Java虚拟机解释执行机制研究

… … ＳＯＦｎ胍 ＲＥＤＥＶＥ１０Ｐ啊Ｅ＿Ｔ＆ＡＰＰＬＩＣ＾Ｔ１０＿…………………………………… ……… …………… ………
Ｊａｖａ虚 拟机解释执行 机制研 究
王 克伟 。胡 立 东 （江苏省车辐 中等专业学校 ，江苏 徐州 ２２１３４４） 摘 要 ：以广泛使 用的 Ｊａｖａ虚拟机 实现一 ＨｏｔＳｐ０ｔ ＪＶＭ 为研 究对 象，探 讨 了 Ｊａｖａ虚拟机 解释执 行的一般 原理 和 内在机制 。 目的在 于揭 示 Ｊａｖａ程序在 虚拟机 上的执行 过程 ，激 发广 大计 算机研 究人 员和从 业者 对底层技 术的研 究兴趣 ，从 而更好地 掌握 计算机技术和使 用计算机 工具 关键词 ：Ｊａｖａ语言 ；虚拟机 ；解释器
表 ２ Ｊａｖａ指令分类
分类 常量操 作 加 载操 作 存储 操作 栈操作 算数操作 转换操 作 比较操 作 控 制 操 作
字节 码 ０ｘ０ —０ｘ１４ ０ｘｌ５——Ｏｘ３５ ０ｘ３６．—０ｘ５６ ０ｘ５７—Ｏｘ５ｆ ０ｘ６（卜 Ｄｘ８４ ０ｘ８５—－Ｏｘ９３ ０ｘ９４——０ｘａ６ Ｏｘａ７——Ｏｘｂ１
述 、字段 信息描 述 、方法信 息描述 、类 属性信 息描述 。
常量 池信息描述部 分 由常量池个数 字段确定常量 池条 目 的数 量 ，每个常量池 条 目根据其类 型确定其大小 ．常量
９：ｊｎｖｏｋｅｖｉｒｔｕａＩ槲 ： １２：ｒｅｔｕｒｎ
、 兰／ ＂／ ￣电－２０啊１８．０技９ 与
（１）加载 ：将类文件 中的类信息加载到 内存 中。 （２）验 证 ：执 行 必要 的类 信 息 的正确 性 、合 法 性 校 验 ．． （３）准备 ：为类变量 分配空 间并准备好虚 函数 表和 接 口方法表 ，为类访问做好准备 。 （４）解析 ：将常量池 中对类 、方法 、字段 的符号引 用 解析 为对应 的内存地址 。 （５）初始化 ：执行类初始化 函数 。 ３．２ 指令模板 指 令模板 是指 为 每一 条 Ｊａｖａ指令 生成 一小 段 本地 代码 ．并 以字节码 为索引将这些 本地代码 的地 址保存在 一 维 数组 中。 当执 行一 个 Ｊａｖａ函数 时 ，以 当前 Ｊａｖａ函
讨论模板解释器的运作原理之前 ．首先说 明一下 类 的加载过程 。类加载是指将类 信息从 文件形式描述 转 换 成 内存形式描述 ．并为类 的使用 和访 问做好 准备 ．类 的加载过程包括加载 、链接 、初 始化 ３个 阶段 。其 ｒｔｌ链 接 过 程 义包 括验 证 、准备 、解 析 （可选 ）３个子 阶段 。 各 阶段的简单描述如下 ：
样６＝Ｃｌａｓｓ
＃２４： ／／ｊａｖａ／ｌａｎｇ／Ｏｂｊｅｃｔ
＃７ ＝ Ｕｔｆ８
＜ｉｎｉｔ＞：
＃８ ＝ Ｕｔｆ８
（）Ｖ：
＃９ ＝ Ｕｔｆ８
Ｃｏｄｅ；
＃１ ０ ＝ Ｕｔｆ８
ＬｉｎｅＮｕｍ ｂｅｒＴａｂｌｅ；
＃１ １＝ Ｕｔｆ８
ｍａｉｎ；
令 序列 。Ｊａｖａ指令 集是 由 Ｊａｖａ虚拟 机规 范 定 义的 、具 有 固定 指令 个 数和 语义 的字节 码 序列 。通 常 一 条 Ｊａｖａ 指令 对应单个字节 ，即只含有操 作码 ，操作数 默认使用 表 达 式栈 的栈 顶 数据 ，部 分 Ｊａｖａ指 令 对 应 多个 字节 ， 即含有操 作码和操作数两部分 ，操作数根据操 作码 的不 同而有所区别 ，对于加载存储类 指令 ，操作数 通常是局 部 变量 表 的索 引 。Ｊａｖａ指令 集 的分类 以及 Ｊａｖａ示例 代 码对应 的字节码如表 ２所示 。
样１ ７＝ ＮａｍｅＡｎｄＴｙｐｅ ＃７：｝｝８： ／／ ”＜ｉｎｉｔ＞“：０Ｖ
样１ ８＝ ＮａｍｅＡｎｄＴｙｐｅ 襻１ ３：挣１ ４： ／／ ｍｙｆｕｎｃ：（Ｉ）ｌ
由表 １可以看 出 ，类 文件结构 主要 由以下几 部分构
成 ：类基 本信 息 描述 、常 量池 信息 描 述 、接 １：３信 息 描
描 述 将各类常 最值放人栈 从 ＬｖＴ或数组 加载数据到栈 将 栈数据存储到 ＬＶＴ或数组
栈顶数据复制 基本类型 的算数运算 各类 型数 据之间的转换 栈 顶数据比较控制指令转移
指令返 回或跳转
＃１ ２＝Ｕｔｆ８
＃１３ ＝ Ｕｔｆ８ 样１４＝ Ｕｔｆ８ ＃１ ５ ＝ Ｕｔｆ８
Ｍａｓｌｃ（魔数 ）
版本 号
次版本号 主版本号
常量池
常量池 个数 常量池条 目
字节数 ４ ２ ２ ２
可变
收稿 日期 ：２０１８—０６—１９
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． ， ． …
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…Baidu Nhomakorabea
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实 用第一 智慧 密集
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Ｊａｖａ源 程序 是按 照 Ｊａｖａ语 法编 写 的表达 特 定 功能 的一段代码 。与 ｃ或 ｃ＋＋语言相 比 ，Ｊａｖａ语 言的优势在 于其提供 了丰富的类 库支持 、 自动化 的内存 管理 、跨平 台执行等特性 。Ｊａｖａ源程序 可以看作是 由众多类组 成 的 集合 ，编写 Ｊａｖａ代码是实 质上是 在编写不 同的 Ｊａｖａ类 。 以下是 一个 简单 的 Ｊａｖａ类 的定 义 ，更 详细 的 Ｊａｖａ程序 编写规则可 以参考 Ｊａｖａ语 言规范。
ｍａｊｏｒ ｖｅｒｓｉｏｎ：５０
ｆｌａｇｓ：ＡＣＣ ＰＵＢＬＩＣ，ＡＣＣ ＳＵＰＥＲ
—
—．
Ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｏｏｌ：
祥１＝Ｍｅｔｈｏｄｒｅｆ 桶 ．撑１ ７： ／／ｊａｖａ／ｌａｎｇ／Ｏｂｊｅｃｔ．＂＜
ｆｉｎｉｔ＞“：（）Ｖ
样２＝ Ｍｅｔｈｏｄｒｅｆ ＃５．撑１ ８： ／／ｍｙｔｅｓｔ．ｍｙｆｕｎｃ：（Ｉ）１
ｌ 概 述 目前 ，Ｊａｖａ已经 是世界上最流行 的语言之一 ，广 泛
应 用于互联 网 、企业 网 、嵌入式设备 等众多领 域 Ｊａｖａ 流行 的一个 重要原 因得益 于 Ｊａｖａ程序 跨平 台执行 的优 势 ， 即 一 次 编 译 后 可 以 在 任 何 安 装 有 Ｊａｖａ虚 拟 机 （ＪＶＭ）的机 器上 运行 。虽然 Ｊａｖａ程序 是平 台无 关 的 ． 但 Ｊａｖａ虚拟 机 却是 平 台相 关 的 。在 某 种意 义 上 ．Ｊａｖａ 语 言使 用上 的简便 性是建 立 在 Ｊａｖａ虚 拟 机实现 的 复杂 性 的基础 之 上的 。探 讨 的 Ｊａｖａ虚拟机 解 释执 行机 制是 Ｊａｖａ官方 采用 的 ＨｏｔＳｐｏｔ ＪＶＭ。在 Ｉｎｔｅｌｘ８６ ３２位 ＣＰＵ架 构下 的实现 。 ２ 解释执行基础
如 下所示 的 Ｊａｖａ示 例代 码 只包含 了两 个 简单 的静
态方法的定义 ，其 中 ｍａｉｎ方法 为 Ｊａｖａ程序的人 口方法 ， 包含 ｍａｉｎ方法的类 为启 动类 、在 Ｊａｖａ虚 拟机 开始执行 ｍａｉｎ方 法时 ，Ｊａｖａ启动代码 （Ｊａｖａ命令 ）先将 动类加 载到虚 拟机 中 ，再找 到 ｍａｉｎ方 法 的对应 的信息 ，最后 通 过特 定 的接 ［】（Ｊａｖａ Ｎａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｒｆａｅｅ）调用 跳转 到虚 拟机 中执行 ｍａｉｎ方法对应 的 Ｊａｖａ指令 。
ｆ［Ｌｊａｖａ／ｌａｎｇ／Ｓｔｒｉｎｇ；）Ｖ；
ｍｙｆｕｎｃ； （Ｉ）１： ＳｏｕｒｃｅＦｉｌｅ；
对象操作 扩展操作 保留指令
Ｏｘｂ２——０ｘｃ３ ０ｘｃ４——Ｏｘｃ９ ０ｘｃａ——Ｄｘｆｒ
对象数据访 问或方 法调用 扩展索引长度 未用
样１ ６＝Ｕｔｆ８
ｍｙｔｅｓ：ｔ ｊａｖａ
Ｉ软 件 研 发 与 应 用 ｊ
Ｓ０ＦＴＷ ＡＲＥＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＡＰＰＬｉＣ盯 ＩＯＮ… … － … …… － ．
。
ｐｕｂｌｉｃ ｓｔａｔｉｃ ｉｎｔ ｍ ｙｆｕｎｃ（ｉｎｔ）； Ｃｏｄｅ： ０＝ｉｌｏａｄ ０
一
１：ｉｃｏｎｓｔ １ 一
２：ｉａｄｄ ３：ｉｒｅｔｕｒｎ
虽 然 Ｊａｙａ语 言在语 法 上具 有复 杂多 样 的特点 ，但 Ｊａｖａ虚 拟机更 多关 注 的是 Ｊａｖａ源程序 经过 Ｊａｖａ编 译器 产生 的结果一 类 （ｃｌａｓｓ）文件结 构。Ｊａｖａ虚拟机 的整个 运作过程都是 围绕类 文件 展开的 ，每一个类 文件 对应一 个 Ｊａｖａ源 文件 中定义 的类或接 口的二进 制表 示 。在类 文件 中既包含有类 源文件定义的字段 、方法 、实现 的接 口等信息 ，也包含 了虚拟 机运行所需要常量 池 、方法 的 局部变量表大小 、表达式栈 深度等信息 ，有关类 文件 的 描述见 ２．２节 。 ２．１ Ｊａｖａ语 言
。
．
。
．
，
名 称 访问标志
字节数 ２
池类 型在 Ｊａｖａ虚拟机 规范标 准版 ８中定 义 了 ｌ４种 ，每 一 种类 型的详 细描述可参考规 范中的定义 ，上段 代码展
ｊ 接口 Ｉ 字段
方 法 属 性
类索引 父类索引
接 口个数 接 口条 目 字段 个 数 字段条 目 方 法 个 数 方法条 目 属性个数 属性条 目
＃３＝Ｆｉｅｌｄｒｅｆ ＃１ ９．＃２０： ／／ｊａｖａ／ｌａｎｇ／Ｓｙｓｔｅｍ．ｏｕｔ：
／／Ｌｊａｖａ／ｉｏ／ＰｒｉｎｔＳｔｒｅａｍ：
样４＝Ｍｅｔｈｏｄｒｅｆ ＃２１．＃２２ ／／ｊａｖａ／ｉｏ／ＰｒｉｎｔＳｔｒｅａｍ．
／／ｐｒｉｎｔｌｎ：（Ｉ）Ｖ
＃５＝ Ｃｌａｓｓ
＃２３： ／／ ｍｙｔｅｓｔ
ＨｏｔｓＳｐｔ，ｔ ＪＶＭ提供 两种解释执行方 式 ：ＣＰＰ斛释 不１】模 板斛释器 。ＣＰＰ解释器利用编译 器编译的 ｃ代码 解 释执 行 Ｊａｖａ指 令 ．模 板 解释器 在 虚拟机 初 始化 阶段 预 先为 每 一条 Ｊａｖａ指 令动 态生成 机 器码 ，＿ ｊｔ使 用这 些 产 ， 的 机器码 来执 行 Ｊａｖａ指 令 。模 板 解 释器不 仅 可 以解 释方Ｊ＝Ｉ＝执 行 Ｊａｖａ代码 ，对 于频 繁调 用 的 Ｊａｖａ函数还 会 编 成本地机器代码 ，以 接 函数 调用 的方式运行 ． 此 ¨ Ｈｔ）ｔＳｐｏｔ默 认使Ｊｌｊ的足模板解 释器 。 ３．１ 类 加 载
） ） ２．２ 类 文 件 结 构
类 文件 是 由 Ｊａｖａ编译 器生 成 的 、与操 作 系统 与硬 件 架构 无关 的 、对 Ｊａｖａ源 义件 的二 进 制描述 。类 义件 的结构 由 Ｊａｖａ虚拟机规范严格 定 义．类 义件结 构如表 １ 所 示 。
表 １ 一 类文件 结构
名称
如 Ｌ所爪 代石ｔ５，ｍｙｆｕｎｃ函数的功能将人参加 １后 返 旧 ．经 编 译 对应 的 Ｊａｖａ指令有 ４条 ，ｉｌｏａｄ＿Ｏ指 令将 局部 变 啦 笫 一个 元素 作 为整 型数据 加载 到操 作 数 栈 顶 ，即将 人参 入栈 ，ｉｅｏｓｎｉ一１指 令将 整数 １存人操 作 数 栈 顶 ，ｉａｄｄ指 令将 操作 数栈 顶 的 前两 个整 数 弹 Ｈ｛并 相 ＪＪｌｌ，Ｊｆ 将结果放入操作 数栈 ，ｉｒｅｔｕｒｎ指令将栈 顶整 型数 据 弹… ３ｔ：返 给渊用者 、 ３ 模 板 解 释 器
２ ２ ２ 可变 ２ 可 变 ２ 可变 ２ 可变
示 了Ｊａｖａ示例代码对应 类文件 中的部分常量池 信息 。常 量 池的引用会 出现在编译 后方 法的字节码 中 ，每一个 方 法的描述对应一个方法 条 目。方法条 目和字段 条 目根据 其 包含属性信息 的不 同 ，条 目大小有所差 异。有关属性 信息的详细说 明请参考 虚拟机 规范 。 ２．３ Ｊａｖａ指 令 集
从类 的文件结 构可知 ，Ｊａｖａ源文件 中的方法或 函数 通过类文件结构 中的方法信息描述 ，每一个非抽象 方法 条 目会拥有一 个 Ｃｏｄｅ属性 ，包含该 方法对 应 的 Ｊａｖａ指
ｐｕｂｌｉｃ ｃｌａｓｓ ｍ ｙｔｅｓｔ
ＳｏｕｒｃｅＦｉｔｅ： ｍｙｔｅｓｔ．ｊａｖａ。
ｍ ｉｎＯｒ ｖｅｒｓｉｏｎ：０
ｐｕｂｌｉｃ ｃｌａｓｓ ｍｙｔｅｓｔ ｛
ｐｕｂｌｉｃ ｓｔａｔｉｃ ｖｏｉｄ ｍａｉｎ（Ｓｔｒｉｎｇ［】ａｒｇｓ） ｛
ｉｎｔ ａ＝ ｍｙｆｕｎｃ（１）： Ｓｙｓｔｅｍ ．ｏｕｔ．ｐｒｉｎｔｌｎ（ａ）； ） ｐｕｂｌｉｃ ｓｔａｔｉｃ ｉｎｔ ｍｙｆｕｎｃ（ｉｎｔ Ｐ） ｆ
ｒｅｔｕｒｎ ｐ＋ｌ：