結構載入至 XMM 暫存器時，請使用對齊搬移 (MOVAPS、MOVNTA)。請參閱減少非對齊記憶體存取的影響。
10. 由於 Intel® Atom™ 處理器沒有 L3 快取，因此請將資料直接寫入至主記憶體 (串流儲存指令 MOVNTPS、MOVNTQ)；如此一來，也能避免快取收回時發生「dirty writeback」以節省使用的頻寬。
11. 避免因為有限的 L2 快取而造成停滯。除了特定實例之外 (資料載入與儲存至相同的位址，相同大小的運算元，以及從一般目的暫存器完成)，Intel® Atom™ 處理器上的負載將會在寫入至快取時停滯幾個週期。另外，SSE 運算元儲存 (來自 xmm 暫存器) 永遠不會轉送至後續負載。
    因此針對轉送與非轉送的情況，應嘗試在暫存器中運算資料，在 xmm 暫存器中執行加總。以 mp3 解碼器為例，有一個「窗型」迴圈在暫存器中累加 / 運算總數，然後加總各暫存器的總數。
    如此一來，從 16 位元組儲存到 pSum 陣列，以及來自 pSum 的後續 4 位元組負載之間便會發生阻隔的儲存轉送停滯。為避免發生此問題，可使用 HADDPS 指令或一系列的 add 和 shuffle，在 xmm 暫存器中運算水平加總。(但請注意，HADDPS 序列在 Intel® Atom™ 處理器上速度較快，但在 Intel Core 其他版本的處理器上則較慢)。利用 SSE min 和 max 指令執行超出 16 位元範圍的樣品修剪。
12. 使用前請先將整個 XMM 暫存器初始化 (MOVLPS、MOVHPS、PINSRW)，因為有些指令僅載入部分的暫存器，如此會因為仍殘留於另一部分的程式碼而造成問題。
13. 閱讀有關最佳化 SIMD 指令 (Intel SSE vs. ARM* NEON*) 的文件。考慮使用程式庫NEONvsSSE_5.h 可在此取得 (取代 arm_neon.h)。此外，此文件還提到在使用常數時會有效能損耗 (如果可能的話，不要在迴圈中進行初始化，而是以邏輯 / 比較運算取代)，並且避免序列實作 (使用向量化)。
14. divide 與 sqrt 運算耗用過多週期，可利用 table-lookup 運算、reciprocal approximation (RCPPS 指令) 或 Newton-Raphson 序列予以取代。

15. 注意浮點呼叫。使用 Float 取代 Double (因為 Double 通常使用 SW lib 常式)。Float 不僅速度較快，還能節省 Intel® Atom™ 處理器的記憶體頻寬。除此之外，APP_ABI 設定是否使用 SW (armeabi) 或 HW (X86, armeabi-v7a x86) 浮點。您不會永遠想要使用 x86 演算法計算整個 HW FPU 運算。(舉例來說，在 integer 程式碼中除以平方是快速的右移位運算，但對於 Android 最佳化而言，應用倒數相乘取代 (y=x*.5 取代 y=x/2)
16. 減少小型函式的負荷。在各種場合使用 Inline 函式，包括參數傳遞、新堆疊框設定 / 舊堆疊框還原 / 保留呼叫程式的堆疊框、將位址放入堆疊；傳回值呼叫以及返回函式。另請參閱 Intel® 64 與 IA-32 架構最佳化參考手冊

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有關編譯器最佳化的更完整資訊，請參閱最佳化聲明。
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