Java Virtual Machine

Java Virtual Machine

Specyfikacja - najważniejsze zagadnienia

XI.2003

Mirosław Szymański

Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytetu Warszawskiego

2

Spis treści

• Wstęp

• Struktura JVM

• Instrukcje wirtualnej maszyny

• Pliki class

• Ładowanie, łączenie, inicjalizacja

• Wątki i blokady

• Kompilacja dla wirtualnej maszyny

• Literatura

Wstęp

4

Bytecode

• Zagadka: co robi poniższy program

Method void main(java.lang.String[])

0 getstatic #2

3 ldc #3

5 invokevirtual #4

8 return

5

Wstęp – historia Javy

• Cel powstania (początek prac – 1991)

– tworzenie oprogramowania dla urządzeń pracujących w sieci

• Wymagania / konsekwencje

– wspomaganie wielu architektur

– bezpieczeństwo

– krótki kod

• Pierwsza przeglądarka: HotJava (1994)

6

Wirtualna Maszyna Javy

• Wirtualny komputer posiadający:

– pamięć

– zestaw instrukcji (assembler ~ bytecode)

– wewnętrzne typy danych

• Specyfikacja definiuje tylko to co niezbędne

– format plików class

– instrukcje

Struktura JVM

8

Typy danych

9

Typy podstawowe (primitive)

• numeryczne– całkowite (integral)

• byte (8-bit), short (16-bit), int (32-bit), long (64-bit)• char (16-bit)

– zmienno-przecinkowe (floating-point)• float (32-bit), double (64-bit)

• boolean– true / false

• returnAddress– wskaźnik do instrukcji JVM

– używany przez jsr (jump subroutine), ret, jsr_w

– jedyny typ nie posiadający swojego odpowiednika w jęz. Java

10

Typy podstawowe (c.d.)

• byte, short, int, long – ze znakiem, dopełnienie do dwóch

• char – bez znaku, Unicode

• float, double – zgodne z IEEE 754

– +0.0, -0.0

– +∞, -∞

– +0.0 == -0.0 ale 1.0/0.0 = +∞ oraz 1.0/-0.0 = -∞

– NaN – Not a Number

• reprezentuje wynik błędnej operacji takiej jak dzielenie przez zero (?)

• w przeciwieństwie do wszystkich innych wartości jest nieuporządkowany

(wszystkie porównania dowolnej wartości z NaN dają false; NaN ≠ NaN)

• boolean – wyrażenia kompilowane są tak, aby używały typu int

– tablice typu boolean – dostęp przez baload oraz bastore

– w implementacji Sun’a boolean zajmuje 8 bitów

11

Typy referencyjne

• Wartościami są wskaźniki do obiektów

• Dzielimy na typy:

– klasowe (class types)

– tablicowe (array types)

– interfejsów (interface types)

• Specjalna wartość: null

– nie jest żadnego określonego typu (ale może być rzutowany na

dowolny typ)

– specyfikacja JVM nie określa żadnej konkretnej wartości kodującej

null

12

Obszary danych czasu wykonania

• Osobne dla każdego wątku– rejestr pc (program counter)

– stos JVM (JVM stack)• ramki

– stos metod typu native

• Współdzielone przez wątki– obszar metod (method area)

• constant pool

– sterta (heap)

13

Rejestr pc (program counter)

• wskaźnik (indeks) do bieżącej instrukcji

• każdy wątek posiada własny rejestr pc

• dla metod native wartość jest niezdefiniowana

14

Stos JVM

• każdy wątek posiada prywatny stos

• tworzony w tym samym czasie, co wątek

• analogiczny do stosu z języka C• zmienne, częściowe wyniki, wywoływanie metod i powroty

• pamięć obszaru nie musi być ciągła

• rozmiar stały lub zmieniany dynamicznie• Sun: pamięć nieciągła, powiększany ale nie zmniejszany,

maksymalny rozmiar – parametr „-oss”; ograniczenie na zużycie pamięci, wykrywanie nieskończonych rekursji.

• sytuacje wyjątkowe:

– podczas wykonania: StackOverflowError

– podczas tworzenia wątku: OutOfMemorError

15

Stos metod typu native

• rozmiar stały lub zmieniany dynamicznie• Sun: rozmiar stały – parametr „-ss”, nie sprawdza przepełnienia

stosu

• sytuacje wyjątkowe

– StackOverflowError

– OutOfMemoryError

16

Sterta (heap)

• dzielona przez wszystkie wątki

• pamięć na instancje klas i tablic• tworzona podczas uruchamiania JVM

• zarządzany przez garbage collector *• obiekty nigdy nie są jawnie dealokowane


• rozmiar stały lub zmieniany dynamicznie• Sun: rozmiar zmienny, powiększany dynamicznie ale nie

zmniejszany; rozmiar początkowy i max. – „-ms” i „-mx”



17

Obszar metod (method area)

• dzielony przez wszystkie wątki

• przechowuje: runtime constant pool, dane klas (metody, kod metod, …)

• logicznie część sterty, ale twórca VM może nie chcieć żeby obszar ten był zarządzany przez garbage collector


• rozmiar stały lub zmieniany dynamicznie• Sun: obsługiwany przez GC, kontrola rozmiaru min, max i init.



18

Constant pool

• posiadany przez wszystkie klasy i interfejsy

• reprezentuje tablicę constant_pool z pliku class

• używany przy dynamicznym linkowaniu (dynamic linking)

• odpowiednik tablicy symboli w konwencjonalnych językach, jednak zawiera więcej danych

• alokowany z obszaru metod


– StackOverflowError, OutOfMemoryError

19

Ramki

• tworzone w momencie wywołania metody

• alokowane ze stosu JVM

• każda ramka posiada

– tablice zmiennych lokalnych

– operand stack

– referencję do constant pool klasy metody

20

Ramki – tablica zmiennych lokalnych

• pojedyncza zmienna może być typu:

– boolean, byte, char, short, int,float, reference, returnAddress

• para zmiennych może przechowywać wartości typów:

– long, double

• wartości long, double nie muszą być wyrównywane do 64-bitów

• wykorzystywane do przekazywania parametrów do metod

– specjalne znaczenie pozycji nr 0

21

Ramki – operand stack

• służy do– przekazania parametrów dla instrukcji JVM

– zwracania wyników instrukcji JVM

– zwracania wyników przez metody

• np.:iadd

…, value1, value2 → …, result

• wartości na stosie muszą być odpowiednich typów (sprawdzane podczas weryfikacji plików class)

iadd

22

Ramki (c.d.)

• zakończenie wywołania metody:

– normalne

• nie wystąpił wyjątek

• zostaje zwrócona wartość do metody wywołującej (operand stack)

– nienormalne, niespodziewane (abrupt)

• wystąpił wyjątek nie obsługiwany przez tą metodę

• wynik nie zostaje zwrócony

23

Inne ustalenia

• reprezentacja obiektów

• arytmetyka zmienno-przecinkowa

• specjalnie nazwane metody inicjalizacyjne– nazwy wspomagane przez kompilator (nie są prawidłowymi

identyfikatorami)

– <init>• odpowiednik konstruktora

• instrukcja wywołująca: invokespecial

– <cinit>• metoda inicjalizująca klasę lub interfejs

• statyczna, bez argumentów

• wywoływana bezpośrednio przez JVM, nigdy przez instrukcję JVM

24

Wyjątki

• podniesienie wyjątku powoduje natychmiastową zmianę miejsca wykonania

• przerywane jest działanie kolejnych metod, do momentu znalezienia klauzuli catch. Jeśli nie ma odpowiedniego catch to wątek kończy działanie.

• jeśli są klauzule finally, to są one wykonywane

• klauzule catch oraz finally reprezentowane są przez exception handler

25

Wyjątki – exception handlers

• przechowywane są w tablicy (tablica zapisana jest w pliku class)

• pojedynczy exception handler (EH):

– określa zakres instrukcji dla których jest aktywny

– określa typ obsługiwanego wyjątku

– zawiera adres kodu obsługującego ten wyjątek

• kolejność EH w tablicy jest ważna

– tablica przeglądana jest liniowo

Instrukcje wirtualnej maszyny

27

Instrukcje

• kod instrukcji ma 1 bajt

• rożne instrukcje dla poszczególnych typów

– np.: iload ładuje na stos zmienną typu int, fload - typu float

• zestaw instrukcji nie jest ortogonalny

28

Instrukcje (c.d.)

• rodzaje instrukcji

– load oraz store iload, iload_<n>, fload, iconst_<n>, …

– arytmetyczne iadd, dsub, …

– konwersja typów i2l, i2f, i2d, l2f, l2d, f2d; i2b, i2c, i2s, …

– operacje na obiektach new, newarray, arraylength, instanceof, …

– operacje na stosie arg. pop, dup, swap, …

– instrukcje skoku ifeq, ifnull, tableswitch, goto, jsr, …

– metody invokevirtual, return, ireturn, …

– podnoszenie wyjątków athrow

– synchronizacja monitorenter, monitorexit

Pliki class

30

Pliki class

• Typy danych: u1, u2, u4

• Tablice

– tables – zawierają elementy zmiennych rozmiarów (tablica (?))

– arrays – zawierają elementy stałych rozmiarów (tabela (?))

• struktury opisane za pomocą struktur z języka C

31

Pliki class (c.d.)• Plik class składa się z jednej struktury ClassFile:

ClassFile { u4 magic; // identyfikuje pliki class (0xCAFEBABE) u2 minor_version; u2 major_version; u2 constant_pool_count; cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; u2 access_flags; // ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER,

// ACC_INTERFACE, ACC_ABSTRACT u2 this_class; // indeks do tablicy constant_pool u2 super_class; u2 interfaces_count; // liczba implementowanych interfejsów u2 interfaces[interfaces_count]; u2 fields_count; field_info fields[fields_count]; u2 methods_count; method_info methods[methods_count]; // reprezentuje wszystkie zadeklarowane metody

// (nie zawiera metod odziedziczonych) u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count];//SourceFile, Deprecated

//InnerClasses(?)}

32

Pliki class (c.d.)

• Deskryptory pól

FieldDescriptor → FieldType

ComponentType → FieldType

FieldType → BaseType | ObjectType | ArrayType

BaseType → B | C | D | F | I | J | S | Z

ObjectType → L<classname>;

ArrayType → [ComponentType

B – byte; C – char; D – double; F – float; I – int; J – long; S – short; Z – boolean

np.: double tablica[][][] → [[[D

33

Pliki class (c.d.)

• Deskryptory metod

MethodDescriptor → (ParameterDescriptor*) ReturnDescriptor

ParameterDescriptor → FieldType

ReturnDescriptor → FieldType | V

V – void

np.:

Object myMethod(int i, double d, Thread t)

(IDLjava/lang/Thread;)Ljava/lang/Object;

34

Pliki class (c.d.)

• Tablica constant_pool zawiera pola typu:– CONSTANT_Class

– CONSTANT_Fieldref

– CONSTANT_Methodref

– CONSTANT_InterfaceMethodref

– CONSTANT_String

– CONSTANT_Integer

– CONSTANT_Float

– CONSTANT_Long

– CONSTANT_Double

– CONSTANT_NameAndType

– CONSTANT_Utf8

35

Pliki class (c.d.)

• Pola (fields)

field_info {

u2 access_flags;

u2 name_index;

u2 descriptor_index;

u2 attributes_cout;

attribute_info attributes[attributes_count];

}

access_flags:

ACC_PUBLIC, ACC_PRIVATE, ACC_PROTECTED, ACC_STATIC,

ACC_FINAL, ACC_VOLATILE, ACC_TRANSIENT

attributes[]:

m.in.: ConstantValue, Deprecated

36

Pliki class (c.d.)

• Metody

method_info {

u2 access_flags;

u2 name_index;

u2 descriptor_index;

u2 attributes_cout;

attribute_info attributes[attributes_count];

}

access_flags:

ACC_PUBLIC, ACC_PRIVATE, ACC_PROTECTED, ACC_STATIC,

ACC_FINAL, ACC_SYNCHRONIZED, ACC_NATIVE, ACC_ABSTRACT,ACC_SYNCHRONIZED, ACC_NATIVE, ACC_ABSTRACT,

ACC_STRICTACC_STRICT

attributes[]:

m.in.: Code, Exceptions, SyntheticCode, Exceptions, Synthetic, Deprecated

37

Pliki class (c.d.)

• Atrybut Code

Code_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 max_stack; u2 max_locals; u4 code_length; u1 code[code_length]; u2 exception_table_length; { u2 start_pc; u2 end_pc; u2 handler_pc; u2 catch_type; } exception_table[exception_table_length]; u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count]; }

38

Ograniczenia na kod JVM

• Statyczne, m.in.:

– tablica z kodem musi być niepusta

– jedyne dozwolone instrukcje, to te wymienione w specyfikacji

– każda instrukcja ze skokiem musi wskazywać na kod instrukcji

wewnątrz danej metody

– instrukcja anewarray może być używana do tworzenia tablic o

maksymalnym wymiarze 255

– …

39

Ograniczenia na kod JVM (c.d.)

• Strukturalne, m.in.:

– każda instrukcja może być wykonana tylko z odpowiednią liczbą

argumentów i z odpowiednimi typami tych argumentów

– jeśli instrukcja może być wykonana w skutek różnych ścieżek

wykonania, to stos argumentów (operand stack) musi mieć tą samą

głębokość niezależnie od ścieżki

– każda instrukcja return musi odpowiadać typowi zwracanemu przez

daną metodę

– …

40

Weryfikacja plików class

• JVM nie może zakładać poprawności plików class

• Co jest sprawdzane:– 0 ≤ rozmiar stosu ≤ max_rozmiar

– wszystkie zmienne lokalne są używane prawidłowo

– argumenty instrukcji są odpowiednich typów

– klasy final nie posiadają podklas

– każda klasa (oprócz Object) posiada bezpośrednią nadklasę

– …

41

Ładowanie, łączenie, inicjalizacja

42

Ładowanie, łączenie, inicjalizacja

• Ładowanie (loading)

– proces wyszukiwania binarnej reprezentacji klasy lub interfejsu i utworzenie klasy/interfejsu

– klasy nie będące tablicami ładowane są przez class loader’a

– programista może zdefiniować własny class loader

• Łączenie

– weryfikacja

– „umiejscowienie” danej klasy/interfejsu w aktualnym stanie Wirtualnej Maszyny

43

Wątki i blokady (locks)

44


• Niskopoziomowe mechanizmy korzystania przez wątki z pamięci dzielonej

• Pamięć:

– pamięć główna współdzielona przez wątki

– pamięć robocza wątku

• Pamięć główna zawiera kopie główne zmiennych

• Pamięć robocza zawiera kopie robocze zmiennych

• Pamięć główna: jeden obiekt – jedna blokada

• Akcje wykonywane przez pamięć główną:

– read, write, lock, unlock

• Akcje wykonywane wątek:

– use, assign, load, store, lock, unlock

• Powyższe akcje są atomowe.

45


• read: (pamięć gł.) kopia główna → pamięć robocza

• load: (wątek) pamięć robocza → kopia robocza

• use: (wątek) kopia robocza → thread’s execution

engine

• assign: (wątek) thread’s e.e. → kopia robocza

• store: (wątek) kopia robocza → pamięć główna

• write: (pamięć gł.) pamięć główna → kopia główna

• lock: (wątek, operacja ściśle zsynchronizowana z pamięcią główną)

• unlock: (wątek, operacja ściśle zsynchronizowana z pamięcią główną)

46

Kompilacja

47

Operand stack i zmienne lokalne

iload_0 // push the int in local variable 0

iload_1 // push the int in local variable 1

iadd // pop two ints, add them, push result

istore_2 // pop int, store into local variable 2

48

Stałe, zmienne lokalne, instrukcje skoku

void spin() {

int i;

for (i = 0; i < 100; i++) {

;// Loop body is empty

}

}

Method void spin()

0 iconst_0 // Push int constant 0

1 istore_1 // Store into local variable 1 (i=0)

2 goto 8 // First time through don't increment

Loop body

5 iinc 1 1 // Increment local variable 1 by 1 (i++)

8 iload_1 // Push local variable 1 (i)

9 bipush 100 // Push int constant 100

11 if_icmplt 5 // Compare and loop if less than (i < 100)

14 return // Return void when done

49

Operacje arytmetyczne, parametry metod

int align2grain(int i, int grain) {

return ((i + grain-1) & ~(grain-1)));

}

Method int align2grain(int,int)

0 iload_1 // Push i

1 iload_2 // Push grain

2 iadd

3 iconst_1

4 isub

5 iload_2 // Push grain

6 iconst_1

7 isub

8 iconst_m18 iconst_m1

9 ixor9 ixor // (~x == -1^x)// (~x == -1^x)

10 iand

11 ireturn

50

Wywoływanie metod

int addTwo(int i, int j) {

return i + j;

}

int add12and13() {

return addTwo(12,13);

}

Method int add12and13()

0 aload_0 // Push local variable 0 (this)



5 invokevirtual #4 // Method Example.addtwo(II)I

8 ireturn // Return int on top of operand stack; it is

// the int result of addTwo()

51

Obiekty

Object create() { return new Object();}

Method java.lang.Object create() 0 new #1 // Class java.lang.Object 3 dup 4 invokespecial #4 // Method java.lang.Object.<init>()V 7 areturn

52

Obiekty (c.d.)

void setIt(int value) { i = value;}

int getIt() { return i;}

Method void setIt(int) 0 aload_0 1 iload_1 2 putfield #4 // Field Example.i I 5 return

Method int getIt() 0 aload_0 1 getfield #4 // Field Example.i I 4 ireturn

53

Try-catch

void catchOne() { try { tryItOut(); } catch (TestExc e) { handleExc(e); }}

Method void catchOne() 0 aload_0 // Beginning of try block 1 invokevirtual #6 // Method Example.tryItOut()V 4 return // End of try block; normal return 5 astore_1 // Store thrown value in local variable

1 6 aload_0 // Push this 7 aload_1 // Push thrown value 8 invokevirtual #5 // Invoke handler method:

// Example.handleExc(LTestExc;)V 11 return // Return after handling TestExc

Exception table: From To Target Type 0 4 5 Class TestExc

54

Try-catch-catch

void catchTwo() {

try {

tryItOut();

} catch (TestExc1 e) {

handleExc(e);


handleExc(e);

}

}

Method void catchTwo()

0 aload_0

1 invokevirtual #5

4 return

5 astore_1

6 aload_0

7 aload_1

8 invokevirtual #7

11 return

12 astore_1

13 aload_0

14 aload_1

15 invokevirtual #7

18 return

Exception table:

From To Target Type

0 4 5 Class TestExc1


55

Zagnieżdżony try-catch

void nestedCatch() {

try {

try {

tryItOut();


handleExc1(e);

}


handleExc2(e);

}

}

Method void nestedCatch()

0 aload_0

1 invokevirtual #8

4 return

5 astore_1

6 aload_0

7 aload_1

8 invokevirtual #7

11 return

12 astore_1

13 aload_0

14 aload_1

15 invokevirtual #6

18 return

Exception table:

From To Target Type



56

Try-finally

void tryFinally() {

try {

tryItOut();

} finally {

wrapItUp();

}

}

Method void tryFinally()

0 aload_0

1 invokevirtual #6

4 jsr 14 // Call finally block

7 return // End of try block

8 astore_1

9 jsr 14

12 aload_1 // Push thrown value…

13 athrow // …and rethrow the value to the invoker

14 astore_2 // Beginning of finally block

15 aload_0 // Push this

16 invokevirtual #5 // Method Example.wrapItUp()V

19 ret 2 // Return from finally block

Exception table:

From To Target Type

0 4 8 any

57

Try-catch-finallyvoid tryCatchFinally() {

try {

tryItOut();

} catch (TestExc e) {

handleExc(e);

} finally {

wrapItUp();

}

}

Method void tryCatchFinally() 0 aload_0 1 invokevirtual #4 4 goto 16 // Jump to finally block 7 astore_3 8 aload_0 9 aload_3 10 invokevirtual #6 13 goto 16 // Huh??? 16 jsr 26 19 return 20 astore_1 // Beginning of handler for exceptions

// other than TestExc, or exceptions // thrown while handling TestExc 21 jsr 26 // Call finally block 24 aload_1 // Push thrown value… 25 athrow // …and rethrow the value to the invoker 26 astore_2 27 aload_0 28 invokevirtual #5 31 ret 2

Exception table: From To Target Type 0 4 7 Class TestExc 0 16 20 any

58

Synchronizacja

• Metody typu synchronized

– nie zawierają instrukcji monitorenter / monitorexit

– rozpoznawane są przez JVM w momencie wykonywania

(flaga ACC_SYNCHRONIZED)

– przed wywołaniem metody JVM sam zajmuje monitor,

po poprawnym zakończeniu metody monitor jest zwalniany przez JVM

– jeśli w metodzie wystąpi nieobsługiwany wyjątek to monitor jest

automatycznie zwalniany przed przekazaniem wyjątku dalej

59

Synchronizacja (c.d.)

void onlyMe(Foo f) {

synchronized(f) {

doSomething();

}

}

Method void onlyMe(Foo)

0 aload_1 // Push f

1 astore_2 // Store it in local variable 2

2 aload_2 // Push local variable 2 (f)

3 monitorenter // Enter the monitor associated with f

4 aload_0 // Holding the monitor, pass this and...

5 invokevirtual #5 // ...call Example.doSomething()V

8 aload_2 // Push local variable 2 (f)

9 monitorexit // Exit the monitor associated with f

10 return // Return normally

11 aload_2 // In case of any throw, end up here

12 monitorexit // Be sure to exit monitor...

13 athrow // ...then rethrow the value to the invoker

Exception table:

From To Target Type

4 8 11 any

• blok synchronized– do synchronizacji służą instrukcje monitorenter / monitorexit

60

Hello world (zagadka c.d.)

class myClass{

public static void main(String args[]) {

System.out.println("Hello world!");

}

}

• javap –c myClass

Method myClass()

0 aload_0

1 invokespecial #1 <Method java.lang.Object()>

4 return

Method void main(java.lang.String[])

0 getstatic #2 <Field java.io.PrintStream out>

3 ldc #3 <String "Hello world!">

5 invokevirtual #4 <Method void println(java.lang.String)>

8 return

61

Literatura

• „Java Virtual Machine Specification, 2nd edition”Tim Lindholm, Frank Yellinhttp://java.sun.com/docs/books/vmspec/

• „Java Unleashed”praca zbiorowa, Sams.net Publishing

• „Inside the Java Virtual Machine”Bill Venners, Computing McGraw-Hillhttp://www.artima.com/insidejvm/blurb.html

Rysunki pochodzą z książki „Inside the Java Virtual Machine”.

Aktualna wersja prezentacji znajduje się na http://www.mirqos.prv.pl/mystuff.php

http://java.sun.com/docs/books/vmspec/

http://java.sun.com/docs/books/vmspec/

http://www.artima.com/insidejvm/blurb.html

http://www.mirqos.prv.pl/mystuff.php

Dziękuję

Java Virtual Machine

Documents

Transcript of Java Virtual Machine