Архитектура виртуальной машины языка Ява

1 Архитектура виртуальной машины языка Ява

1.1 - Поддерживаемые типы данных
1.2 - Регистры
1.3 - Локальные переменные
1.4 - Стек операндов
1.5 - Среда выполнения
1.6 - Куча и сборщик мусора
1.7 - Область метода
1.8 - Набор инструкций Ява
1.9 - Ограничения

1.1 Поддерживаемые типы данных

Типы данных виртуальной машины содержат основные типы данных языка Ява:

byte // 1-байтовое со знаком,представленное в дополнительном обратном коде short // 2-байтовое со знаком,представленное в дополнительном обратном коде int // 4-байтовое со знаком,представленное в дополнительном обратном коде long // 8-байтовое со знаком,представленное в дополнительном обратном коде float // вещественное число одинарной точности стандарта IEEE 754, занимающее 4 байта double // вещественное число двойной точности стандарта IEEE 754, занимающее 8 байт char // символ Unicode, занимающий 2 байта

В Яве проверка почти всех типов производится во время компиляции. Данные элементарных типов, указанных выше, не требуют аппаратной поддержки тегов чтобы обеспечит исполнение Ява-кода. Вместо этого, существуют байткоды, которые работают с элементарными значениями и указывают типы операндов, например, каждая из инструкций iadd, ladd, fadd, и dadd складывает два числа имеющих типы int, long, float, и double, соответственно.

Виртуальная машина не содержит отдельных инструкций для типов boolean. Вместо этого, используются инструкции для целых, включающие целочисленный return, используемый для работы с логическими переменными; массивы из байтов используются для массивов из логических.

Виртуальная машина устанавливает, что вещественные соответствуют формату IEEE 754 с поддержкой постепенной потери значимости. На более ранних компьютерных архитектурах, не поддерживающих IEEE формат, числовые программы Явы работают очень медленно.

Другие типы данных виртуальной машины включают:

object // ссылка на объект Явы, занимающая 4 байта returnAddress // 4 байта, используемые с инструкциями jsr/ret/jsr_w/ret_w

Заметьте: в Яве массивы трактуются как объекты.

Эта спецификация не определяет никакой внутренней структуры для объектов. В нашей реализации объектная ссылка - это дескриптор, который является парой указателей: один на таблицу методов для объекта, и другой на данные, соответствующие объекту. Другие реализации могут использовать встроенное кэширование вместо таблицы методов; такие методы, вероятно, будут работать быстрее на аппаратных средствах ЭВМ, которые будут появляться до 2000 года.

Программы, представленные байткодами Виртуальной Машины Ява, предполагают соблюдение соответствующей дисциплтны типов, и реализация может отказаться выполнять байткод-программу, если есть вероятность того, что она нарушает эту дисциплину.

Может показаться, что Виртуальная Машина языка Ява предусматривает исполнение байткода только на компьютерах 32-битной адресацией. Однако возможно построение версии Виртуальной Машины языка Ява, которая автоматически переводит байткоды в 64-битную форму. Описание такого преобразования не содержится в этой спецификации.

1.2 Регистры

Виртуальная машина в любой момент времени выполняет код отдельного метода, и регистр PC содержит адрес следующего байткода, который будет выполнятся.

Для каждого метода выделяется место в памяти для хранения:

набора локальных переменных, на который ссылается регистр vars,

стека операндов, на который ссылается регистр optop, и

структуры среды выполнения, на которую ссылается регистр frame.

Все эти места могут быть отведены сразу, начиная с размера локальных переменных и стека операндов, определяемых во время компиляции, и размера структуры окружающей среды выполнения известного интерпретатору.

Все эти регистры 32 битные.

1.3 Локальные переменные

Каждый Ява-метод использует набор локальных переменных фиксированного размера. Они адресуются, как смещения слова от регистра vars. Ширина локальных переменных 32 бита.

Длинные целые и вещественные двойной точности рассматриваются, как располагающиеся в двух локальных переменных, и адресуются индексом первой локальной переменной. (Например, локальная переменная с индексом n содержащая вещественное двойной точности фактически занимает место, соответствующее индексам n и n + 1.) Спецификация виртуальной машины не требует выравнивания 64-битных значений локальных переменных на 64 битную границу. Разработчикам предоставляется право самим разделять длинные целые и вещественные двойной точности на два слова.

Инструкции обеспечивают загрузку значения локальных переменных в стек операндов и сохранение значений из стека операндов в локальных переменных.

1.4 Стек операндов

Все инструкции машины берут операнды от стека операндов, работают с ними, и возвращают результат обратно в стек. Мы выбрали стековую организацию так, чтобы было легко эффективно эмулировать машину на машинах с немногими регистрами или при нерегулярном наборе регистров типа Intel 486.

Ширина стека операндов 32 бита. Он используется для передачи параметров методам и получения результатов метода, а также и для обеспечения действий с параметрами и сохранения результатов действий.

Например, инструкция iadd складывает два целых. Для этого ей необходимо, чтобы целые были в двух словах на вершине стека, помещенные туда предыдущими инструкциями. Оба целых извлекаются из стека, складываются, и их сумма помещается обратно в стек операндов. Промежуточные значения хранятся в стеке опреандов, что обеспечивает поддержку вложенных вычислений.

Каждый простейший тип данных имеет специализированные инструкции, которые знают как работать с операндами этого типа. Каждый операнд требует одной ячейки на стеке, кроме long и double, которым необходимо две ячейки.

Операнды должны использоваться операциями, соответствующими их типу. Например, нельзя помещать на стек два целых и потом использовать их как длинный целый. в реализации Sun это ограничение контролируется верификатором байткода. Однако, нескоторые операции (коды операции dup и swap) работают с областями данных как со значениями данной ширины, не обращая внимания на тип.

Ниже в нашем описании инструкций виртуальной машины результат выполнения инструкции на стеке операндов представлен текстуально, каждое 32-битное слово на стеке записывается отдельно, в порядке слева направо. Таким образом:

Стек: ..., value1, value2 = > ..., value3

показывает действие, которое начинается при наличии value2 на вершине стека и

value1 под ним. В результате выполнения инструкции, value1 и value2 извлекаются из стека и заменяются на value3, которое было вычислено инструкцией. Остаток стека, представленный многоточием, не затрагивается при выполнении инструкции.

Типы long и double занимают два 32-битных слова на стеке операндов:

Стек: ... = > ..., value-word1, value-word2

Эта спецификация не описывает, как два слова выделяются из 64-битного long или double; надо только учитывать, чтобы конкретная реализация была внутренне непротиворечивой.

1.5 Среда выполнения

Информация, содержащаяся в среде выполнения используется для динамической компоновки, нормальных возвратов из методов, и распространения исключений.

Динамическая компоновка

Среда выполнения содержит ссылки на таблицу символов интерпретатора для текущего метода и класса, для поддержки динамической компоновки кода метода. Код файла класса для метода обращается к методам, которые будут вызваны и к переменным, используя символические ссылки . Динамическая компоновка переводит эти символические вызовы методов в фактические вызовы методов, загружая классы по мере необходимости, для разрешения неопределенных ссылок, и переводит обращения к переменным в соответствующие смещения в структурах хранения, соответствующие размещению этих переменных во время выполнения.

Это позднее связывание методов и переменных делает менее вероятным нарушения в данном методе при изменениях классов, которые использует этот метод.

Нормальные возвраты из методов

Если выполнение текущего метода заканчивается, то значение возвращается в вызывающий метод. Это происходит когда вызываемый метод выполняет инструкцию возврата, соответствующую возвращаемому типу.

Среда выполнения используется в этом случае, чтобы восстановить регистры вызывающей программы и увеличить программный счетчик вызывающей программы для пропуска инструкции вызова метода. Выполнение продолжается в среде выполнения вызывающего метода.

Исключение и распространение ошибки

Исключительные состояния, известные в Яве как Error или Exception, являются подклассами Throwable и могут возникать в программе из-за:

нарушения при динамическй компоновке, таких как ошибка при поиске необходимого файл класса,
ошибки во время выполнения, такой как ссылка через пустой указатель,
асинхронного события, такого как генерирование Thread.stop, от другого потока,
программы, использующей опереатор throw.

Когда генерируется исключение:

Исследуется список предложений catch, связанных с текущим методом. Каждое предложениеcatch, определяет диапазон инструкции для которого оно активно, описывает тип исключения, которое оно обрабатывает, и содержит адрес кода для обработки.

Исключение соответствует предложению catch, если инструкция, вызвавшая исключение находится в соответствующем диапазоне инструкции, и тип исключения - подтип типа исключения предложенияcatch. Если соответствующее предложение catch найдено, то система обращается к обработчику исключительных ситуаций. Если никакой обработчик не найден, то процесс повторяется до тех пор, пока не иссякнут все вложенные предложения catch текущего метода

Важен порядок предложений catch в списке. Работа виртуальной машины продолжается с первого найденного предложения catch. Так как код Явы структурирован, то всегда возможно отсортировать все обработчики исключений для одного метода в одном списке так, что для любого значения программного счетчика можно искать в линейном порядке до нахождения нужного (самого внутреннего из тех, которые применимы) обработчика исключений, соответствующего этому значению программного счетчика.

Если не найдено соответствующего предложения catch, то результатом текущего метода является исключение. Состояние выполнения метода, который вызвал данный метод восстанавливается по среде выполнения, и распространение исключения продолжается, как если бы исключение только что произошло в этом вызывающем методе.

Дополнительная информация

Среда выполнения может быть расширена дополнительной информацией специфической реализации, такой как отладочная информация.

1.6 Куча и сборка мусора

Куча в Яве является областью данных времени выполнения, в которой размещаются экземпляры классов (объекты). В языке Ява предусмотрен сборщик мусора - это дает программисту возможность не освобождать память для объектов явно. Ява не предполагает никакого конкретного варианта сборщика мусора; могут использоваться различные алгоритмы в зависимости от требований системы.

1.7 Область метода

Область метода аналогична месту в памяти, которое отводится для компилируемого кода в обычных языках или текстовому сегменту в процессе UNIX. Она хранит код метода (скомпилированный Ява-код) и таблицы символов. В текущей реализации Явы код метода - это не часть кучи, обслуживаемой сборщиком мусора, хотя это планируется сделать в следующем выпуске.

1.8 Набор инструкций языка Ява

Инструкция в наборе инструкций языка Ява состоит из однобайтового кода операции, определяющего действие, которое будет выполнено, и также может содержать операнды, являющиеся параметрами или данными, которые будут использоваться этой операцией. Многие инструкции не содержат операндов и состоят только из кода операции.

Внутренний цикл исполнения виртуальной машины эффективен:

do { выбор байт кода операции выполнение действия в зависимости от значения кода } while (еще нужно выполнять);

Число и размер дополнительных операндов определяется кодом операции. Если дополнительный операнд содержит более одного байта, то они хранятся в порядке от старшего к младщему - первым является старший байт. Например, 16-битный параметр хранится как два байта, значение которого:

first_byte * 256 + second_byte

Поток команд байткода выравнивается только по границе байта, за исключением инструкций tableswitch и lookupswitch, которые выравниваются по 4-байтовой границе в пределах этих инструкций.

Эти соглашения сохраняют код виртуальной машины для скомпилированных Ява-программ компактным и отражают преимущественное стремление к компактности.

1.9 Ограничения

На один класс в константном пуле отводится максимум 65535 элементов. Это ограничение является внутренним пределом для общей сложности одного класса.

Длина кода метода ограничена 65535 байтами, определяемыми размерами индексов в коде, в таблице исключений, таблице номеров строк и таблице локальных переменных. Это может быть зафиксировано для 1.0beta2.

Кроме этого предела, существует только одно ограничение - число слов аргументов в вызове метода ограничено 255.