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Relph1119/JVMByPython

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记录自己用Python完成编写JVM的过程

项目完全参考张秀宏的《自己动手写Java虚拟机》代码结构,在此向本书作者表示感谢。

运行环境

Python 版本:3.7.2
PyCharm 版本:PyCharm 2018.3.7 (Professional Edition)
Java版本:1.8

代码结构

images---------------------------------运行截图
java-----------------------------------java的代码与class文件
+----class-----------------------------java编译生成的class文件
+----code------------------------------java的测试代码
src------------------------------------jvm代码
+-----ch01-----------------------------对应书中第1章实现代码
+-----ch02-----------------------------对应书中第2章实现代码
+-----ch03-----------------------------对应书中第3章实现代码
+-----ch04-----------------------------对应书中第4章实现代码
+-----ch05-----------------------------对应书中第5章实现代码
+-----ch06-----------------------------对应书中第6章实现代码
+-----ch07-----------------------------对应书中第7章实现代码
+-----ch08-----------------------------对应书中第8章实现代码
+-----ch09-----------------------------对应书中第9章实现代码
+-----ch10-----------------------------对应书中第10章实现代码
+-----develop_code---------------------持续开发的实现代码
      +-----classfile------------------class文件解析的对象类
      +-----classpath------------------类路径目录
      +-----instructions---------------指令集
      +-----native---------------------本地方法目录
      +-----rtda-----------------------运行时数据区

注意: 将src和develop_code设置成sources Root,可避免代码的引包报错。

代码编写与运行结果

项目的所有运行都是采用直接运行Main.py的方式,请读者运行时注意。

第1章-命令行工具

完成一个简易的命令行工具,使用各种参数执行JVM命令
传入参数:

--cp foo/bar MyApp arg1 arg2

  1. 采用OptionParser作为命令行解析器,具体处理的打印输入留给Cmd类去处理。
  2. 在使用命令行解析器时,必须使用"--X"表示参数,不能按照书中的"-"进行编码。

第2章-搜索class文件

完成搜索class文件功能,类路径的查找,按照搜索的先后顺序,类路径可以从以下3个部分查找:启动类路径、扩展类路径、用户类路径。 传入参数:

--Xjre "D:\JavaTools\jdk1.8.0_151\jre" java.lang.Object

  1. pathListSeparator引用路径写死为分号“;”,Linux下面为冒号。
  2. 由于class是Python的关键字,所有代码中的class改为了class_name。
  3. 如果该结构体是数组,由于Python无法表示结构数组,故类初始化的时候初始一个数组。

第3章-解析class文件

完成解析class文件功能,将class文件加载之后,按照JVM规范,读取字节,存储class的版本号,类属性、方法、接口的对象。
传入参数:

--Xjre "D:\JavaTools\jdk1.8.0_151\jre" java.lang.String

  1. 采用property注解,将一些方法设置为属性,以方便对象属性调用;
  2. 对于一些要使用len()函数的对象,添加了相关的内置函数__len__()实现。

第4章-运行时数据区

  实现运行时数据区(run-time data area),可分为两类:一类是多线程共享的,另一类是线程私有的。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。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。
  多现场共享的内存区域主要存放两类数据:类数据和类实例(也就是对象)。对象数据存放在堆中,类数据存放在方法区中。线程私有的运行时数据区用于辅助执行Java字节码。

第5章-指令集和解释器

  在前两章的基础上编写了一个简单的解释器,并实现大约150条指令,可以执行100个整数求和的程序,能得到5050的正确答案。

第6章-类和对象

  实现线程共享的运行时数据区,包括方法区、运行时常量池、类和对象、一个简单的类加载器,以及ldc和部分引用类指令。

第7章-方法调用和返回

  基本完成了方法调用和返回,并实现了类初始化逻辑,已经可以运行Fibonacci程序(求第30个Fibonacci数)。

  1. 程序需要运行好长时间,毕竟采用的是递归
  2. 目前有3个todo没有处理,其中没有采用深拷贝,不知道之后的程序会有什么问题。

第8章-数组和字符串

实现了数组和字符串的加载,终于可以运行HelloWorld程序了。

  1. 解析并执行BubbleSortTest(冒泡排序)算法
  2. 解析并执行HelloWorld程序,打印出Hello world!
  3. 解析并执行PrintArgs程序,打印出传入的参数

本章总结:

  1. 排查了冒泡排序算法执行时的问题,由于DUP指令的实现问题,之前采用的是slot的深拷贝,导致在对象引用置空的时候,不能将slot里的引用同时置空,解决方法:自己实现了一个copy_slot方法,创建一个Slot对象将num和ref都进行复制即可。
  2. 在测试HelloWorld程序时,解析java.lang.CharSequence类报错,最后查看到是由于ConstantMethodHandleInfo类中的read_info读取问题导致的。

第9章-本地方法调用

实现了本地方法调用的指令,以及Java类库中一些最基本的类和本地方法,有如下本地方法:java.lang.Object.getClass()、java.lang.Class.getPrimitiveClass()、java.lang.Class.getName0()、java.lang.Class.desiredAssertionStatues0、System.arrayCopy()、Float.floatToRawIntBits()、Double.doubleToRawLongBits()

  1. 执行GetClassTest程序,得到基本数据类型的类getName()结果。
  2. 执行StringTest程序,得到字符串判断的结果
  3. 执行ObjectTest程序,得到对象的hashCode值,生成hashCode的代码是直接利用内置函数hash()生成的
  4. 执行CloneTest程序,可以观察到克隆的对象与原始对象的pi值不一样
  5. 执行BoxTest程序,可以打印出数组的元素

本章总结:

  1. 由于invokenative指令是动态执行本地方法,又因为本地方法在不同的模块里,因此自己实现了动态加载模块,并执行对应的函数方法。
  2. 在doubleToRawLongBits本地方法中处理大数值超长的bits转换采用了如下代码:
    s = struct.pack('>q', ctypes.c_uint64(bits).value)  
    value = struct.unpack('>d', s)[0]
  3. 在产生运行时常量池时,ConstantDoubleInfo类的read_info不能直接使用ctypes进行转换,会导致float转换异常,需要用struct进行数值转换。
    bytes_data = int.from_bytes(class_reader.read_unit64(), byteorder='big')  
    self.val = struct.unpack('>d', struct.pack('>q', bytes_data))[0]
  4. 重构了OperandStack、LocalVars和Slots类下面的有关double和float的get/set方法,为了检查错误,打印出了operand_stack.slots和local_vars的数据。

第10章-异常处理

实现了异常抛出和处理、异常处理表、athrow指令。在Java语言中,异常可以分为两类:Checked异常和Unchecked异常。Unchecked异常包括java.lang.RuntimeException、java.lang.Error以及它们的子类,其他异常都是Checked异常。所有异常都最终继承自java.lang.Throwable。如果一个方法有可能导致Checked异常抛出,则该方法要么需要捕获该异常并妥善处理,要么必须把该异常列在自己的throws子句中,否则无法通过编译。Unchecked异常没有这个限制。

  1. 执行ParseIntTest程序,输出参数123
  2. 执行ParseIntTest程序,输出参数abc
  3. 执行ParseIntTest程序,无输出参数,会抛出异常信息

本章总结

  1. 字符串在class文件中是以MUTF-8(Modified UTF-8)方式编码的。Java序列化机制也使用了MUTF-8编码。java.io.DataInput和java.io.DataOutput接口分别定义了readUTF()和writeUTF()方法,可以读写MUTF-8编码的字符串。由于遇到了0xC0的问题,于是重构了decode_mutf8()方法,按照书中代码,也同样实现了一套字符转换,但是在python并不能将超过255的字符转换成字符串,于是查了Java1.8的代码,发现最后是强转成char,于是修改为如下代码:
    "".join([chr(d) for d in char_arr])
    jdk的String实现
  2. 打印异常信息,不用像go语言那样采用反射,Python语言可以直接用如下代码执行:
    for ste in ex.extra:  
        print("\tat", ste)
    

总结

  历时8天完成1-10章的代码,基本实现了一个JVM的功能,能提供如下命令:

-v, --version : 版本号
--verbose:class : 打印类加载信息
--verbose:inst : 打印指令
--cp, --classpath : 用户类路径
--Xjre : jre的路径

  其中遇到的问题都写在前面了,目前完成的功能有基本的命令行、class文件搜索和解析、运行时数据区、指令集和解释器、类和对象、方法调用和返回(支持迭代和递归)、数组和字符串类的加载、调用本地方法、打印异常信息。
  还需要完成第11章的内容,未来有空会根据《JVM G1源码分析和调优》撰写一个G1的垃圾回收器。

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《自己动手写Java虚拟机》JVM的python实现

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