Skip to content

unicool/jvmgo

BranchesTags

Folders and files

NameName
Last commit message
Last commit date

Latest commit

 

History

13 Commits

doc

doc

 
 

src/jvmgo

src/jvmgo

 
 

.gitignore

.gitignore

 
 

ClazzTest.java

ClazzTest.java

 
 

FibonacciTest.java

FibonacciTest.java

 
 

README.md

README.md

 
 

Repository files navigation

java virtual machine

字节码文件文件结构核心定义

class file path

  • 启动类路径(bootstrap classpath)： -> jre/lib
  • 扩展类路径(extension classpath)： -> jre/lib/ext
  • 用户类路径(user classpath)： -> -classpath/-cp

class file architecture

为了描述class文件格式，Java虚拟机规范定义了u1、u2和u4三种数据类型来表示1、2和4字节无符号整数，分别对应Go语言的uint8、uint16和uint32类型

ClassFile {
    u4                          magic; // 0xCAFEBABE
    u2                          minor_version;
    u2                          major_version;
    u2                          constant_pool_count;
    cp_info                     constant_pool[constant_pool_count-1];
    u2                          access_flags;
    u2                          this_class;
    u2                          super_class;
    u2                          interfaces_count;
    u2                          interfaces[interfaces_count];
    u2                          fields_count;
    field_info                  fields[fields_count];
    u2                          methods_count;
    method_info                 methods[methods_count];
    u2                          attributes_count;
    attribute_info              attributes[attributes_count];
}

constant_pool

Java虚拟机规范一共定义了14种常量

cp_info {
    u1 tag;
    u1 info[];
}
tag_const ( // 区别于运行时常量池
	CONSTANT_Class              = 7     // u2(name_index)
	CONSTANT_Fieldref           = 9     // u2(class_index) + u2(name_and_type_index)
	CONSTANT_Methodref          = 10    // u2(class_index) + u2(name_and_type_index)
	CONSTANT_InterfaceMethodref = 11    // u2(class_index) + u2(name_and_type_index)
	CONSTANT_String             = 8     // u2(Utf8 index)
	CONSTANT_Integer            = 3     // u4
	CONSTANT_Float              = 4     // u4
	CONSTANT_Long               = 5     // u4(high_bytes) + u4(low_bytes)
	CONSTANT_Double             = 6     // u4(high_bytes) + u4(low_bytes)
	CONSTANT_NameAndType        = 12    // u2(name_index) + u2(descriptor_index)
	CONSTANT_Utf8               = 1     // u2(length)+bytes
	CONSTANT_MethodHandle       = 15    // u1(reference_kind) + u2(reference_index)
	CONSTANT_MethodType         = 16    // u2(descriptor_index)
	CONSTANT_InvokeDynamic      = 18    // u1(bootstrap_method_attr_index) + u2(name_and_type_index)
)

field_info & method_info

字段和方法的基本结构大致相同，差别仅在于属性表

member_info {
    u2                          access_flags;
    u2                          name_index;
    u2                          descriptor_index;
    u2                          attributes_count;
    attribute_info              attributes[attributes_count];
}

eg: descriptor_index

attribute_info

Java虚拟机规范预定义了23种属性，按照用途可以分为三组。第一组属性是实现Java虚拟机所必需的，共有5种；第二组属性是Java类库所必需的，共有12种；第三组属性主要提供给工具使用，共有6种。第三组属性是可选的，也就是说可以不出现在class文件中。

attribute_info {
    u2 attribute_name_index;
    u4 attribute_length;
    u1 info[attribute_length];
}

attributes

access_flags

字段和方法的访问标志含义有所区别

const (
	ACC_PUBLIC       = 0x0001 // class field method
	ACC_PRIVATE      = 0x0002 // field method
	ACC_PROTECTED    = 0x0004 // field method
	ACC_STATIC       = 0x0008 // field method
	ACC_FINAL        = 0x0010 // class field method
	ACC_SUPER        = 0x0020 // class
	ACC_SYNCHRONIZED = 0x0020 // method
	ACC_VOLATILE     = 0x0040 // field
	ACC_BRIDGE       = 0x0040 // method
	ACC_TRANSIENT    = 0x0080 // field
	ACC_VARARGS      = 0x0080 // method
	ACC_NATIVE       = 0x0100 // method
	ACC_INTERFACE    = 0x0200 // class
	ACC_ABSTRACT     = 0x0400 // class method
	ACC_STRICT       = 0x0800 // method
	ACC_SYNTHETIC    = 0x1000 // class field method
	ACC_ANNOTATION   = 0x2000 // class
	ACC_ENUM         = 0x4000 // class field
)

JVM 内存结构

run-time data area

![run-time data area](.\doc\run-time data area.jpg)

thread

线程私有的运行时数据区，用于辅助执行Java字节码

  • pc寄存器（Program Counter）
  • java虚拟机栈（JVM Stack）
    • Stack Frame
      • Local Variable
      • Operand Stack
      • head.Method
      • nextPC // the next instruction after the call

指令集和解释器

  • 目前定义了205条指令：0x00 - 0x202, 0xFE, 0xFF
  • 指令分类：常量（constants）、加载（loads）、存储（stores）、操作数栈（stack）、数学（math）、转换（conversions）、比较（comparisons）、控制（control）、引用（references）、扩展（extended）、保留（reserved）
  • new：创建类实例

    通过该uint16索引，从当前类的运行时常量池中找到一个类符号引用，解析这个类符号引用，拿到数据，然后创建对象，并把对象引用推入栈顶

  • putstatic、getstatic：存取静态变量
  • putfield、getfield：存取实例变量
  • instanceof、checkcast：判断对象是否属于某种类型
  • ldc：系统指令，把运行时常量池中的常量推到操作数栈顶

head

多线程共享的运行时数据区

method area
  • 存放：1.从class文件获取的类信息；2.类变量
  • 运行时常量池：字面量(literal)和符号引用(symbolic)，(数值不再使用index引用)
  • class：类变量空间大小、静态变量\空间大小、etc

    jvm并不限制类型不同但名字相同的字段

ClassLoader

数组类和普通类有很大的不同，他的数据并不是来自class文件，而是由Java虚拟机在运行期间生成

  1. 找到class文件并把数据读取到内存
  2. 解析class文件，生成虚拟机可以使用的类数据，并放入方法区
  3. 链接：验证()，准备：给类变量分配空间并赋予初始值

方法调用和返回（Java）

调用分类1：静态方法/类方法、实例方法 实现分类2：抽象方法、Java方法、本地方法

  • 指令
    • invokestatic：调用静态方法
    • invokespecial：调用无须动态绑定的实例方法，包括构造方法、私有方法和超类方法
    • invokeinterface：动态绑定，针对接口类型的引用
    • invokevirtual：动态绑定
    • invokedynamic：为了更好地支持动态类型语言
基本过程

首先，方法调用指令需要n+1个操作数，其中第1个操作数是uint16索引，在字节码中紧跟在指令操作码的后面。 通过这个索引，可以从当前类的运行时常量池中找到一个方法符号引用，解析这个符号引用就可以得到一个方法。 注意，这个方法并不一定就是最终要调用的那个方法，所以可能还需要一个查找过程才能找到最终要调用的方法。 剩下的n个操作数是要传递给被调用方法的参数，从操作数栈中弹出。

如果要执行的是Java方法（而非本地方法），下一步是给这个方法创建一个新的帧，并把它推到Java虚拟机栈顶。 传递参数之后，新的方法就可以开始执行了。

  • 方法调用和参数传递

在定位到需要调用的方法之后，Jvm要給这个方法创建一个新的帧(frame)并把它推入jvm stack顶，然后传递参数

类初始化

<clinit>: 类的初始化方法

array & string

  • 数组类由JVM在运行时生成

    superClass: "java/lang/Object", interfaces: { "java/lang/Cloneable", "java/io/Serializable", },

  • 指令

    • newarray：操作数1-指令码后面的atype(8bits)；操作数2-操作数栈的count
    • anewarray：创建引用类型数组
    • multianewarray：创建多维数组
    • arraylength：弹出引用
    • aload：按索引取数组元素值
    • astore：按索引給数组赋值

  • 在class中string是以MUTF8格式保存的，而在JVM运行时又是以UTF16格式保存的

About

> I wanna run my java code in my own virtual machine

Resources

Readme
Activity

Stars

1 star

Watchers

1 watching

Forks

0 forks
Report repository

Releases

No releases published

Packages

No packages published

Languages