Глухих Михаил Игоревичmailto: glukhikh@mail.ru

The Java Virtual Machine Specification

Action “Show Bytecode” in IDEA

2

Регистры, как минимум◦ Указатель программы◦ Указатель стека◦ Регистры для хранения данных

Арифметико-логическое устройство◦ Непосредственное выполнение операций

Конвейер чтения и дешифрации команд◦ Читает команды и определяет, что они значат◦ Команды в двоичном коде

Устройство управления◦ Руководит всем

3

Язык программирования, непосредственно понятный процессору

Команды в двоичном коде◦ Как правило имеют также символьное представление

(human-friendly)

Как правило не включает сложных конструкций и структур данных

Типичный набор инструкций◦ Арифметико-логические операции◦ Чтение / запись из / в памяти◦ Переходы (goto) по условию и без него◦ Вызов процедур ◦ …

4

JVM = “виртуальный компьютер”, имеющий, как минимум, процессор и память

JVM имеет собственный машинный язык (это НЕ Java, хотя язык сделан так, чтобы было удобно компилировать Java в этот язык)

JVM имеет стековую архитектуру (в отличие от регистровой архитектуры большинства настоящих процессоров)

◦ Стековая = операнды хранятся на стеке, количество регистров минимизировано, многие операции вроде ADD не имеют аргументов

◦ Регистровая = операнды хранятся в регистрах, операции имеют аргументы, например ADD AX, BX

5

Программа для JVM состоит из class-файлов, их формат строго специфицирован, каждый class-файл описывает ровно один класс

◦ Отметим, что машинный язык «знает», что такое классы

◦ Примеры с разными классами: см. в IDE

◦ С точки зрения JVM, все классы работают как top-level

6

Header (magic number)

Version (bound to JDK in use)

Constant pool◦ Все константы и идентификаторы сохраняются

как индекс для constant pool

This & super-class names

Super-interface names

Fields

Methods

Other attributes

7

Обычные (top-level, regular)◦ public / package private

Вложенные (nested)◦ Статически вложенные (static nested)

◦ Внутренние (inner, member inner)

Локальные (local, method local)

Анонимные (anonymous)

8

Kind Scope Access Notes

Regular Top-level Everywhere

Static nested Class Everywhere

Member inner Class Everywhere Bound to outer class

Method local Method Method Captures local variables

Anonymous Method Method Captures local variables

9

Regular class – напрямую

Static nested class – напрямую с именем вроде OuterName$NestedName

Member inner class – также содержит неявную ссылку на объект внешнего класса, через которую может обращаться к его полям и методам

Local & anonymous classes – при создании получают ссылки на captured local variables

10

Поддерживаемые типы данных◦ Примитивные: byte, short, int, long, char, float,

double, boolean, returnAddress returnAddress ~ адрес инструкции в байт-коде,

используется для вызова так называемых процедур (subroutine)

Subroutines раньше использовались для try / finally, начиная с JDK 6 вроде бы не используются

◦ Ссылочные: class, interface, array, all are nullable

11

Поддерживаемые типы данных◦ Примитивные: byte, short, int, long, char, float,

double, boolean, returnAddress

◦ Ссылочные: class, interface, array, all are nullable Используется class или interface в зависимости от

compile-time типа

Array является специальным вариантом

12

Регистр PC

JVM stack = привязан к каждой JVM-нити, служит для хранения локальных переменных,параметров методов и операций, состоит из фреймов◦ JVM frame = создаётся для каждого вызванного метода

на стеке, состоит из массива локальных переменных, стека операндов (Operand stack, не путать с JVM stack!), ссылки на пул констант для класса, к которому относится метод

13

Регистр PC

JVM stack = привязан к каждой JVM-нити, служит для хранения локальных переменных,параметров методов и операций, состоит из фреймов

JVM heap = общий для всех нитей

JVM method area = хранит машинные коды

JVM constant pool = хранилище констант, своё для каждого класса

14

Любая инструкция содержит код выполняемой операции размером один байт (поэтому – байт-код)

Также может содержать дополнительные операнды

Для вычислений используются типы: int, long, float, double, reference, return address

Группы инструкций

◦ LOAD (local variable → operand stack)

◦ STORE (local variable operand stack

◦ Константы: CONST / LDC

◦ ADD / SUB / MUL / DIV / REM / NEG / SHR / SHL / USHR / AND / OR / XOR / INC / CMP

◦ Преобразования типов вроде I2L

◦ Стековые: POP / DUP / SWAP

15

См. в IDE

16

Группы инструкций

◦ Передача управления: GOTO / IFEQ / IFNE / IF<other> / TABLESWITCH / LOOKUPSWITCH

◦ Процедуры subroutine (не путать с методами): JSR / RET –устаревшие

17

На конкретную метку в коде

По условию или без него

SWITCH◦ TABLESWITCH – имеется массив, который по

(целому) значению ключа выдаёт конкретную метку

◦ LOOKUPSWITCH – выполняет последовательное сравнение ключа с заданными значениями и переход в случае совпадения

◦ Выбор зависит от степени «компактности» исходного switch

18

Группы инструкций

◦ Передача управления: GOTO / IFEQ / IFNE / IF<other> / TABLESWITCH / LOOKUPSWITCH

◦ Процедуры subroutine (не путать с методами): JSR / RET –устаревшие

◦ Массивы: NEWARRAY / ALOAD / ASTORE / ARRAYLENGTH

19

В JVM – специфический вид объектов

Тип элемента массива сохраняется в runtime (reified)

Ковариантны (covariant) с точки зрения типов элементов◦ То есть мы можем присвоить массиву объектов

массив строк:

◦ Object[] someArr = new String[1];

20

Когда SomeType<A> является подтипом SomeType<B>?◦ Invariant – значение типового аргумента должно

быть строго таким же, A = B (generics)

◦ Covariant – A должно быть подтипом B

◦ Contravariant – B должно быть подтипом A

21

Группы инструкций

◦ Передача управления: GOTO / IFEQ / IFNE / IF<other> / TABLESWITCH / LOOKUPSWITCH

◦ Процедуры subroutine (не путать с методами): JSR / RET –устаревшие

◦ Массивы: NEWARRAY / ALOAD / ASTORE / ARRAYLENGTH

◦ Объекты: NEW / GETFIELD / PUTFIELD / GETSTATIC / PUTSTATIC / INSTANCEOF / CHECKCAST

◦ Методы: INVOKEVIRTUAL / INVOKESTATIC / INVOKESPECIAL / INVOKEINTERFACE / RETURN

22

«Знают» свой runtime type◦ Compile-time type VS runtime type

Операции с типами: ◦ INSTANCEOF: даёт 0 или 1 в зависимости от

правильности типа

◦ CHECKCAST: бросает или нет ClassCastException в зависимости от правильности типа

Обращение идёт через ссылку (reference)◦ Поля

◦ Методы

23

Делается сравнительно просто

Операнды: ◦ Ссылка на объект в стеке

(только для GETFIELD / PUTFIELD)

◦ Индекс поля в команде

Результат – извлечённое поле

24

Нужный метод всегда указывается через пул констант, там содержится его имя в виде BaseClass.doSomething

Ссылка на константу – аргумент invoke

INVOKEVIRTUAL #index

◦ Берёт с вершины стека операндов будущий this, так называемый receiver (получатель)

◦ Оттуда же берёт аргументы

◦ Ищет нужный метод вначале внутри класса получателя (в соответствии с его реальным типом времени выполнения), потом его базовых классов, вызывает первый найденный

По факту это делается через таблицу виртуальных методов

25

Содержит в качестве ключа индекс метода и в качестве значения ссылку на реализацию метода (она может находиться как в текущем классе, так и в одном из базовых)

26

INVOKEINTERFACE #index

◦ Работает примерно как INVOKEVIRTUAL

◦ Основная разница в том, что базовый метод определён в интерфейсе, а не в классе

◦ Тоже работает через таблицу виртуальных методов, но чуть более сложным образом

27

INVOKESTATIC #index

◦ Не имеет получателя

◦ Берёт аргументы с вершины стека

◦ Вызывает именно тот метод, название которого было взято из пула констант

28

Вначале NEW

А уже потом INVOKESPECIAL <init>

29

INVOKESPECIAL #index

◦ К специальным методам относятся конструктор, вызов метода базового класса из метода производного класса, вызов закрытого метода (из метода того же класса)

◦ Конструктор в байт-коде имеет название вида MyClass.<init>

◦ В большинстве случаев INVOKESPECIAL вызывает тот метод, который указан непосредственно в ней (исключение составляют защищённые методы базового класса)

30

Типовые параметры стираются (erased)

Вместо их типа обычно подставляется Object (или граница для типового параметра T extends Something –см. пример)

Следствие: преобразование из Type<A> в Type<B> на самом деле не делает ничего (unchecked cast)

31

Многопоточные приложения…

32