jvm造輪子

来源:https://www.cnblogs.com/zumengjie/archive/2022/06/21/16396338.html
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前言 當我們開始學習Python時,我們會養成一些不良編碼習慣,而更可怕的是我們連自己也不知道。 我們學習變成的過程中,大概有會這樣的經歷: 寫的代碼只能完成了一次工作,但後來再執行就會報錯或者失敗,令人感到懊惱, 或者偶然發現一個內置函數可以讓你的工作更輕鬆時,瞬間豁然開朗。 我們中的大多數人仍然 ...


博客內容來源於 劉欣老師的課程,劉欣老師的公眾號 碼農翻身 

博客內容來源於 Java虛擬機規範(JavaSE7)

博客內容的源碼 https://gitee.com/zumengjie/litejvm

閱讀此博客請配合源碼食用。

ClassLoader

ClassLoader就是根據類名去classpath路徑上找到Class文件然後解析Class文件形成Class類對象。

package com.datang.litejvm.loader;

import com.datang.litejvm.clz.Class;
import org.apache.commons.io.IOUtils;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;

import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;


/**
 * @author: 頂風少年
 * @Description: 類載入器
 * @date: 13:54 2022/6/10
 **/
public class ClassLoader {

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 存放環境變數
     * @date: 21:58 2022/6/8
     **/
    private List<String> clzPaths = new ArrayList<String>();


    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 添加環境變數 classPath
     * @date: 21:53 2022/6/8
     **/
    public void addClassPath(String path) {
        if (this.clzPaths.contains(path)) {
            return;
        }
        this.clzPaths.add(path);
    }


    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 返回classPath, 多個中間使用 ; 拼接
     * @date: 21:53 2022/6/8
     **/
    public String getClassPath() {
        return StringUtils.join(this.clzPaths, ";");
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 將classpath和className拼接獲取類路徑
     * @date: 21:53 2022/6/8
     **/
    public byte[] readBinaryCode(String className) {
        className = className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        for (String path : this.clzPaths) {
            String clzFileName = path + File.separatorChar + className;
            byte[] codes = loadClassFile(clzFileName);
            if (codes != null) {
                return codes;
            }
        }
        return null;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 根據類路徑讀取class文件
     * @date: 21:54 2022/6/8
     **/
    private byte[] loadClassFile(String clzFileName) {
        File f = new File(clzFileName);
        try {
            return IOUtils.toByteArray(new FileInputStream(f));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 解析class文件形成Class對象,在這裡是形成ClassFile對象
     * @date: 13:55 2022/6/10
     **/
    public Class loadClass(String className) {
        byte[] codes = this.readBinaryCode(className);
        ClassParser parser = new ClassParser();
        return parser.parse(codes);
    }
}
View Code

Class

首先我們對一個已經編譯完成的class文件進行解析,解析的過程就是讀取每一個位元組,然後瞭解其結構以及含義,將其解析為一個Class類。使用javap -v xxx.class命令可以查看該class的結構。

Class位元組碼文件的內容十分緊湊,首先是魔數,小版本號,大版本號,常量池,類訪問許可權,類,父類,父介面,欄位列表,方法列表。常量池占了大部分的位元組碼文件,其餘的部分很多都會引用常量池項。

解析Class文件就是讀取固定長度的位元組,魔數為4個位元組,小版本號2個位元組,大版本號兩個位元組。接下來的常量池稍微複雜,兩個位元組標記了常量池項的總個數,其中每一個常量池項都有對應的數據結構。需要先讀取1個位元組判斷它的結構,例如tag是1則它是一個CONSTANT_Utf8_info,這是一個最簡單的結構,2個位元組的長度表示後續字元串的長度,然後再讀取對應長度的位元組數。常量池項是可以引用常量池項的,例如第7項是一個CONSTANT_Class_info這個結構包含了2個位元組的index它指向常量池的第40項目,是Class對應的類名。解析常量池時需要根據tag判斷常量池項是什麼結構,然後再根據具體的結構讀取位元組。

接下來是讀取2個位元組類的訪問許可權,無論是類,欄位,方法都有訪問許可權,註意訪問許可權可能有多個,例如類可以是 <public> <final> 

接下來是2個位元組的類名,2個位元組的父類名,2個位元組的介面個數,每個介面名也是2個位元組。

之後是類成員變數也就是欄位,2個位元組的成員個數,每個欄位里包含2個位元組的訪問許可權,2個位元組的欄位名,2個位元組的欄位類型,兩個位元組的的屬性個數,這個屬性也是有多種結構的,方法里也有,放到方法里說。

位元組碼文件的最後一部分是方法,2個位元組的方法個數,每個方法包含2個位元組的訪問許可權,2個位元組的方法名,2個位元組的方法簽名(入參和返回值)。2個位元組的屬性個數,每個屬性中包含,2個位元組的屬性名稱。在方法中只有一個屬性就是Code。

jvm定義的屬性有以下結構,欄位的屬性也在其中。

         

首先是2個位元組的屬性名稱,根據屬性名判斷屬性。每個屬性都有4個位元組的屬性長度,它標記了接下來的屬性內容的位元組數。Code屬性中包含2個位元組的棧深度,2個位元組的局部變數表,4個位元組的位元組碼長度,位元組碼長度為N則表示有N個位元組的位元組碼指令,每個指令1個位元組。對於位元組碼指令需要展開說,每個位元組碼指令根據其含義的不同可能帶有不同的參數,例如bb含義為new對象,bb的後邊有2個位元組是它的參數,這兩個參數指向了常量池中的常量項是需要new的對象類名。

在位元組碼指令後是2個位元組的異常長度,異常的相關的內容,我本次沒有解析,只是手動跳過了異常。

Code屬性中還包含了2個其他屬性。LineNumberTable和LocalVariableTable其一是行號相關,其二是參數列表。

2個位元組區分屬性的名稱,4個位元組表示屬性內容的長度。LineNumberTable有2個位元組的行數,每一行中包含2個位元組的起始位,2個位元組的行號。

LocalVariableTable有2個位元組的參數個數,每個參數有2個位元組的起始位,2個位元組的長度,2個位元組的屬性名,2個位元組的下標。

以上是Class文件中可以解析出來的內容,當然根據Class的複雜程度,解析出來的內容不同,我這裡是最基本的Class屬性,將其解析完畢後,形成一個Class類。

package com.datang.litejvm.clz;


import com.datang.litejvm.constant.ConstantClassInfo;
import com.datang.litejvm.constant.ConstantPool;
import com.datang.litejvm.constant.ConstantUTF8Info;

import java.util.Iterator;
import java.util.List;

/**
 * @author: 頂風少年
 * @Description: Class類
 * @date: 13:55 2022/6/10
 **/
public class Class {


    //魔數
    private String magic;

    //小版本號
    private int minorVersion;

    //大版本號
    private int majorVersion;

    //常量池
    private ConstantPool pool;

    //訪問標記
    private ClassAccessFlag classAccessFlag;

    //
    private int thisClassIndex;

    //父類
    private int superClassIndex;

    private String superClassName;

    //介面引用
    private List<Integer> interfaceIndexList;

    //屬性列表
    private List<Field> fieldList;

    //方法
    private List<Method> methodList;

    //-------------------------------------------------------

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 魔數
     * @date: 11:39 2022/6/10
     **/
    public String getMagic() {
        return magic;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 魔數
     * @date: 11:39 2022/6/10
     **/
    public void setMagic(String magic) {
        this.magic = magic;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 小版本號
     * @date: 11:28 2022/6/10
     **/
    public int getMinorVersion() {
        return minorVersion;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 小版本號
     * @date: 11:28 2022/6/10
     **/
    public void setMinorVersion(int minorVersion) {
        this.minorVersion = minorVersion;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 大版本號
     * @date: 11:28 2022/6/10
     **/
    public int getMajorVersion() {
        return majorVersion;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 大版本號
     * @date: 11:28 2022/6/10
     **/
    public void setMajorVersion(int majorVersion) {
        this.majorVersion = majorVersion;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 常量池
     * @date: 11:28 2022/6/10
     **/
    public ConstantPool getConstantPool() {
        return pool;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 常量池
     * @date: 11:28 2022/6/10
     **/
    public void setConstPool(ConstantPool pool) {
        this.pool = pool;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 訪問標記
     * @date: 17:18 2022/6/10
     **/
    public ClassAccessFlag getAccessFlag() {
        return classAccessFlag;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 訪問標記
     * @date: 17:18 2022/6/10
     **/
    public void setAccessFlag(ClassAccessFlag classAccessFlag) {
        this.classAccessFlag = classAccessFlag;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 類
     * @date: 17:18 2022/6/10
     **/
    public int getThisClassIndex() {
        return thisClassIndex;
    }

    public void setThisClassIndex(int thisClassIndex) {
        this.thisClassIndex = thisClassIndex;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 父類
     * @date: 17:18 2022/6/10
     **/
    public int getSuperClassIndex() {
        return superClassIndex;
    }

    public void setSuperClassIndex(int superClassIndex) {
        this.superClassIndex = superClassIndex;
        ConstantClassInfo constantClassInfo = (ConstantClassInfo) pool.getConstantInfo(superClassIndex);
        this.superClassName = constantClassInfo.getClassName();
    }

    public String getSuperClassName() {
        return superClassName;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 介面
     * @date: 17:18 2022/6/10
     **/
    public List<Integer> getInterfaceIndexList() {
        return interfaceIndexList;
    }

    public void setInterfaceIndexList(List<Integer> interfaceIndexList) {
        this.interfaceIndexList = interfaceIndexList;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 屬性列表
     * @date: 11:22 2022/6/12
     **/
    public List<Field> getFieldList() {
        return fieldList;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 屬性列表
     * @date: 11:22 2022/6/12
     **/
    public void setFieldList(List<Field> fieldList) {
        this.fieldList = fieldList;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 方法
     * @date: 18:31 2022/6/12
     **/
    public List<Method> getMethodList() {
        return methodList;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 方法
     * @date: 18:31 2022/6/12
     **/
    public void setMethodList(List<Method> methodList) {
        this.methodList = methodList;
    }


    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 根據方法名和方法簽名查詢方法
     * @date: 10:47 2022/6/16
     **/
    public Method getMethod(String methodName, String paramAndResultType) {
        Method rMethod = null;
        Iterator<Method> iter = methodList.iterator();
        while (iter.hasNext()) {
            Method method = iter.next();
            int nameIndex = method.getNameIndex();
            int descriptorIndex = method.getDescriptorIndex();

            ConstantUTF8Info nameInfo = (ConstantUTF8Info) pool.getConstantInfo(nameIndex);
            ConstantUTF8Info descriptorInfo = (ConstantUTF8Info) pool.getConstantInfo(descriptorIndex);

            if (nameInfo.getBytes().equals(methodName) && descriptorInfo.getBytes().equals(paramAndResultType)) {
                rMethod = method;
            }
        }
        return rMethod;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 查詢main方法
     * @date: 10:36 2022/6/16
     **/
    public Method getMainMethod() {
        return getMethod("main", "([Ljava/lang/String;)V");
    }
}
View Code

MethodArea

方法區中有個Map它的key是class類名,value是Class對象。使用ClassLoader解析後的Class對象都存在這裡。

package com.datang.litejvm.engin;


import com.datang.litejvm.clz.Field;
import com.datang.litejvm.clz.Method;
import com.datang.litejvm.constant.ConstantFieldRefInfo;
import com.datang.litejvm.constant.ConstantMethodRefInfo;
import com.datang.litejvm.loader.ClassLoader;
import com.datang.litejvm.clz.Class;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * @author: 頂風少年
 * @Description: 方法區
 * @date: 10:49 2022/6/16
 **/
public class MethodArea {
    
    public static final MethodArea instance = new MethodArea();
    
    /**
     * 註意:我們做了極大的簡化, ClassLoader 只有一個, 實際JVM中的ClassLoader,是一個雙親委托的模型
     */
    
    private ClassLoader classLoader = null;

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 存放所有的Class
     * @date: 10:39 2022/6/16
     **/
    Map<String, Class> map = new HashMap<String, Class>();
    
    private MethodArea(){        
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 單例,獲取常量池
     * @date: 10:39 2022/6/16
     **/
    public static MethodArea getInstance(){
        return instance;
    }
    
    public void setClassFileLoader(ClassLoader clzLoader){
        this.classLoader = clzLoader;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 獲取main方法
     * @date: 10:39 2022/6/16
     **/
    public Method getMainMethod(String className){
        Class clz = this.findClass(className);
        return clz.getMainMethod();
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 從指定class中 根據名稱獲取方法
     * @date: 22:23 2022/6/16
     **/
    public Method getMethod(ConstantMethodRefInfo constantMethodRefInfo){
        Class aClass = findClass(constantMethodRefInfo.getClassName());
        Method method = aClass.getMethod(constantMethodRefInfo.getMethodName(), constantMethodRefInfo.getParamAndResult());
        return method;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 創建Class
     * @date: 10:38 2022/6/16
     **/
    public Class findClass(String className){
        if(map.get(className) != null){
            return map.get(className);
        }
        // 看來該class 文件還沒有load過
        Class aClass = this.classLoader.loadClass(className);
        map.put(className, aClass);
        return aClass;
    }
}
View Code

ExecutorEngine

執行引擎中主要有一個棧結構,棧中的每個元素是StackFrame棧幀。執行引擎執行第一步將main方法壓入棧中,然後就是執行棧幀。每個棧幀其實就是一個method當方法執行結束後返回ExecutionResult裡邊封裝了該方法是暫存運行其他method還是方法運行結束出棧。如果是運行其他的method則將跳轉方法壓入棧中,並且傳遞參數,如果是方法執行結束則將當前方法出棧。執行引擎就是在不斷的判斷棧內是否還有元素,如果棧為空則表示當前程式執行結束。

package com.datang.litejvm.engin;

import com.datang.litejvm.clz.Method;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Stack;

/**
 * @author: 頂風少年
 * @Description: 執行引擎
 * @date: 15:19 2022/6/16
 **/
public class ExecutorEngine {

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 棧
     * @date: 15:41 2022/6/16
     **/
    private Stack<StackFrame> stack = new Stack<StackFrame>();


    public void execute(Method mainMethod) {
        //創建main棧幀
        StackFrame stackFrame = StackFrame.create(mainMethod);
        //入棧
        stack.push(stackFrame);
        //接下來就是對棧做操作了,入棧,出棧
        while (!stack.isEmpty()) {
            //拿到棧頂棧幀
            StackFrame frame = stack.peek();
            //執行棧幀
            ExecutionResult result = frame.execute();
            //暫停,並運行新的棧幀.有函數調用了
            if (result.isPauseAndRunNewFrame()) {
                //下一個method
                Method nextMethod = result.getNextMethod();
                //形成新的棧幀
                StackFrame nextFrame = StackFrame.create(nextMethod);
                nextFrame.setCallerFrame(frame);
                setupFunctionCallParams(frame, nextFrame);
                //將新的棧幀也入棧
                stack.push(nextFrame);
            } else {
                //出棧
                stack.pop();
            }
        }
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 給下個調用方法設置參數
     * @date: 16:07 2022/6/16
     **/
    private void setupFunctionCallParams(StackFrame currentFrame, StackFrame nextFrame) {
        Method nextMethod = nextFrame.getMethod();
        //獲取參數列表
        List<String> parameterList = nextMethod.getParameterList();
        List<JavaObject> values = new ArrayList<>();
        //要添加 this
        int paramNum = parameterList.size() + 1;

        while (paramNum > 0) {
            values.add(currentFrame.getOperandStack().pop());
            paramNum--;
        }

        List<JavaObject> params = new ArrayList<>();
        for (int i = values.size() - 1; i >= 0; i--) {
            params.add(values.get(i));
        }
        //設置局部變數表
        nextFrame.setLocalVariableTable(params);
    }

}
View Code

StackFrame

每個方法入棧都會形成一個StackFrame,棧幀中包含兩個數據結構。局部變數表和操作數棧,局部變數表是用來存放方法的入參,方法內的計算結果,操作數棧則是真正運算的地方,我們經常說的 1 + 2 = 3 的操作其實是在操作數棧進行的,先將 1 和 2 壓入操作數棧,將 1 和 2 出棧進行運算最後得出的 3 將其再次壓入操作數棧。StackFrame執行時就是從method總取出Code屬性中的操作指令,一條一條的執行。每條指令執行結束後會對ExecutionResult進行設置。

package com.datang.litejvm.engin;

import com.datang.litejvm.clz.Method;
import com.datang.litejvm.cmd.ByteCodeCommand;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Stack;

/**
 * @author: 頂風少年
 * @Description: 函數棧幀
 * @date: 15:41 2022/6/16
 **/
public class StackFrame {
    //局部變數表
    private List<JavaObject> localVariableTable = new ArrayList<JavaObject>();
    //操作數棧
    private Stack<JavaObject> operandStack = new Stack<JavaObject>();

    //位元組碼指令偏移量,指向下一個操作指令
    int index = 0;

    //當前方法
    private Method m = null;

    //上一個函數棧幀
    private StackFrame callerFrame = null;

    private StackFrame(Method m) {
        this.m = m;
    }

    //創建函數棧幀
    public static StackFrame create(Method m) {
        StackFrame frame = new StackFrame(m);
        return frame;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 上一個函數棧幀
     * @date: 16:44 2022/6/16
     **/
    public StackFrame getCallerFrame() {
        return callerFrame;
    }

    public void setCallerFrame(StackFrame callerFrame) {
        this.callerFrame = callerFrame;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 棧幀所屬方法
     * @date: 16:45 2022/6/16
     **/
    public Method getMethod() {
        return m;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 設置局部變數表
     * @date: 16:40 2022/6/16
     **/
    public void setLocalVariableTable(List<JavaObject> values) {
        this.localVariableTable = values;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 獲取局部變數表中的某個變數
     * @date: 10:22 2022/6/17
     **/
    public JavaObject getLocalVariableValue(int index) {
        return this.localVariableTable.get(index);
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 向局部變數表設置值
     * @date: 10:38 2022/6/17
     **/
    public void setLocalVariableValue(int index, JavaObject jo) {
        //問題: 為什麼要這麼做??
        if (this.localVariableTable.size() - 1 < index) {
            for (int i = this.localVariableTable.size(); i <= index; i++) {
                this.localVariableTable.add(null);
            }
        }
        this.localVariableTable.set(index, jo);
    }


    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 執行方法, 就是執行位元組碼指令
     * @date: 17:11 2022/6/16
     **/
    public ExecutionResult execute() {
        List<ByteCodeCommand> cmds = m.getCodeAttr().getCmds();
        while (index < cmds.size()) {
            //執行結果
            ExecutionResult result = new ExecutionResult();
            //下一條位元組碼指令
            ByteCodeCommand cmd = cmds.get(index);
            System.out.println(cmd.toString());
            //執行
            cmd.execute(this, result);
            //運行下一條
            if (result.isRunNextCmd()) {
                index++;
            } else if (result.isExitCurrentFrame()) {
                //退出當前棧幀,return 剩餘的棧幀不執行了
                return result;
            } else if (result.isPauseAndRunNewFrame()) {
                //暫停當前棧幀,執行新的函數棧幀
                index++;
                return result;
            } else if (result.isJump()) {
                //跳轉指令,跳轉到下一個位元組碼指令
                int offset = result.getNextCmdOffset();
                //設置下一個指令的偏移量
                this.index = getNextCommandIndex(offset);
            } else {
                index++;
            }
        }
        //如果迴圈走完了,說明沒有任何的跳轉,停止,表示當前StackFrame的指令全部執行完畢,可以退出了
        ExecutionResult result = new ExecutionResult();
        result.setNextAction(ExecutionResult.EXIT_CURRENT_FRAME);
        return result;
    }

    /**
     * @author: 頂風少年
     * @Description: 根據偏移量查詢位元組碼指令
     * @date: 17:48 2022/6/16
     **/
    
              
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