Golang实现JAVA虚拟机-运行时数据区

2023-12-25 03:33 由橡皮筋儿发表于 #其他

原文链接：https://gaoyubo.cn/blogs/8ae1f4ca.html

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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 rtda
type 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 rtda
type Thread struct {
	pc int
	stack *Stack
}
func NewThread() *Thread {...}
func (self *Thread) PC() int { return self.pc } // getter
func (self *Thread) SetPC(pc int) { self.pc = pc } // setter
func (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 rtda
type 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 = frame
	self.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 rtda
type 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 rtda

type Slot struct {
	num int32
	ref *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 rtda
import "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 slots
func (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 slots
func (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 rtda
import "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solt
func (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 slots
func (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 #4
02 fstore_1
03 fconst_2
04 fload_1
05 fmul
06 fload_0
07 fmul
08 fstore_2
09 fload_2
10 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())
}