Masina virtuală Java

Maşina Virtuală Java

Budai László

Java este un termen la modă în lumea tehnologiei informatice. Cu toţii ştim că acest limbaj de programare a dat aripi noi lumii informatice din ultimii ani, în primul rând prin faptul că un program Java, numit aplet, poate să ruleze într-o pagină Web, mărind astfel posibilităţile de comunicare a acestora. Dar limbajul Java nu se rezumă doar la aplicaţii tip aplet, ci dă cale liberă programatorilor pentru realizarea aplicaţiilor de sine stătătoare.

O aplicaţie de sine stătătoare, scrisă în Java, este compilată şi rulează pe o aşa numită Maşină Virtuală Java. Acest lucru a făcut posibilă separarea de platformă a limbajului. Astfel, un program Java nu este compilat pentru o platformă anume (Sun, MacOS, Win32) ci este transformat în codul Maşinii Virtuale Java.

Maşina Virtuală Java reprezintă un calculator abstract. Ca şi calculatoarele reale, aceasta dispune de un set de instrucţiuni, un set de registre şi utilizează diferite zone de memorie. Acestea sunt componente logice abstracte. Ele nu impun o implementare anume, acest lucru înseamnă că Maşina Virtuală Java se poate implementa ca interpretor de cod binar, compilator (generează cod nativ), sau pe Siliciu, dar să se păstreze funcţionalitatea.

Setul de instrucţiuni

Setul de instrucţiuni Java este echivalentul de limbaj de asamblare a unei aplicaţii Java. Ca şi o aplicaţie C, o aplicaţie Java este compilată dar rezultatul este un cod binar Java şi nu un cod binar al unui microprocesor anume.

O instrucţiune Java este formată dintr-un cod operaţie (opcode) şi operanzi. Codul operaţie are lungimea de un octet, operandul putând avea lungime variabilă. Dacă un operand are lungimea mai mare decât un octet, atunci se va păstra în memorie, după modelul „big-endian", adică octetul mai semnificativ primul. Astfel, o valoare stocată pe 16 biţi se va calcula după cum urmează: primul_octet*256+al_doilea_octet.

Instrucţiunile binare Java prelucrează operanzii din memoria de date a Maşinii Virtuale Java, ca aparţinând unui grup redus de tipuri primitive. Aceste tipuri primitive de date sunt: întreg lung, numere în virgulă flotantă cu simplă şi dublă precizie, octet, şi întreg scurt. Toate tipurile numerice sunt cu semn. Întregul scurt fără semn există doar pentru a folosi la caracterele Unicode. Aceste tipuri primitive de date sunt tratate de către compilator şi nu de programul Java compilat, sau mediul de execuţie Java. Instrucţiunile Java conţin cod operaţie diferit pentru diferitele tipuri de date primitive (ex: iadd, ladd, fadd şi dadd pentru adunarea a două numere).

Regiştri

Regiştrii Maşinii Virtuale Java păstrează starea acesteia în timpul operaţiilor, la fel ca şi regiştrii microprocesoarelor. Maşina Virtuală Java are patru regiştrii:
• pc – numărătorul de program
• optop – pointer către vârful stivei de operanzi
• frame – pointer către mediul de execuţie a metodei curente
• vars – pointer către prima variabilă locală a metodei curente (variabila cu indexul 0).

Maşina Virtuală Java defineşte fiecare registru ca fiind de 32 biţi. Anumite implementări pot să nu utilizeze toţi regiştrii (ex. Dacă se generează cod nativ, atunci nu mai avem nevoie de pc).

Maşina virtuală Java este bazată pe stivă, adică nu foloseşte regiştrii pentru transferuri de parametrii, aceasta fiind o decizie luată în favoarea simplităţii codului şi, totodată, permite implementare eficientă pe diferite procesoare gazdă, care au un număr redus de regiştrii, cum ar fi cele din familia x86.

Stiva Java

Maşina virtuală Java foloseşte stiva pentru a furniza parametrii pentru operaţii, pentru a prelua rezultatele acestora, pentru a transfera parametrii metodelor, etc. O fereastră de stiva (stack frame) Java este echivalentul unei ferestre de stivă pentru un limbaj de programare convenţional. O fereastră de stivă are trei componente:
• variabilele locale
• mediul de execuţie
• stiva de operanzi

Spaţiul alocat variabilelor locale şi mediului de execuţie este fixat la apelul metodei, în timp ce stiva de operanzi se modifică în timpul execuţiei metodei.

Variabilele locale sunt stocate într-un vector şi sunt adresate de către registrul vars. Variabilele locale sunt stocate pe 32 biţi. Tipul long şi double sunt considerate ca fiind formate din două variabile locale.

Variabilele locale se încarcă în stiva de operanzi, iar instrucţiunile vor păstra valorile acestora în spaţiul variabilelor locale.

Mediul de execuţie este componenta din fereastra de stivă, care se foloseşte pentru a păstra operaţiile stivei Java. Conţine pointeri către fereastra de stivă precedentă, precum şi către baza şi vârful stivei de operanzi şi variabile locale. Mai conţine informaţii suplimentare aparţinând mediului de execuţie (pentru depanare).

Excepţii. Fiecare metodă Java conţine o serie de clauze catch. Fiecare clauză catch descrie domeniul pentru care este activă, tipul excepţiei care va fi tratată şi are un bloc de tratare a excepţiei. Când se aruncă o excepţie, aceasta este căutată în lista catch. O clauză cath este potrivită (pentru tratarea excepţiei) dacă instrucţiunea care a aruncat excepţia se află în domeniul pentru care este activă clauza catch respectivă şi excepţia aruncată este derivată din cea pe care o tratează clauza catch. Dacă se găseşte o clauză catch potrivită, sistemul va comuta la codul de tratare a excepţiei. Dacă nu se găseşte nici o clauză potrivită, se părăseşte fereastra de stivă actuală (metoda actuală) şi excepţia este aruncată mai departe, către un nivel superior celui în care a apărut.

Ordinea clauzelor catch este importantă, interpretorul executând codul de tratare a primei clauze care se potriveşte.

Stiva de operanzi. Este o stivă FIFO pe 32 biţi. Ea foloseşte pentru a stoca argumentele şi rezultatele mai multor instrucţiuni ale maşinii virtuale Java. De exemplu operaţia iadd adună două numere întregi. Operaţia citeşte două numere întregi (32 biţi) din vârful stivei, le adună, iar rezultatul este stocat tot în stiva de operanzi. Operaţia iadd presupune că o altă instrucţiune a maşinii virtuale a pus în vârful stivei cele două valori care trebuie să fie adunate şi că rezultatul va fi preluat din stiva de operanzi. Pentru fiecare tip de date, există operaţii specializate pentru acel tip, este ilegal ca să se depună pe stivă două numere întregi şi apoi să fie citite ca un întreg lung (64 biţi).

Rezerva de constante (Constant pool)

Fiecărei clase Java i se asociază o rezervă de constante, care va păstra numele tuturor câmpurilor, metodelor şi a tuturor informaţiilor care pot fi utilizate de oricare metodă a clasei.

La încărcarea unei clase Java se va citi lungimea rezervei de constante (constant_pool_count), după care va urma efectiv spaţiul alocat acesteia, începând cu constant_pool[0] şi până la constant_pool[constant_pool_count-1]. Fiecare element (constant_pool[i]) are următoarea structură:

cp_info {
 	   u1 tag; 
 	   u1 info[]; 
 	   }

Înregistrările încep cu o etichetă de un octet, care indică tipul înregistrării. De exemplu, pentru descriptorul unei clase vom avea valoarea CONSTANT_Class = 7. Formatul informaţiei care urmează după etichetă diferă în funcţie de ceea ce reprezintă înregistrarea. De exemplu pentru o clasă avem:

CONSTANT_Class_info { 
 	   u1 tag; 
 	   u2 name_index; 
 	   }

unde tag= CONSTANT_Class (7) iar name _index reprezintă un index în constant_pool care va indica spre o înregistrare CONSTANT_Utf8_info, care va reprezenta numele clasei.

Colectorul de deşeuri

Maşina virtuală Java mai include un colector de deşeuri. Acesta este un proces care rulează în umbră şi el este răspunzător de elibararea resurselor ocupate de programe. Există mai multe tehnici pentru realizarea acestuia, dar nu se impune implementarea uneia dintre acestea, cel care realizează o Maşină virtuală Java poate să implementeze propriile tehnici care să realizeze acest lucru. În Java nu se permite programatorului să aibă acces direct la resurse, de ocuparea şi eliberarea propriu zisă a lor se ocupă mediul de execuţie. De obicei, când o resursă nu mai este referită de nimeni, ea va fi eliberată de către colectorul de deşeuri.

Implementarea acestor elemente ale maşinii virtuale Java nu impune nici o restricţie privitoare la tehnica care se foloseşte.

Diferitele implementări ale maşinii virtuale Java comunică prin intermediul fişierelor .class. Maşina virtuală recunoaşte aceste fişiere şi nu limbajul Java. Astfel, se pot realiza compilatoare care să genereze cod binar Java şi pentru alte limbaje, singura condiţie fiind să se genereze un fişier .class care are structura celui recunoscut de maşina virtuală.

Structura fişierului .class

Fişierele .class păstrează codul compilat pentru clasele şi interfeţele Java. Acest fişier are structura prezentată în figura „Structura fişierelor .class". În această figură u1,u2,u4 reprezintă valori fără semn, având lungimea de 1, 2 respectiv 4 octeţi.

Elementele din structura fişierului .class sunt:
magic – reprezintă un număr care identifică formatul fişierului, are valoarea 0xCAFEBABE
minor_version, major_version – reprezintă numerele corespunzătoare versiunii compilatorului care a generat fişierul class.
constant_pool_count – reprezintă numărul înregistrărilor din rezerva de constante. constant_pool_count trebuie să fie o valoare mai mare decât zero.
constant_pool[] – este un vector care conţine structuri cu lungime variabilă reprezentând constante string, nume de clase, nume de câmpuri, şi alte constante care sunt referite din fişier. Prima înregistrare constant_pool[0] este rezervată pentru uzul intern a maşinii virtuale Java şi nu este prezentă în fişierul class. În fişier se găsesc înregistrările constant_pool[1] … constant_pool[constant_pool_count-1]
access_flags – sunt o serie de flaguri folosite clase, metode, sau câmpuri pentru a descrie diferite proprietăţi ale acestora, cum ar fi accesul metodelor din alte clase la elementele clasei.
this_class – este un index în constant_pool, care indică o înregistrare de tip CONSTANT_Class_info, care va reprezenta clasa sau interfaţa a cărei cod se află în fişierul class.
super_class – este un index în constat_pool şi va indica spre o înregistrare CONSTANT_Class_info, care reprezintă superclasa din care s-a derivat clasa curentă. Dacă super_class are valoarea zero, atunci este vorba despre clasa java.lang.Object, aceasta fiind singura clasă, care nu se derivă dintr-o clasă.
interfaces_count – reprezintă numărul interfeţelor implementate
interfaces[] – este o tabelă de indexuri către constant_pool, înregistrările respective din constant_pool reprezentând descrieri ale interfeţelor care sunt superinterfeţele directe
fields_count – reprezintă numărul structurilor field_info din tabela de câmpuri. Acest tabel include atât variabilele de clasă cât şi cele de instanţă.
fields[] – este un tabel conţinând structuri care descriu complet variabilele din clasă (atât cele de clasă, cât şi cele de instanţă). Include doar variabilele declarate în această clasă şi în interfeţele acesteia, nu şi cele care au fost declarate în clase superioare clasei.
methods_count – reprezintă numărul metodelor din tabela de metode
methods[] – este un tabel care conţine structuri care descriu complet metodele împreună cu codul executabil al metodelor din clasă, sau interfaţă. În tabel se găsesc descrierile pentru toate metodele (atât de instanţă cât şi cele de clasă) care au fost declarate explicit în această clasă.
attributes_count – reprezintă numărul înregistrărilor din tabela de atribute a clasei
attributes[] – conţine structuri de lungime variabilă, care caracterizează atributele asociate fişierului class.

Fişierul Hello.class

Pentru exemplificarea structurii unui fişier class am ales fişierul Hello.class, care se generează din următorul fişier sursă (Hello.java):

class Hello{ 
 	   public static void main(String args[]){ 
 	      System.out.println("Hello World"); 
 	      }
 	   }

Dacă vizualizăm conţinutul fişierului Hello.class cu un editor, care este capabil să arate şi în hexazecimal (wpwiev din NC), putem citi structura din figura „Hello.class".

Referinţe:
1. PC Magazin DOS, 2/97, pag.166-1712. http://paro.etri.re.kr/java/doc/beta/vmspec/vmspec_2.html3. http://www.javasoft.com/docs/books/vmspec/html/VMSpecTOC.doc.html