1

L’architettura dellaJava Virtual Machine

Implementazione di LinguaggiA.A. 2003/2004

di Gualdani Alessandro

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Cos’è la JVM (1)

È una macchina astratta stack-based, multi-threading, type safety

È indipendente dalla piattaforma la JVM e le Java API realizzano una piattaforma (Java Platform o Java runtime system) su cui vengono eseguite le applicazioni Java

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Cos’è la JVM (2)

È un interprete del bytecode: la fase di compilazione “traduce” i

sorgenti java in un linguaggio intermedio, il bytecode, memorizzato nei class files

A.java

B.java

C.java

Javacompiler

bytecode A.class

B.class

C.class

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Cos’è la JVM (3)

A runtime la JVM esegue il codice contenuto nei class files

A.class

B.class

C.class

class loader

Java API class files

executionengine

Host operating system

JVM

bytecode

native method invocations

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Tipologia di dati

La JVM opera su due tipi di dati: Primitive types “contengono” i

primitive values, che sono scalari Reference types “contengono” i

reference values, che sono riferimenti ad oggetti (possono essere pensati come puntatori ad oggetti)

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Tipi di dato

8 bit

16 bit

32 bit

64 bit

16 bit

32 bit

64 bit

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Architettura JVM

8

Method area È condivisa tra tutti i thread Memorizza le strutture relative alle classi:

- type information- constant pool- field information- method information- variabili di classe (static)- riferimento alla classe ClassLoader- riferimento alla classe Class

Quando la JVM carica un tipo (classe), il class loader legge le informazioni relative dal class file e le passa nuovamente alla JVM la quale le memorizza nella method area

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Method area – Type information

Per ogni tipo caricato, la JVM devemantenere le seguenti informazioni: nome qualificato del tipo (per esempio, per

Object il tipo qualificato è java.lang.Object)

nome qualificato del tipo della superclasse se il tipo è una classe o un’interfaccia modificatori di tipo (es. public, abstract,…) lista ordinata dei nomi qualificati delle

“superinterfacce”

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Method area – Constant Pool

È una rappresentazione (per ogni classe/interfaccia) a runtime della constant_pool table nel class file

Contiene riferimenti simbolici ai campi e metodi usati da una classe

Le entries del constant pool sono referenziate tramite indice, come gli elementi di un array

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Method area – Field information

Per ogni attributo dichiarato in unaclasse, vengono memorizzate nellamethod area le seguenti informazioni: nome dell’attributo tipo dell’attributo modificatori dell’attributo (public,

private, protected, …)

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Method area – Method information

Per ogni metodo dichiarato in una classe,vengono memorizzate nella method area leseguenti informazioni: nome del metodo valore di ritorno del metodo numero e tipi (in ordine) dei parametri modificatori del metodo(public, private, …)Inoltre vengono mantenute ulterioriinformazioni, tra cui: bytecode del metodo tavola delle eccezioni

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Method area – Variabili di classe

Sono condivise tra tutte le istanze di una classe (e possono essere accedute anche in assenza di istanze della classe)

Facendo parte della classe, sono allocate nella method area

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Method area – Riferimento alla classe Class

Per ogni tipo che carica, la JVM crea un’istanza della classe Class

Consente l’accesso alle informazioni contenute nella method area

Può essere ottenuto invocando il metodo:- public static Class forName(String className) (della classe Class) - public final Class getClass() (della classe Object) sull’istanza dell’oggetto

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Heap Viene creato all’avvio della JVM È condiviso tra tutti i thread In esso vi sono allocate tutte le istanze delle classi e

gli array È gestito dal garbage collector NOTA: la Sun, nelle specifiche della JVM, non

definisce la rappresentazione degli oggetti né il funzionamento del garbage collector; una possibile rappresentazione degli oggetti è la seguente:

Object reference 1Class 1

dataptr to class data

instance data

Object reference 2ptr to class data

instance dataClass 2

data

Heap Method area

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Java Stack

Ogni thread ha un suo stack privato (creato al momento della creazione del thread)

Memorizza i frame Operazioni possibili: push e pop di

frame

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Frame Ogni frame è composto da tre parti: local variables operand stack frame dataLe dimensioni delle local variables e dell’operand stack (in termini di parole) sono noti a compile time e inclusi nel class file, mentre la dimensione del frame data è dipendente dall’implementazione.Quando la JVM invoca un metodo, controlla il class file per determinare il numero di parole richieste per le local variables e l’operand stack: quindi crea un nuovo frame e ne fa il push sul Java stack.

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Frame – Local variables

Sono usate per passare i parametri nell’invocazione di un metodo

Sono organizzate in un array Sono riferite mediante un indice compreso

tra 0 e n-1 (dove n è la lunghezza dell’array)

I parametri sono memorizzati nello stesso ordine in cui sono dichiarati; l’indice 0 dell’array è usato per passare (ad esclusione dei metodi static) un reference all’oggetto su cui è stato invocato il metodo (this in Java)

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Frame – Operand stack

Viene usato dalla JVM per caricare costanti o valori dalle local variables (attraverso le operazioni push e pop)

Le istruzioni della JVM prendono i loro operandi dall’operand stack (la JVM è stack-based)

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Esempio Operand Stack (1)

int a=100; int b=98; int c;

………

c=a+b;

Supponiamo l’esecuzione del seguente frammento di codice:

0 100981

2

local variables

operand stack

Dopo l’esecuzione della prima riga di codice, il frame si presenta così:

L’istruzione c=a+b; viene convertita nelle seguenti istruzioni:iload_0 // push l’intero contenuto in local variable 0

iload_1 // push l’intero contenuto in local variable 1

iadd // pop due interi, li somma, push del risultato

istore_2 // pop di un intero e store in local variable 2

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Esempio Operand Stack (2)

0 10098

100

12

local variables

operand stack

dopo i_load00 100

98

98100

12

local variables

operand stack

dopo i_load1

0 10098

198

12

local variables

operand stack

dopo i_add

0 10098

19812

local variables

operand stack

dopo i_store2

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Frame – Frame dataContiene le informazioni necessarie aruntime per l’esecuzione di unmetodo: un puntatore al runtime Constant

Pool (per realizzare il late binding, ma non solo…)

informazioni per il return da un metodo

un riferimento alla tavola delle eccezioni nella method area

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PC registers

Ogni thread ha il proprio pc (program counter) register

Durante l’esecuzione di un metodo il pc register contiene l’indirizzo dell’istruzione corrente eseguita dal thread

Se il metodo non è native il pc register contiene l’indirizzo dell’istruzione della macchina virtuale correntemente eseguita; se il metodo è native il valore del pc register è indefinito

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Native method stacks

Utilizzati dalla JVM per consentire l’esecuzione di codice nativo (diverso da Java)

Quando un thread invoca un metodo nativo, la JVM, invece di fare il push di un nuovo frame sul Java Stack, “crea” un collegamento direttamente con lo stack del metodo invocato

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IL CLASS FILE FORMAT

di D’Angelo Paolo

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DEFINIZIONE DI CLASS FILE

Il class file è un file in cui vengono definiti le rappresentazioni di una classe o interfaccia ed è costituito da un flusso di 8 byte.

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LA STRUTTURA DI UN CLASS FILE

ClassFile { u4 magic; 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];

}

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I DESCRITTORI

Un descrittore è una stringa che rappresenta il tipo di campo o metodo.

I descrittori sono rappresentati nel class file format usando UTF-8 string

e seguono una determinata grammatica

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FIELD DESCRIPTORS

Un field descriptor rappresenta il tipo di una classe, istanza, o variabile locale

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GRAMMATICA DI UN FIELD DESCRIPTOR

FieldDescriptor:

FieldType        ComponentType:

FieldType        FieldType:

BaseType ObjectType ArrayType

       BaseType: B

C D F I J S

Z        ObjectType:

L <classname> ;        ArrayType:

[ ComponentType

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GRAMMATICA DI UN FIELD DESCRIPTOR

Caratteri BaseType Tipo Interpretazione

B Byte Signed byte

C Char Unicode character

D Double Double-precision floating-point value

F Float Single precision floating-point value

I Int Interger

J Long Long integer

L<classname>; Reference An instace di class <classname>

S Short Signed short

Z Boolean True or false

[ reference One array dimension

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METHOD DESCRIPTORS

Un method descriptors rappresenta i parametri che il metodo prende e i valori che esso ritorna:

MethodDescriptor: (ParameterDescriptor)ReturnDescriptor

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METHOD DESCRIPTOR

Un parameter descriptor rappresenta un parametro passato ad un metodo:

ParameterDescriptor:FieldType

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METHOD DESCRIPTOR

Un return descriptor rappresenta il tipo di valore ritornato da un metodo

ReturnDescriptor:FieldTypeV

Il carattere V indica che il metodo non retorna nessun valore (void)

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CONSTANT POOL TABLE

Le istruzioni della java virtual machine non si affidano al layout di classi, interfacce, istanze di classe ma si riferiscono ad informazioni simboliche presenti nella constant_pool table dove ogni entry della tabella ha il seguente formato:

cp_info {      u1 tag;      u1 info[];     }

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CONSTANT POOL

ConstantType Valore

CONSTANT_Class 7

CONSTANT_Fieldref 9

CONSTANT_Methodref 10

CONSTANT_InterfaceMethodref

11

CONSTANT_String 8

CONSTANT_Integer 3

CONSTANT_Float 4

CONSTANT_Long 5

CONSTANT_Double 6

CONSTANT_NameAndType 12

CONSTANT_Utf8 1

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UN ESEMPIO DI CONSTANT POOL TABLE

38

La struttura CONSTANT_Class_info

L a struttura CONSTANT_Class_info e’ utilizzata per rappresentare una classe o un’interfaccia e ha la seguente struttura:

 CONSTANT_Class_info {      u1 tag;      u2 name_index;

    }

39

Le strutture CONSTANT_Fieldref_info, CONSTANT_Methodref_info, e CONSTANT_InterfaceMethodref_info

I campi, i metodi di una classe e i metodi di un interfaccia sono rappresentati dalle seguenti strutture:

CONSTANT_Fieldref_info {      u1 tag;      u2 class_index;      u2 name_and_type_index;     }

CONSTANT_Methodref_info {      u1 tag;      u2 class_index;      u2 name_and_type_index;     }

CONSTANT_InterfaceMethodref_info {      u1 tag;      u2 class_index;      u2 name_and_type_index;     }

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La struttura CONSTANT_NameAndType_info

La struttura CONSTANT_NameAndType_info e’ usata per rappresentare un campo o un metodo, senza indicarea quale tipo di interfaccia o classe appartiene.

CONSTANT_NameAndType_info {      u1 tag;      u2 name_index;      u2 descriptor_index;     }

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La struttura CONSTANT_Utf8_info

La struttura CONSTANT_Utf8_info e’ utilizzata per rappresentare valori di stringa costanti

CONSTANT_Utf8_info {      u1 tag;      u2 length;      u1 bytes[length];     }

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I CAMPI

Ogni campo della classe e’ descritto dalla struttura field_info. Due campi all’interno della stessa classe non possono avere lo stesso nome e quindi lo stesso descrittore.

field_info {      u2 access_flags;      u2 name_index;      u2 descriptor_index;     

u2 attributes_count;      attribute_info attributes[attributes_count];    

}

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I METODI

Ogni metodo, incluso ogni istanza di inizializzazione di metodo, ogni metodo di inizializzazione di interfaccia e di classe, e’ descritta dalla struttura method_info. Due metodi all’interno della stessa classe non possono avere lo stesso nome e quindi lo stesso descrittore.

method_info {      u2 access_flags;      u2 name_index;      u2 descriptor_index;      u2 attributes_count;      attribute_info attributes[attributes_count];

    }

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LE ISTRUZIONI DELLA JAVA VIRTUAL MACHINE

Le istruzioni della java virtual machineconsistono di un opcode che specificano quale operazionedeve essere eseguita, seguita da uno o piu' operandi che includono su quali valori agisce l'istruzione. 

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IL FORMATO DELLE ISTRUZIONI

OP CODE

OPERAND1

OPERAND2

……

46

CLASSIFICAZIONE DELLEISTRUZIONI

Abbiamo diverse classi di istruzioni:

•Load e strore dello stack•Aritmetiche•Conversioni di tipo•Creazioni e manipolazioni di oggetti•Di controllo•Invocazione di metodi•….

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L’ISTRUZIONE NEW

L’istruzione new e’ utilizzata per creare un nuovo oggetto.

New

Indexbyte1

indexbyte2

New = 187 (0xbb)

Gli unsigned indexbyte1 e indexbyte2 sono usati per costruire un indice nella Constant pool della classe corrente dove il valore dell’indice è (indexbyte1 << 8) | indexbyte2 .

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UN ESEMPIO DI NEW

;This example creates a new StringBuffer object. ;This is like the Java code: ; ; StringBuffer x = new StringBuffer();

; 1. use new to create a new object reference new java/lang/StringBuffer

; 2. dup the object reference and call its constructor dup invokespecial java/lang/StringBuffer/<init>()V

; 3. assign object reference on the stack to a local variable astore_1 ; local variable 1 now contains a StringBuffer object, ; ready for use

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L’ISTRUZIONE INVOKESPECIAL

invokespecial

indexbyte1

indexbyte2

L’istruzione invokespecial invoca metodi d’istanza

invokespecial = 183 (0xb7)

Gli unsigned indexbyte1 e indexbyte2 sono usati per costruire un indice nella Constant pool della classe corrente dove il valore dell’indice è (indexbyte1 << 8) | indexbyte2.

50

UN ESEMPIO DI INVOKESPECIAL

class Example { // override equals public boolean equals(Object x) { // call Object's version of equals

return super.equals(x); }

}

aload_0 ; push 'this' onto the stack aload_1 ; push the first argument (i.e. x) onto the stack

; now invoke Object's equals() method. invokespecial java/lang/Object/equals(Ljava/lang/Object;)Z

51

L’ISTRUZIONEINVOKESTATIC

invokestatic

indexbyte1

indexbyte2

invokestatic = 184 (0xb8)

Gli unsigned indexbyte1 e indexbyte2 sono usati per costruire un indice nella Constant pool della classe corrente dove il valore dell’indice è (indexbyte1 << 8) | indexbyte2.

L’istruzione invoke static invoca un metodo di classe statico.

52

UN ESEMPIO DI INVOKESTATIC

System.exit(1);

iconst_1 ; push 1 onto the stack. ; now call System.exit()

invokestatic java/lang/System/exit(I)V

53

L’ISTRUZIONE INVOKEINTERFACE

Invokeinterface

Indexbyte1

Indexbyte2

Count

0

invokeinterface = 185 (0xb9)

Gli unsigned indexbyte1 e indexbyte2 sono usati per costruire un indice nella Constant pool della classe corrente dove il valore dell’indice è (indexbyte1 << 8) | indexbyte2 .

L’istruzione invoca il metodo d’interfaccia

54

UN ESEMPIO DI INVOKEINTERFACE

void test(Enumeration enum) { boolean x = enum.hasMoreElements(); ... }

aload_1 ; push local variable 1 (i.e. the enum object) onto the stack ; call hasMoreElements()

invokeinterface java/util/Enumeration/hasMoreElements()Z 1 istore_2 ; store the boolean result in local variable 2 (i.e. x)

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L’ISTRUZIONE INVOKEVIRTUAL

invokevirtual

indexbyte1

indexbyte2

invokevirtual = 182 (0xb6)

Gli unsigned indexbyte1 e indexbyte2 sono usati per costruire un indice nella Constant pool della classe corrente dove il valore dell’indice è (indexbyte1 << 8) | indexbyte2.

L’istruzione invokevirtual invoca l’istanza di un metodo

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UN ESEMPIO DI INVOKEVIRTUAL

Object x; ... x.equals("hello");

aload_1 ; push local variable 1 (i.e. 'x') onto stack ldc "hello" ; push the string "hello" onto stack

; invoke the equals method Iinvokevirtual java/lang/Object/equals(Ljava/lang/Object;)Z

; the boolean result is now on the stack

57

Esempio

import java.lang.*;

class Padre{ protected String s; public Padre(){} public Padre(String s) { this.s=s;} public void stampa() { System.out.println("Stringa stampata: "+s+"\n"); }}

class Figlio extends Padre{ public Figlio(String s) { this.s=s;} }

public class Main{ public static void main(String args[]) { Padre p=new Padre("Padre"); Figlio f=new Figlio("Figlio"); p=f; p.stampa(); }}

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Esempio – public Padre(String s)

Il costruttore della classe Padre, public Padre(String s), si traduce nelle seguenti istruzioni:

public Padre( java.lang.String locVar_1) { aload_0 this //load 'reference' (object) from locVar #0

invokespecial java.lang.Object.<init> //invoke instance method

aload_0 this //load 'reference' (object) from locVar #0

aload_1 locVar_1 //load 'reference' (object) from locVar #1

putfield Padre.s //set field value in object

return //return 'void' from method

}

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Esempio – public Figlio(String s)

Il costruttore della classe Figlio si traduce nelle seguenti istruzioni:

public Figlio( java.lang.String locVar_1) { aload_0 this //load 'reference' (object) from locVar #0

invokespecial Padre.<init> //invoke instance method

aload_0 this //load 'reference' (object) from locVar #0

aload_1 locVar_1 //load 'reference' (object) from locVar #1

putfield Figlio.s //set field value in object

return //return 'void' from method

}

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Esempio – public void stampa()

L’operazione stampa() si traduce nelle seguenti istruzioni:

public void stampa() {getstatic java.lang.System.out //get 'static' field value from class new java.lang.StringBuffer //Create new object dup //duplicate top operand stack word invokespecial java.lang.StringBuffer.<init> //invoke instance method ldc "Stringa stampata: " //push item from constant pool invokevirtual java.lang.StringBuffer.append //invoke virtual method aload_0 this //load 'reference' (object) from locVar #0 getfield Padre.s //get field value from object. invokevirtual java.lang.StringBuffer.append //invoke virtual method ldc "\n" //push item from constant pool invokevirtual java.lang.StringBuffer.append //invoke virtual method invokevirtual java.lang.StringBuffer.toString //invoke virtual method invokevirtual java.io.PrintStream.println //invoke virtual method return //return 'void' from method }

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Esempio – public static void main(String[] args)

Il main si traduce nelle seguenti istruzioni: public static void main( java.lang.String[] args) { java.lang.Object locVar_1; (object p) java.lang.Object locVar_2; (object f)

new Padre //Create new object dup //duplicate top operand stack word ldc "Padre" //push item from constant pool invokespecial Padre.<init> //invoke instance method astore_1 locVar_1 //store 'reference' (object p) into local variable #1 new Figlio //Create new object dup //duplicate top operand stack word ldc "Figlio" //push item from constant pool invokespecial Figlio.<init> //invoke instance method astore_2 locVar_2 //store 'reference' (object f) into locVar#2 aload_2 locVar_2 //load 'reference' (object f) from locVar #2 astore_1 locVar_1 //store 'reference' (object f) into locVar #1 aload_1 locVar_1 //load 'reference' (object p) from locVar #1 invokevirtual Padre.stampa //invoke virtual method return //return 'void' from method }

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Esempio – Riferimenti simbolici

Nell’esempio, per una maggiore chiarezza, sono stati considerati i nomi dei metodi: in realtà tutte le istruzioni della JVM agiscono su riferimenti simbolici; ad esempio nella traduzione del metodo void stampa() si è scritto

invokevirtual Padre.stampa In realtà l’istruzione “vera” è

invokevirtual #8

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Esempio – Constant Pool

La parte del Constant Pool relativa alla risoluzionedel metodo stampa è la seguente:

idx: 8 CONSTANT_Methodref class_index=2 , name_and_type_index=23

idx: 2 CONSTANT_Class name_index=20

idx: 20 CONSTANT_Utf8 value="Padre"

idx: 23 CONSTANT_NameAndType name_index=27 , descriptor_index=12

idx: 27 CONSTANT_Utf8 value="stampa"

idx: 12 CONSTANT_Utf8 value="()V"

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Bibliografia

Tim Lindholm – Frank YellinThe Java Virtual Machine Specification Second EditionADDISON-WESLEY

Bill VennersInside the Java Virtual Machine