Specyfikacja - najważniejsze zagadnienia Java Virtual Machine Specyfikacja - najważniejsze zagadnienia XI.2003 Mirosław Szymański Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytetu Warszawskiego

Spis treści Wstęp Struktura JVM Instrukcje wirtualnej maszyny Pliki class Ładowanie, łączenie, inicjalizacja Wątki i blokady Kompilacja dla wirtualnej maszyny Literatura

Wstęp

Bytecode Zagadka: co robi poniższy program Method void main(java.lang.String[]) 0 getstatic #2 3 ldc #3 5 invokevirtual #4 8 return

Wstęp – historia Javy Cel powstania (początek prac – 1991) tworzenie oprogramowania dla urządzeń pracujących w sieci Wymagania / konsekwencje wspomaganie wielu architektur bezpieczeństwo krótki kod Pierwsza przeglądarka: HotJava (1994)

Wirtualna Maszyna Javy Wirtualny komputer posiadający: pamięć zestaw instrukcji (assembler ~ bytecode) wewnętrzne typy danych Specyfikacja definiuje tylko to co niezbędne format plików class instrukcje

Struktura JVM

Typy danych

Typy podstawowe (primitive) numeryczne całkowite (integral) byte (8-bit), short (16-bit), int (32-bit), long (64-bit) char (16-bit) zmienno-przecinkowe (floating-point) float (32-bit), double (64-bit) boolean true / false returnAddress wskaźnik do instrukcji JVM używany przez jsr (jump subroutine), ret, jsr_w jedyny typ nie posiadający swojego odpowiednika w jęz. Java

Typy podstawowe (c.d.) byte, short, int, long – ze znakiem, dopełnienie do dwóch char – bez znaku, Unicode float, double – zgodne z IEEE 754 +0.0, -0.0 +∞, -∞ +0.0 == -0.0 ale 1.0/0.0 = +∞ oraz 1.0/-0.0 = -∞ NaN – Not a Number reprezentuje wynik błędnej operacji takiej jak dzielenie przez zero (?) w przeciwieństwie do wszystkich innych wartości jest nieuporządkowany (wszystkie porównania dowolnej wartości z NaN dają false; NaN ≠ NaN) boolean – wyrażenia kompilowane są tak, aby używały typu int tablice typu boolean – dostęp przez baload oraz bastore w implementacji Sun’a boolean zajmuje 8 bitów

Typy referencyjne Wartościami są wskaźniki do obiektów Dzielimy na typy: klasowe (class types) tablicowe (array types) interfejsów (interface types) Specjalna wartość: null nie jest żadnego określonego typu (ale może być rzutowany na dowolny typ) specyfikacja JVM nie określa żadnej konkretnej wartości kodującej null

Obszary danych czasu wykonania Osobne dla każdego wątku rejestr pc (program counter) stos JVM (JVM stack) ramki stos metod typu native Współdzielone przez wątki obszar metod (method area) constant pool sterta (heap)

Rejestr pc (program counter) wskaźnik (indeks) do bieżącej instrukcji każdy wątek posiada własny rejestr pc dla metod native wartość jest niezdefiniowana

Stos JVM każdy wątek posiada prywatny stos tworzony w tym samym czasie, co wątek analogiczny do stosu z języka C zmienne, częściowe wyniki, wywoływanie metod i powroty pamięć obszaru nie musi być ciągła rozmiar stały lub zmieniany dynamicznie Sun: pamięć nieciągła, powiększany ale nie zmniejszany, maksymalny rozmiar – parametr „-oss”; ograniczenie na zużycie pamięci, wykrywanie nieskończonych rekursji. sytuacje wyjątkowe: podczas wykonania: StackOverflowError podczas tworzenia wątku: OutOfMemorError

Stos metod typu native rozmiar stały lub zmieniany dynamicznie Sun: rozmiar stały – parametr „-ss”, nie sprawdza przepełnienia stosu sytuacje wyjątkowe StackOverflowError OutOfMemoryError

Sterta (heap) dzielona przez wszystkie wątki pamięć na instancje klas i tablic tworzona podczas uruchamiania JVM zarządzany przez garbage collector * obiekty nigdy nie są jawnie dealokowane pamięć obszaru nie musi być ciągła rozmiar stały lub zmieniany dynamicznie Sun: rozmiar zmienny, powiększany dynamicznie ale nie zmniejszany; rozmiar początkowy i max. – „-ms” i „-mx” sytuacje wyjątkowe: OutOfMemoryError

Obszar metod (method area) dzielony przez wszystkie wątki przechowuje: runtime constant pool, dane klas (metody, kod metod, …) logicznie część sterty, ale twórca VM może nie chcieć żeby obszar ten był zarządzany przez garbage collector pamięć obszaru nie musi być ciągła rozmiar stały lub zmieniany dynamicznie Sun: obsługiwany przez GC, kontrola rozmiaru min, max i init. sytuacje wyjątkowe: OutOfMemoryError

Constant pool posiadany przez wszystkie klasy i interfejsy reprezentuje tablicę constant_pool z pliku class używany przy dynamicznym linkowaniu (dynamic linking) odpowiednik tablicy symboli w konwencjonalnych językach, jednak zawiera więcej danych alokowany z obszaru metod sytuacje wyjątkowe: StackOverflowError, OutOfMemoryError

Ramki tworzone w momencie wywołania metody alokowane ze stosu JVM każda ramka posiada tablice zmiennych lokalnych operand stack referencję do constant pool klasy metody

Ramki – tablica zmiennych lokalnych pojedyncza zmienna może być typu: boolean, byte, char, short, int, float, reference, returnAddress para zmiennych może przechowywać wartości typów: long, double wartości long, double nie muszą być wyrównywane do 64-bitów wykorzystywane do przekazywania parametrów do metod specjalne znaczenie pozycji nr 0

Ramki – operand stack służy do np.: przekazania parametrów dla instrukcji JVM zwracania wyników instrukcji JVM zwracania wyników przez metody np.: iadd …, value1, value2 → …, result wartości na stosie muszą być odpowiednich typów (sprawdzane podczas weryfikacji plików class) iadd

Ramki (c.d.) zakończenie wywołania metody: normalne nie wystąpił wyjątek zostaje zwrócona wartość do metody wywołującej (operand stack) nienormalne, niespodziewane (abrupt) wystąpił wyjątek nie obsługiwany przez tą metodę wynik nie zostaje zwrócony

Inne ustalenia reprezentacja obiektów arytmetyka zmienno-przecinkowa specjalnie nazwane metody inicjalizacyjne nazwy wspomagane przez kompilator (nie są prawidłowymi identyfikatorami) <init> odpowiednik konstruktora instrukcja wywołująca: invokespecial <cinit> metoda inicjalizująca klasę lub interfejs statyczna, bez argumentów wywoływana bezpośrednio przez JVM, nigdy przez instrukcję JVM

Wyjątki podniesienie wyjątku powoduje natychmiastową zmianę miejsca wykonania przerywane jest działanie kolejnych metod, do momentu znalezienia klauzuli catch. Jeśli nie ma odpowiedniego catch to wątek kończy działanie. jeśli są klauzule finally, to są one wykonywane klauzule catch oraz finally reprezentowane są przez exception handler

Wyjątki – exception handlers przechowywane są w tablicy (tablica zapisana jest w pliku class) pojedynczy exception handler (EH): określa zakres instrukcji dla których jest aktywny określa typ obsługiwanego wyjątku zawiera adres kodu obsługującego ten wyjątek kolejność EH w tablicy jest ważna tablica przeglądana jest liniowo

Instrukcje wirtualnej maszyny

Instrukcje kod instrukcji ma 1 bajt rożne instrukcje dla poszczególnych typów np.: iload ładuje na stos zmienną typu int, fload - typu float zestaw instrukcji nie jest ortogonalny

Instrukcje (c.d.) rodzaje instrukcji load oraz store iload, iload_<n>, fload, iconst_<n>, … arytmetyczne iadd, dsub, … konwersja typów i2l, i2f, i2d, l2f, l2d, f2d; i2b, i2c, i2s, … operacje na obiektach new, newarray, arraylength, instanceof, … operacje na stosie arg. pop, dup, swap, … instrukcje skoku ifeq, ifnull, tableswitch, goto, jsr, … metody invokevirtual, return, ireturn, … podnoszenie wyjątków athrow synchronizacja monitorenter, monitorexit

Pliki class

Pliki class Typy danych: u1, u2, u4 Tablice tables – zawierają elementy zmiennych rozmiarów (tablica (?)) arrays – zawierają elementy stałych rozmiarów (tabela (?)) struktury opisane za pomocą struktur z języka C

Pliki class (c.d.) Plik class składa się z jednej struktury ClassFile: u4 magic; // identyfikuje pliki class (0xCAFEBABE) u2 minor_version; u2 major_version; u2 constant_pool_count; cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; u2 access_flags; // ACC_PUBLIC, ACC_FINAL, ACC_SUPER, // ACC_INTERFACE, ACC_ABSTRACT u2 this_class; // indeks do tablicy constant_pool u2 super_class; u2 interfaces_count; // liczba implementowanych interfejsów u2 interfaces[interfaces_count]; u2 fields_count; field_info fields[fields_count]; u2 methods_count; method_info methods[methods_count]; // reprezentuje wszystkie zadeklarowane metody // (nie zawiera metod odziedziczonych) u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count]; //SourceFile, Deprecated //InnerClasses(?) }

Pliki class (c.d.) Deskryptory pól np.: double tablica[][][] → [[[D FieldDescriptor → FieldType ComponentType → FieldType FieldType → BaseType | ObjectType | ArrayType BaseType → B | C | D | F | I | J | S | Z ObjectType → L<classname>; ArrayType → [ComponentType B – byte; C – char; D – double; F – float; I – int; J – long; S – short; Z – boolean np.: double tablica[][][] → [[[D

Pliki class (c.d.) Deskryptory metod MethodDescriptor → (ParameterDescriptor*) ReturnDescriptor ParameterDescriptor → FieldType ReturnDescriptor → FieldType | V V – void np.: Object myMethod(int i, double d, Thread t) (IDLjava/lang/Thread;)Ljava/lang/Object;

Pliki class (c.d.) Tablica constant_pool zawiera pola typu: CONSTANT_Class CONSTANT_Fieldref CONSTANT_Methodref CONSTANT_InterfaceMethodref CONSTANT_String CONSTANT_Integer CONSTANT_Float CONSTANT_Long CONSTANT_Double CONSTANT_NameAndType CONSTANT_Utf8

Pliki class (c.d.) Pola (fields) field_info { u2 access_flags; u2 name_index; u2 descriptor_index; u2 attributes_cout; attribute_info attributes[attributes_count]; } access_flags: ACC_PUBLIC, ACC_PRIVATE, ACC_PROTECTED, ACC_STATIC, ACC_FINAL, ACC_VOLATILE, ACC_TRANSIENT attributes[]: m.in.: ConstantValue, Deprecated

Pliki class (c.d.) Metody method_info { u2 access_flags; u2 name_index; u2 descriptor_index; u2 attributes_cout; attribute_info attributes[attributes_count]; } access_flags: ACC_PUBLIC, ACC_PRIVATE, ACC_PROTECTED, ACC_STATIC, ACC_FINAL, ACC_SYNCHRONIZED, ACC_NATIVE, ACC_ABSTRACT, ACC_STRICT attributes[]: m.in.: Code, Exceptions, Synthetic, Deprecated

Pliki class (c.d.) Atrybut Code u2 attribute_name_index; Code_attribute { u2 attribute_name_index; u4 attribute_length; u2 max_stack; u2 max_locals; u4 code_length; u1 code[code_length]; u2 exception_table_length; { u2 start_pc; u2 end_pc; u2 handler_pc; u2 catch_type; } exception_table[exception_table_length]; u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count]; }

Ograniczenia na kod JVM Statyczne, m.in.: tablica z kodem musi być niepusta jedyne dozwolone instrukcje, to te wymienione w specyfikacji każda instrukcja ze skokiem musi wskazywać na kod instrukcji wewnątrz danej metody instrukcja anewarray może być używana do tworzenia tablic o maksymalnym wymiarze 255 …

Ograniczenia na kod JVM (c.d.) Strukturalne, m.in.: każda instrukcja może być wykonana tylko z odpowiednią liczbą argumentów i z odpowiednimi typami tych argumentów jeśli instrukcja może być wykonana w skutek różnych ścieżek wykonania, to stos argumentów (operand stack) musi mieć tą samą głębokość niezależnie od ścieżki każda instrukcja return musi odpowiadać typowi zwracanemu przez daną metodę …

Weryfikacja plików class JVM nie może zakładać poprawności plików class Co jest sprawdzane: 0 ≤ rozmiar stosu ≤ max_rozmiar wszystkie zmienne lokalne są używane prawidłowo argumenty instrukcji są odpowiednich typów klasy final nie posiadają podklas każda klasa (oprócz Object) posiada bezpośrednią nadklasę …

Ładowanie, łączenie, inicjalizacja

Ładowanie, łączenie, inicjalizacja Ładowanie (loading) proces wyszukiwania binarnej reprezentacji klasy lub interfejsu i utworzenie klasy/interfejsu klasy nie będące tablicami ładowane są przez class loader’a programista może zdefiniować własny class loader Łączenie weryfikacja „umiejscowienie” danej klasy/interfejsu w aktualnym stanie Wirtualnej Maszyny

Wątki i blokady (locks)

Wątki i blokady (locks) Niskopoziomowe mechanizmy korzystania przez wątki z pamięci dzielonej Pamięć: pamięć główna współdzielona przez wątki pamięć robocza wątku Pamięć główna zawiera kopie główne zmiennych Pamięć robocza zawiera kopie robocze zmiennych Pamięć główna: jeden obiekt – jedna blokada Akcje wykonywane przez pamięć główną: read, write, lock, unlock Akcje wykonywane wątek: use, assign, load, store, lock, unlock Powyższe akcje są atomowe.

Wątki i blokady (locks) read: (pamięć gł.) kopia główna → pamięć robocza load: (wątek) pamięć robocza → kopia robocza use: (wątek) kopia robocza → thread’s execution engine assign: (wątek) thread’s e.e. → kopia robocza store: (wątek) kopia robocza → pamięć główna write: (pamięć gł.) pamięć główna → kopia główna lock: (wątek, operacja ściśle zsynchronizowana z pamięcią główną) unlock: (wątek, operacja ściśle zsynchronizowana z pamięcią główną)

Kompilacja

Operand stack i zmienne lokalne iload_0 // push the int in local variable 0 iload_1 // push the int in local variable 1 iadd // pop two ints, add them, push result istore_2 // pop int, store into local variable 2

Stałe, zmienne lokalne, instrukcje skoku void spin() { int i; for (i = 0; i < 100; i++) { ;// Loop body is empty } Method void spin() 0 iconst_0 // Push int constant 0 1 istore_1 // Store into local variable 1 (i=0) 2 goto 8 // First time through don't increment Loop body 5 iinc 1 1 // Increment local variable 1 by 1 (i++) 8 iload_1 // Push local variable 1 (i) 9 bipush 100 // Push int constant 100 11 if_icmplt 5 // Compare and loop if less than (i < 100) 14 return // Return void when done

Operacje arytmetyczne, parametry metod int align2grain(int i, int grain) { return ((i + grain-1) & ~(grain-1)); } Method int align2grain(int,int) 0 iload_1 // Push i 1 iload_2 // Push grain 2 iadd 3 iconst_1 4 isub 5 iload_2 // Push grain 6 iconst_1 7 isub 8 iconst_m1 9 ixor // (~x == -1^x) 10 iand 11 ireturn

Wywoływanie metod int addTwo(int i, int j) { return i + j; } int add12and13() { return addTwo(12,13); Method int add12and13() 0 aload_0 // Push local variable 0 (this) 1 bipush 12 // Push int constant 12 3 bipush 13 // Push int constant 13 5 invokevirtual #4 // Method Example.addtwo(II)I 8 ireturn // Return int on top of operand stack; it is // the int result of addTwo()

Obiekty Object create() { return new Object(); } Method java.lang.Object create() 0 new #1 // Class java.lang.Object 3 dup 4 invokespecial #4 // Method java.lang.Object.<init>()V 7 areturn

Obiekty (c.d.) void setIt(int value) { i = value; } int getIt() { return i; Method void setIt(int) 0 aload_0 1 iload_1 2 putfield #4 // Field Example.i I 5 return Method int getIt() 1 getfield #4 // Field Example.i I 4 ireturn

Try-catch void catchOne() { try { tryItOut(); } catch (TestExc e) { handleExc(e); } Method void catchOne() 0 aload_0 // Beginning of try block 1 invokevirtual #6 // Method Example.tryItOut()V 4 return // End of try block; normal return 5 astore_1 // Store thrown value in local variable 1 6 aload_0 // Push this 7 aload_1 // Push thrown value 8 invokevirtual #5 // Invoke handler method: // Example.handleExc(LTestExc;)V 11 return // Return after handling TestExc Exception table: From To Target Type 0 4 5 Class TestExc

Try-catch-catch Method void catchTwo() 0 aload_0 1 invokevirtual #5 4 return 5 astore_1 6 aload_0 7 aload_1 8 invokevirtual #7 11 return 12 astore_1 13 aload_0 14 aload_1 15 invokevirtual #7 18 return Exception table: From To Target Type 0 4 5 Class TestExc1 0 4 12 Class TestExc2 void catchTwo() { try { tryItOut(); } catch (TestExc1 e) { handleExc(e); } catch (TestExc2 e) { }

Zagnieżdżony try-catch Method void nestedCatch() 0 aload_0 1 invokevirtual #8 4 return 5 astore_1 6 aload_0 7 aload_1 8 invokevirtual #7 11 return 12 astore_1 13 aload_0 14 aload_1 15 invokevirtual #6 18 return Exception table: From To Target Type 0 4 5 Class TestExc1 0 12 12 Class TestExc2 void nestedCatch() { try { tryItOut(); } catch (TestExc1 e) { handleExc1(e); } } catch (TestExc2 e) { handleExc2(e);

Try-finally Method void tryFinally() void tryFinally() { 0 aload_0 1 invokevirtual #6 4 jsr 14 // Call finally block 7 return // End of try block 8 astore_1 9 jsr 14 12 aload_1 // Push thrown value… 13 athrow // …and rethrow the value to the invoker 14 astore_2 // Beginning of finally block 15 aload_0 // Push this 16 invokevirtual #5 // Method Example.wrapItUp()V 19 ret 2 // Return from finally block Exception table: From To Target Type 0 4 8 any void tryFinally() { try { tryItOut(); } finally { wrapItUp(); }

Try-catch-finally Method void tryCatchFinally() 0 aload_0 1 invokevirtual #4 4 goto 16 // Jump to finally block 7 astore_3 8 aload_0 9 aload_3 10 invokevirtual #6 13 goto 16 // Huh??? 16 jsr 26 19 return 20 astore_1 // Beginning of handler for exceptions // other than TestExc, or exceptions // thrown while handling TestExc 21 jsr 26 // Call finally block 24 aload_1 // Push thrown value… 25 athrow // …and rethrow the value to the invoker 26 astore_2 27 aload_0 28 invokevirtual #5 31 ret 2 Exception table: From To Target Type 0 4 7 Class TestExc 0 16 20 any void tryCatchFinally() { try { tryItOut(); } catch (TestExc e) { handleExc(e); } finally { wrapItUp(); }

Synchronizacja Metody typu synchronized nie zawierają instrukcji monitorenter / monitorexit rozpoznawane są przez JVM w momencie wykonywania (flaga ACC_SYNCHRONIZED) przed wywołaniem metody JVM sam zajmuje monitor, po poprawnym zakończeniu metody monitor jest zwalniany przez JVM jeśli w metodzie wystąpi nieobsługiwany wyjątek to monitor jest automatycznie zwalniany przed przekazaniem wyjątku dalej

Synchronizacja (c.d.) blok synchronized do synchronizacji służą instrukcje monitorenter / monitorexit Method void onlyMe(Foo) 0 aload_1 // Push f 1 astore_2 // Store it in local variable 2 2 aload_2 // Push local variable 2 (f) 3 monitorenter // Enter the monitor associated with f 4 aload_0 // Holding the monitor, pass this and... 5 invokevirtual #5 // ...call Example.doSomething()V 8 aload_2 // Push local variable 2 (f) 9 monitorexit // Exit the monitor associated with f 10 return // Return normally 11 aload_2 // In case of any throw, end up here 12 monitorexit // Be sure to exit monitor... 13 athrow // ...then rethrow the value to the invoker Exception table: From To Target Type 4 8 11 any void onlyMe(Foo f) { synchronized(f) { doSomething(); }

Hello world (zagadka c.d.) class myClass{ public static void main(String args[]) { System.out.println("Hello world!"); } javap –c myClass Method myClass() 0 aload_0 1 invokespecial #1 <Method java.lang.Object()> 4 return Method void main(java.lang.String[]) 0 getstatic #2 <Field java.io.PrintStream out> 3 ldc #3 <String "Hello world!"> 5 invokevirtual #4 <Method void println(java.lang.String)> 8 return

Literatura „Java Virtual Machine Specification, 2nd edition” Tim Lindholm, Frank Yellin http://java.sun.com/docs/books/vmspec/ „Java Unleashed” praca zbiorowa, Sams.net Publishing „Inside the Java Virtual Machine” Bill Venners, Computing McGraw-Hill http://www.artima.com/insidejvm/blurb.html Rysunki pochodzą z książki „Inside the Java Virtual Machine”. Aktualna wersja prezentacji znajduje się na http://www.mirqos.prv.pl/mystuff.php

Dziękuję