Golang实现JAVA虚拟机-运行时数据区

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Golang实现JAVA虚拟机-解析class文件

一、运行时数据区概述

JVM学习： JVM-运行时数据区

运行时数据区可以分为两类：一类是多线程共享的，另一类则是线程私有的。

• 多线程共享的运行时数据区需要在Java虚拟机启动时创建好，在Java虚拟机退出时销毁。
  • 对象实例存储在堆区
  • 类信息数据存储在方法区
  • 从逻辑上来讲，方法区其实也是堆的一部分。
• 线程私有的运行时数据区则在创建线程时才创建，线程退出时销毁。
  • pc寄存器（Program Counter）：执行java方法表示：正在执行的Java虚拟机指令的地址；执行本地方法：pc寄存器无意义
  • Java虚拟机栈（JVM Stack）。
    • 栈帧（Stack Frame），帧中保存方法执行的状态
      • 局部变量表（Local Variable）:存放方法参数和方法内定义的局部变量。
      • 操作数栈（Operand Stack）等。

虚拟机实现者可以使用任何垃圾回收算 法管理堆，甚至完全不进行垃圾收集也是可以的。

由于Go本身也有垃圾回收功能，所以可以直接使用Go的堆和垃圾收集器，这大大简化了工作

二、数据类型概述

Java虚拟机可以操作两类数据：基本类型（primitive type）和引用类型（reference type）。

• 基本类型的变量存放的就是数据本身
  • 布尔类型（boolean type）
  • 数字类型 （numeric type）
    • 整数类型（integral type）
    • 浮点数类型（floating-point type）。
• 引用类型的变量存放的是对象引用，真正的对象数据是在堆里分配的。
  • 类类型：指向类实例
  • 接口类型：用指向实现了该接口的类或数组实例
  • 数组类型： 指向数组实例
  • null：表示该引用不指向任何对 象。

对于基本类型，可以直接在Go和Java之间建立映射关系。
对于引用类型，自然的选择是使用指针。Go提供了nil，表示空指针，正好可以用来表示null。

三、实现运行时数据区

创建\rtda目录(run-time data area)，创建object.go文件， 在其中定义Object结构体，代码如下：

package rtdatype Object struct {// todo}

本节将实现线程私有的运行时数据区，如下图。下面先从线程开始。

3.1线程

下创建thread.go文件，在其中定义Thread结构体，代码如下：

package rtdatype Thread struct {pc intstack *Stack}func NewThread() *Thread {...}func (self *Thread) PC() int { return self.pc } // getterfunc (self *Thread) SetPC(pc int) { self.pc = pc } // setterfunc (self *Thread) PushFrame(frame *Frame) {...}func (self *Thread) PopFrame() *Frame {...}func (self *Thread) CurrentFrame() *Frame {...}

目前只定义了pc和stack两个字段。

• pc字段代表（pc寄存器）
• stack字段是Stack结构体（Java虚拟机栈）指针

和堆一样，Java虚拟机规范对Java虚拟机栈的约束也相当宽松。
Java虚拟机栈可以是：连续的空间，也可以不连续；可以是固定大小，也可以在运行时动态扩展。

• 如果Java虚拟机栈有大小限制， 且执行线程所需的栈空间超出了这个限制，会导致 StackOverflowError异常抛出。
• 如果Java虚拟机栈可以动态扩展，但 是内存已经耗尽，会导致OutOfMemoryError异常抛出。

创建Thread实例的代码如下：

func NewThread() *Thread {return &Thread{stack: newStack(1024),}}

newStack（）函数创建Stack结构体实例，它的参数表示要创建的Stack最多可以容纳多少帧

PushFrame（）和PopFrame（）方法只是调用Stack结构体的相应方法而已，代码如下：

func (self *Thread) PushFrame(frame *Frame) {    self.stack.push(frame)}func (self *Thread) PopFrame() *Frame {    return self.stack.pop()}

CurrentFrame（）方法返回当前帧，代码如下：

func (self *Thread) CurrentFrame() *Frame {return self.stack.top()}

3.2虚拟机栈

用经典的链表（linked list）数据结构来实现Java虚拟机栈，这样栈就可以按需使用内存空间，而且弹出的帧也可以及时被Go的垃圾收集器回收。

创建jvm_stack.go文件，在其中定义Stack结构体，代码如下：

package rtdatype Stack struct {    maxSize uint    size uint    _top *Frame}func newStack(maxSize uint) *Stack {...}func (self *Stack) push(frame *Frame) {...}func (self *Stack) pop() *Frame {...}func (self *Stack) top() *Frame {...}

maxSize字段保存栈的容量（最多可以容纳多少帧），size字段保存栈的当前大小，_top字段保存栈顶指针。newStack（）函数的代码 如下：

func newStack(maxSize uint) *Stack {    return &Stack{       maxSize: maxSize,    }}

push（）方法把帧推入栈顶，目前没有实现异常处理，采用panic代替，代码如下：

func (self *Stack) push(frame *Frame) {if self.size >= self.maxSize {panic("java.lang.StackOverflowError")}if self._top != nil {//连接链表frame.lower = self._top}self._top = frameself.size++}

pop（）方法把栈顶帧弹出:

func (self *Stack) pop() *Frame {    if self._top == nil {       panic("jvm stack is empty!")    }    //取出栈顶元素    top := self._top    //将当前栈顶的下一个栈帧作为栈顶元素    self._top = top.lower    //取消链表链接，将栈顶元素分离    top.lower = nil    self.size--    return top}

top（）方法查看栈顶栈帧，代码如下：

// 查看栈顶元素func (self *Stack) top() *Frame {    if self._top == nil {       panic("jvm stack is empty!")    }    return self._top}

3.3栈帧

创建frame.go文件，在其中定义Frame结构体，代码如下：

package rtdatype Frame struct {    lower *Frame               //指向下一栈帧localVars    LocalVars     // 局部变量表operandStack *OperandStack //操作数栈}func newFrame(maxLocals, maxStack uint) *Frame {...}

Frame结构体暂时也比较简单，只有三个字段，后续还会继续完善它。

• lower字段用来实现链表数据结构
• localVars字段保存局部变量表指针
• operandStack字段保存操作数栈指针

NewFrame（）函数创建Frame实例，代码如下：

func NewFrame(maxLocals, maxStack uint) *Frame {    return &Frame{       localVars:    newLocalVars(maxLocals),       operandStack: newOperandStack(maxStack),    }}

目前结构如下图：

3.4局部变量表

局部变量表的容量以变量槽(Variable Slot)为最小单位，Java虚拟机规范并没有定义一个槽所应该占用内存空间的大小，但是规定了一个槽应该可以存放一个32位以内的数据类型。

在Java程序编译为Class文件时,就在方法的Code属性中的max_locals数据项中确定了该方法所需分配的局部变量表的最大容量。(最大Slot数量)

局部变量表是按索引访问的，所以很自然，可以把它想象成一 个数组。

根据Java虚拟机规范，这个数组的每个元素至少可以容纳 一个int或引用值，两个连续的元素可以容纳一个long或double值。 那么使用哪种Go语言数据类型来表示这个数组呢？
最容易想到的是[]int。Go的int类型因平台而异，在64位系统上是int64，在32 位系统上是int32，总之足够容纳Java的int类型。另外它和内置的uintptr类型宽度一样，所以也足够放下一个内存地址。

通过unsafe包可以拿到结构体实例的地址，如下所示:

obj := &Object{}ptr := uintptr(unsafe.Pointer(obj))ref := int(ptr)

但Go的垃圾回收机制并不能有效处理uintptr指针。 也就是说，如果一个结构体实例，除了uintptr类型指针保存它的地址之外，其他地方都没有引用这个实例，它就会被当作垃圾回收。

另外一个方案是用[]interface{}类型，这个方案在实现上没有问题，只是写出来的代码可读性太差。

第三种方案是定义一个结构体，让它可以同时容纳一个int值和一个引用值。

这里将使用第三种方案。创建slot.go文件，在其中定义Slot结构体， 代码如下：

package rtdatype Slot struct {num int32ref *Object}

num字段存放整数，ref字段存放引用，刚好满足我们的需求。

用它来实现局部变量表。创建local_vars.go文件，在其中定义LocalVars类型，代码如下：

package rtdaimport "math"type LocalVars []Slot

定义newLocalVars（）函数， 代码如下：

func newLocalVars(maxLocals uint) LocalVars {    if maxLocals > 0 {       return make([]Slot, maxLocals)    }    return nil}

操作局部变量表和操作数栈的指令都是隐含类型信息的。下面给LocalVars类型定义一些方法，用来存取不同类型的变量。
int变量最简单，直接存取即可

func (self LocalVars) SetInt(index uint, val int32) {    self[index].num = val}func (self LocalVars) GetInt(index uint) int32 {    return self[index].num}

float变量可以先转成int类型，然后按int变量来处理。

func (self LocalVars) SetFloat(index uint, val float32) {    bits := math.Float32bits(val)    self[index].num = int32(bits)}func (self LocalVars) GetFloat(index uint) float32 {    bits := uint32(self[index].num)    return math.Float32frombits(bits)}

long变量则需要拆成两个int变量。(用两个slot存储)

// long consumes two slotsfunc (self LocalVars) SetLong(index uint, val int64) {    //后32位    self[index].num = int32(val)    //前32位    self[index+1].num = int32(val >> 32)}func (self LocalVars) GetLong(index uint) int64 {    low := uint32(self[index].num)    high := uint32(self[index+1].num)    //拼在一起    return int64(high)<<32 | int64(low)}

double变量可以先转成long类型，然后按照long变量来处理。

// double consumes two slotsfunc (self LocalVars) SetDouble(index uint, val float64) {    bits := math.Float64bits(val)    self.SetLong(index, int64(bits))}func (self LocalVars) GetDouble(index uint) float64 {    bits := uint64(self.GetLong(index))    return math.Float64frombits(bits)}

最后是引用值，也比较简单，直接存取即可。

func (self LocalVars) SetRef(index uint, ref *Object) {    self[index].ref = ref}func (self LocalVars) GetRef(index uint) *Object {    return self[index].ref}

注意，并没有真的对boolean、byte、short和char类型定义存取方法，这些类型的值都可以转换成int值类来处理。

下面我们来实现操作数栈。

3.5操作数栈

操作数栈的实现方式和局部变量表类似。创建operand_stack.go文件，在其中定义OperandStack结构体，代码如下：

package rtdaimport "math"type OperandStack struct {    size uint    slots []Slot}

操作数栈的大小是编译器已经确定的，所以可以用[]Slot实现。 size字段用于记录栈顶位置。
实现newOperandStack（）函数，代码如下：

func newOperandStack(maxStack uint) *OperandStack {if maxStack > 0 {return &OperandStack{slots: make([]Slot, maxStack),}}return nil}

需要定义一些方法从操作数栈中弹出，或者往其中推入各种类型的变 量。首先实现最简单的int变量。

func (self *OperandStack) PushInt(val int32) {    self.slots[self.size].num = val    self.size++}func (self *OperandStack) PopInt() int32 {    self.size--    return self.slots[self.size].num}

PushInt（）方法往栈顶放一个int变量，然后把size加1。
PopInt（） 方法则恰好相反，先把size减1，然后返回变量值。

float变量还是先转成int类型，然后按int变量处理。

func (self *OperandStack) PushFloat(val float32) {    bits := math.Float32bits(val)    self.slots[self.size].num = int32(bits)    self.size++}func (self *OperandStack) PopFloat() float32 {    self.size--    bits := uint32(self.slots[self.size].num)    return math.Float32frombits(bits)}

把long变量推入栈顶时，要拆成两个int变量。
弹出时，先弹出 两个int变量，然后组装成一个long变量。

// long 占两个soltfunc (self *OperandStack) PushLong(val int64) {    self.slots[self.size].num = int32(val)    self.slots[self.size+1].num = int32(val >> 32)    self.size += 2}func (self *OperandStack) PopLong() int64 {    self.size -= 2    low := uint32(self.slots[self.size].num)    high := uint32(self.slots[self.size+1].num)    return int64(high)<<32 | int64(low)}

double变量先转成long类型，然后按long变量处理。

// double consumes two slotsfunc (self *OperandStack) PushDouble(val float64) {    bits := math.Float64bits(val)    self.PushLong(int64(bits))}func (self *OperandStack) PopDouble() float64 {    bits := uint64(self.PopLong())    return math.Float64frombits(bits)}

弹出引用后，把Slot结构体的ref字段设置成nil，这样做是为了帮助Go的垃圾收集器回收Object结构体实例。

func (self *OperandStack) PushRef(ref *Object) {    self.slots[self.size].ref = ref    self.size++}func (self *OperandStack) PopRef() *Object {    self.size--    ref := self.slots[self.size].ref    //实现垃圾回收    self.slots[self.size].ref = nil    return ref}

四、局部变量表和操作数栈实例分析

以圆形的周长公式为例进行分析，下面是Java方法的代码。

public static float circumference(float r) {    float pi = 3.14f;    float area = 2 * pi * r;    return area;}

上面的方法会被javac编译器编译成如下字节码:

00 ldc #402 fstore_103 fconst_204 fload_105 fmul06 fload_007 fmul08 fstore_209 fload_210 return

下面分析这段字节码的执行。

circumference（）方法的局部变量表大小是3，操作数栈深度是2。
假设调用方法时，传递给它的参数 是1.6f，方法开始执行前，帧的状态如图4-3所示。

第一条指令是ldc，它把3.14f推入栈顶

上面是局部变量表和操作数栈过去的状态，最下面是当前状态。

接着是fstore_1指令，它把栈顶的3.14f弹出，放到#1号局部变量中

fconst_2指令把2.0f推到栈顶

fload_1指令把#1号局部变量推入栈顶

fmul指令执行浮点数乘法。它把栈顶的两个浮点数弹出，相乘，然后把结果推入栈顶

fload_0指令把#0号局部变量推入栈顶

fmul继续乘法计算

fstore_2指令把操作数栈顶的float值弹出，放入#2号局部变量表

最后freturn指令把操作数栈顶的float变量弹出，返回给方法调 用者

五、测试

main()方法中修改startJVM:

func startJVM(cmd *Cmd) {    frame := rtda.NewFrame(100, 100)    testLocalVars(frame.LocalVars())    testOperandStack(frame.OperandStack())}func testLocalVars(vars rtda.LocalVars) {    vars.SetInt(0, 100)    vars.SetInt(1, -100)    vars.SetLong(2, 2997924580)    vars.SetLong(4, -2997924580)    vars.SetFloat(6, 3.1415926)    vars.SetDouble(7, 2.71828182845)    vars.SetRef(9, nil)    println(vars.GetInt(0))    println(vars.GetInt(1))    println(vars.GetLong(2))    println(vars.GetLong(4))    println(vars.GetFloat(6))    println(vars.GetDouble(7))    println(vars.GetRef(9))}func testOperandStack(ops *rtda.OperandStack) {    ops.PushInt(100)    ops.PushInt(-100)    ops.PushLong(2997924580)    ops.PushLong(-2997924580)    ops.PushFloat(3.1415926)    ops.PushDouble(2.71828182845)    ops.PushRef(nil)    println(ops.PopRef())    println(ops.PopDouble())    println(ops.PopFloat())    println(ops.PopLong())    println(ops.PopLong())    println(ops.PopInt())    println(ops.PopInt())}