go-jvm

🌌 Implementation of Java Virtual Machine through go Language

class字节码

ClassFile结构

ClassFile{
	u4					magic;						//魔数
	u2					minor_version;					//次版本号
	u2 					major_version;					//主版本号
	u2					constant_pool_count;				//常量池计数器
	cp_info					constant_pool[constant_pool_count-1]		//常量池
	u2					access_flags;					//访问标志
	u2					this_class;					//类索引
	u2					super_class;					//父类索引
	u2					interfaces_count;				//接口计数器
	u2					interfaces[interfaces_count];			//接口表
	u2					fields_count;					//字段计数器
	field_info				fields[fields_count];				//字段表
	u2					methods_count;					//方法计数器
	method_info				methods[methods_count];				//方法表
	u2					attributes_count;				//属性计数器
	attribute_info				attributes[attributes_count];			//属性表
}

1. 为了描述class文件，Java虚拟机定义了u1,u2,u4三种数据类型来表示1,2,4字节无符号整数，分别对应Go语言中的uint8,uint16和uint32

1. 魔数
   class字节码的魔数是：0xCAFEBABY : - ) 这可能就是为啥Java是个咖啡杯的原因了~
2. 版本号
   魔数之后是class文件的次版本号和主版本号，如果某class字节码文件的主版本号是M，次版本号是m,那么完整的版本号可以表示成“M.m”,次版本号只有在Java1.2之前才用过，之后都是0，每次新版本发布都会在主版本号上加1。
3. 常量池

常量池占据了class文件很大一部分数据，里面存放着各式各样的常量信息包括数字和字符串常量，类和接口名，字段和方法名等等。

常量池实际上也是一个表，但是~

1. 表头给出的常量池大小比实际大1

2. 有效的常量池索引是1 ~ n-1 ,0是无效索引，不表示任何常量

3. CONSTANT_Long_info 和 CONSTANT_Double_info各占两个位置，如果常量池中存在这两种常量，实际常量池常量数量比n-1还要少。而且1~n-1中某些数字也会变成无效索引。

   常量池中存放的信息各不相同，所以每种常量的格式也不相同，常量数据的第一个字节是tag,用来区分常量类型

   cp_info{
   	u1		tag;
   	u1		info[];
   }
   

   常量池小结：

   可以把常量池中的常量分成两类：字面量和符号引用，字面量包括数字和字符串常量，符号引用包括类和接口名字段和方法信息等。除了字面量其他常量都是通过索引直接或者间接指向CONSTANT_Utf8_info常量。

4. 访问类标志

一个16位的bitmask指出class文件定义的是类还是接口，访问级别是public还是private等等

5. 类和超类索引

   1. 访问类标志之后是两个u2类型的常量池索引，分别给出类名和超类。
   2. class文件存储的类名类似完全限定名，但是把点换成了斜线，Java语言规范把这种名字叫做：二进制名
   3. 因为每个类都有名字，所以thisClass必须是有效的常量池索引。
   4. 除了java.lang.Object之外，其他类都有超类，所以superClass只有在Object.class中是0，在其他的class文件中必须是有效的常量池索引。

6. 接口索引表

类和超类之后是接口索引表，表中存放的是常量池的索引，给出该类实现的所有接口的名字。

7. 字段和方法表

接口索引表之后是字段表和方法表，分别存储字段和方法信息，字段和方法的基本结构大致相同，仅差别于属性表。

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

和类一样，方法也有自己的访问标志，访问标志之后是一个常量池索引，给出字段名或者方法名，然后又是一个常量池索引，给出字段或者方法的描述符，最后是属性表。

运行时数据区

java和Go数据类型对应如下：

Java虚拟机规范对Java虚拟机栈约束相当宽松，

1. 可以是连续的空间，也可以是不连续的空间；

2. 可以是固定大小，也可以是在运行时动态拓展；如果大小有限制，且执行任务的所需的栈空间超出了这个限制，会抛出StackOverFlow，如果是动态拓展的（运行时指定-Xss）,但是内存耗尽，会导致OutOfMemoryError

Java的线程私有的运行时数据区如下：

说明

1. 在进行javac编译时期,便会确定栈的最大深度，即maxSize,size表示当前栈的深度。
2. _top表示栈顶指针，指向栈顶元素。
3. 这里实现“栈”使用的是链表的数据结构，栈的每一个节点称为“栈帧”，即Frame。
4. 栈帧中包含lower栈顶节点，localVars局部变量表，operandStack操作数栈。
5. 操作数栈的大小也是在编译时期就确定的。size字段用于记录栈顶位置。
6. 局部变量表和操作数栈都是按照索引访问[]Slot的,这个数组的每个元素至少可以容纳一个int或者引用值，连续的两个元素可以容纳一个long或者double

指令集和解释器

类或者接口的方法信息存放在class文件的method_info结构体中，如果方法不是抽象的，也不是本地方法，方法的Java代码就会被编译器编译成字节码（即使方法是空的，编译器也会生成一条return语句），存放在method_info结构的Code属性中。

1. 字节码中存放编码后的Java虚拟机指令，每条指令都是以单字节的操作码开头，只能使用一个字节表示操作码，所以Java虚拟机最多支持256（2^8）条指令。

2. Java虚拟机指令集和汇编类似，为了便于记忆，Java虚拟机给每个操作数都指定了一个“助记符”。 ​ 0x00这条指令什么都不做，所以他的助记符是nop(no operation)

3. java 虚拟机使用的是变长指令，操作码后面可以跟零字节或多字节的操作数。

4. 操作数栈和局部变量表只存放数据的值，并不记录数据类型。所以，指令必须自己知道在操作什么数据类型，这些都会直接反应在操作码的助记符上。

   ​ iadd指令就是对int类型的值进行加法操作。

   助记符首字母和变量类型对应表

   助记符首字母	数据类型	例 子
   a	reference	aload,astore,areturn
   b	byte/boolean	bipush,baload
   c	char	caload,castore
   d	double	dload,dstore,dadd
   f	float	float,fstore,fadd
   i	int	iload,istore,iadd
   l	long	load,lsotre,ladd
   s	short	sipush,satore

   5. java 虚拟机把已经定义好的205条指令按用途分成了11类，分别是：常量（constants）指令，加载（loads）指令，存储（stores）指令，操作数栈（stack）指令，数学（math）指令，转换（conversions）指令，比较（comparisons）指令，控制（control）指令，引用（references）指令，拓展（extended）指令和保留（reserved）指令。

   6. 保留指令一共有三条，其中一条是给调试器用的，用于实现断点，操作码是202（0xCA）breakpoint另外两条是给Java虚拟机实现内部使用操作码是254（0xFE）impdep1和266（0xFF）impdep2,这三条指令不允许出现在字节码文件中。

   Java虚拟机解释器的大致逻辑：

do{
    自动计算pc寄存器以及从pc寄存器的位置取出的操作码;
    if (存在操作数) {
        取出操作数;
    }
    执行操作码定义的操作;
}while(处理下一次循环);

====>>> Go

for {
    pc := calculatePC()
	opcode :=bytecode[pc]
	inst := createInst(opcode)
	inst.fetchOperands(bytecode)
	inst.execute()
}

类和对象

​ 方法区主要存放从class文件中获取的类信息，此外，类变量也存在方法区中，当Java虚拟机第一次使用某个类时，他会搜索类路径，找到对应的class字节码文件，然后读取并解析class文件，把相关信息放进方法区。至于方法区到底位于何处，是固定大小还是动态调整，是否参与垃圾回收，以及如何在方法区中存放类数据等，Java虚拟机规范并没有给出定义

类，字段，方法和常量池的关系

Class

type Class struct {
	accessFlags       uint16
	name              string //this class name
	superClassName    string
	interfaceNames    []string
	constantPool      *ConstantPool
	fields            []*Field
	methods           []*Method
	loader            *ClassLoader
	superClass        *Class
	interfaces        []*Class
	instanceSlotCount uint
	staticSlotCount   uint
	staticVars        *Slots
}

ClassMember

type ClassMember struct {
	accessFlags uint16
	name        string
	description string
	class       *Class
}

Field

type Field struct {
	ClassMember
}

Method

type Method struct {
	ClassMember
	maxStack uint16
	maxLocal uint16
	code     []byte
}

ConstantPool

ConstantPool [] ConstantInfo

运行时常量池

运行时常量池主要存放两类信息：字面量（Iiteral）和符号引用（symbolic reference）

类加载时机

类从被加载到虚拟机内存开始，到卸载出内存为止他的生命周期包括：

其中“验证”，“准备”，“解析”这三个阶段称之为连接。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量（使用static修饰的变量）初始值，这些变量使用的内存都在方法区中分配。

1. 如果该静态变量使用final修饰并且是String类型，并且它的值在编译期间已知，该值存储在class文件常量池中。
2. 对于数字类型初始值是0，引用类型初始值为null,

初始化

1. 遇到new，getstatic，putstatic或者invokestatic这四条字节码指令时，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化。

   常见的场景：

   1. 使用new关键字实例化对象的时候
   2. 读取或者设置一个类的静态字段（被final修饰，已在编译器把结果放入静态常量池的静态字段除外）
   3. 调用一个类的静态方法

2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候

3. 当初始化一个类发现父类该没有初始化，那么先需要初始化父类

4. 虚拟机启动时，用户需要指定一个执行的主类（包含main()方法的类）

5. JDK1.7的动态语言支持。

类和对象相关指令

名称	说明
new	创建实例
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
Idc	把运行时常量池的常量推到操作数栈顶

数组的实现

数组在Java虚拟机中是一个比较特殊的概念，

1. 数组和普通类是不同的，普通类从class文件中加载，但是数组类由Java虚拟机运行是生成，

2. 数组的类名是左方括号（[）+数组元素的类型描述符；数组的类型描述符就是类名本身，例如：[Ljava/lang/Object;String[][]的类名是[java/lang/String;等等。

3. 创建数组的方式和创建普通对象的方式不同，普通对象有new创建，然后由构造函数初始化，

   1. 基本类型数组由newarray指令
   2. 引用类型由anewarray指令创建
   3. 多维数组由multianewarray

4. 数组和普通对象的数据也不同，普通对象中存放的是实例变量，通过putfield和getfield指令存放，数组对象中则存放的是数组元素。通过<t>aload和<t>astore系列指令按索引存取，其中<t>可以是a,b,c,d,f,i,l或者s分别用于存取引用类型、byte、char、double、float、int、long或者short

5. 还有一个arraylength用于获取数组的长度。