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1 Larchitettura della Java Virtual Machine Implementazione di Linguaggi A.A. 2003/2004 di Gualdani Alessandro.

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1 1 Larchitettura della Java Virtual Machine Implementazione di Linguaggi A.A. 2003/2004 di Gualdani Alessandro

2 2 Cosè 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

3 3 Cosè 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 Java compiler bytecode A.class B.class C.class

4 4 Cosè 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 execution engine Host operating system JVM bytecode native method invocations

5 5 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)

6 6 Tipi di dato 8 bit 16 bit 32 bit 64 bit 16 bit 32 bit 64 bit

7 7 Architettura JVM

8 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

9 9 Method area – Type information Per ogni tipo caricato, la JVM deve mantenere 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 uninterfaccia modificatori di tipo (es. public, abstract,…) lista ordinata dei nomi qualificati delle superinterfacce

10 10 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

11 11 Method area – Field information Per ogni attributo dichiarato in una classe, vengono memorizzate nella method area le seguenti informazioni: nome dellattributo tipo dellattributo modificatori dellattributo (public, private, protected, …)

12 12 Method area – Method information Per ogni metodo dichiarato in una classe, vengono memorizzate nella method area le seguenti informazioni: nome del metodo valore di ritorno del metodo numero e tipi (in ordine) dei parametri modificatori del metodo(public, private, …) Inoltre vengono mantenute ulteriori informazioni, tra cui: bytecode del metodo tavola delle eccezioni

13 13 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

14 14 Method area – Riferimento alla classe Class Per ogni tipo che carica, la JVM crea unistanza della classe Class Consente laccesso 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) sullistanza delloggetto

15 15 Heap Viene creato allavvio 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 1 Class 1 data ptr to class data instance data Object reference 2 ptr to class data instance data Class 2 data HeapMethod area

16 16 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

17 17 Frame Ogni frame è composto da tre parti: local variables operand stack frame data Le dimensioni delle local variables e delloperand stack (in termini di parole) sono noti a compile time e inclusi nel class file, mentre la dimensione del frame data è dipendente dallimplementazione. Quando la JVM invoca un metodo, controlla il class file per determinare il numero di parole richieste per le local variables e loperand stack: quindi crea un nuovo frame e ne fa il push sul Java stack.

18 18 Frame – Local variables Sono usate per passare i parametri nellinvocazione di un metodo Sono organizzate in un array Sono riferite mediante un indice compreso tra 0 e n-1 (dove n è la lunghezza dellarray) I parametri sono memorizzati nello stesso ordine in cui sono dichiarati; lindice 0 dellarray è usato per passare (ad esclusione dei metodi static) un reference alloggetto su cui è stato invocato il metodo (this in Java)

19 19 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 dalloperand stack (la JVM è stack-based)

20 20 Esempio Operand Stack (1) int a=100; int b=98; int c; ……… c=a+b; Supponiamo lesecuzione del seguente frammento di codice: local variables operand stack Dopo lesecuzione della prima riga di codice, il frame si presenta così: Listruzione c=a+b; viene convertita nelle seguenti istruzioni: iload_0 // push lintero contenuto in local variable 0 iload_1 // push lintero 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

21 21 Esempio Operand Stack (2) local variables operand stack dopo i_ load local variables operand stack dopo i_ load local variables operand stack dopo i_ add local variables operand stack dopo i_ store2

22 22 Frame – Frame data Contiene le informazioni necessarie a runtime per lesecuzione di un metodo: 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

23 23 PC registers Ogni thread ha il proprio pc (program counter) register Durante lesecuzione di un metodo il pc register contiene lindirizzo dellistruzione corrente eseguita dal thread Se il metodo non è native il pc register contiene lindirizzo dellistruzione della macchina virtuale correntemente eseguita; se il metodo è native il valore del pc register è indefinito

24 24 Native method stacks Utilizzati dalla JVM per consentire lesecuzione 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

25 25 IL CLASS FILE FORMAT di DAngelo Paolo

26 26 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.

27 27 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]; }

28 28 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

29 29 FIELD DESCRIPTORS Un field descriptor rappresenta il tipo di una classe, istanza, o variabile locale

30 30 GRAMMATICA DI UN FIELD DESCRIPTOR FieldDescriptor: FieldType ComponentType: FieldType FieldType: BaseType ObjectType ArrayType BaseType: B C D F I J S Z ObjectType: L ; ArrayType: [ ComponentType

31 31 GRAMMATICA DI UN FIELD DESCRIPTOR Caratteri BaseTypeTipoInterpretazione BByteSigned byte CCharUnicode character DDoubleDouble-precision floating-point value FFloatSingle precision floating-point value IIntInterger JLongLong integer L ;ReferenceAn instace di class SShortSigned short ZBooleanTrue or false [referenceOne array dimension

32 32 METHOD DESCRIPTORS Un method descriptors rappresenta i parametri che il metodo prende e i valori che esso ritorna: MethodDescriptor: (ParameterDescriptor)ReturnDescriptor

33 33 METHOD DESCRIPTOR Un parameter descriptor rappresenta un parametro passato ad un metodo: ParameterDescriptor: FieldType

34 34 METHOD DESCRIPTOR Un return descriptor rappresenta il tipo di valore ritornato da un metodo ReturnDescriptor: FieldType V Il carattere V indica che il metodo non retorna nessun valore (void)

35 35 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[]; }

36 36 CONSTANT POOL ConstantTypeValore CONSTANT_Class7 CONSTANT_Fieldref9 CONSTANT_Methodref10 CONSTANT_InterfaceMetho dref 11 CONSTANT_String8 CONSTANT_Integer3 CONSTANT_Float4 CONSTANT_Long5 CONSTANT_Double6 CONSTANT_NameAndType12 CONSTANT_Utf81

37 37 UN ESEMPIO DI CONSTANT POOL TABLE

38 38 La struttura CONSTANT_Class_info L a struttura CONSTANT_Class_info e utilizzata per rappresentare una classe o uninterfaccia e ha la seguente struttura: CONSTANT_Class_info { u1 tag; u2 name_index; }

39 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; }

40 40 La struttura CONSTANT_NameAndType_info La struttura CONSTANT_NameAndType_info e usata per rappresentare un campo o un metodo, senza indicare a quale tipo di interfaccia o classe appartiene. CONSTANT_NameAndType_info { u1 tag; u2 name_index; u2 descriptor_index; }

41 41 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]; }

42 42 I CAMPI Ogni campo della classe e descritto dalla struttura field_info. Due campi allinterno 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]; }

43 43 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 allinterno 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]; }

44 44 LE ISTRUZIONI DELLA JAVA VIRTUAL MACHINE Le istruzioni della java virtual machine consistono di un opcode che specificano quale operazione deve essere eseguita, seguita da uno o piu' operandi che includono su quali valori agisce l'istruzione.

45 45 IL FORMATO DELLE ISTRUZIONI OP CODE OPERAND1 OPERAND2 ……

46 46 CLASSIFICAZIONE DELLE ISTRUZIONI Abbiamo diverse classi di istruzioni: Load e strore dello stack Aritmetiche Conversioni di tipo Creazioni e manipolazioni di oggetti Di controllo Invocazione di metodi ….

47 47 LISTRUZIONE NEW Listruzione 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 dellindice è (indexbyte1 << 8) | indexbyte2.

48 48 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/ ()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

49 49 LISTRUZIONE INVOKESPECIAL invokespecial indexbyte1 indexbyte2 Listruzione invokespecial invoca metodi distanza invokespecial = 183 (0xb7) Gli unsigned indexbyte1 e indexbyte2 sono usati per costruire un indice nella Constant pool della classe corrente dove il valore dellindice è (indexbyte1 << 8) | indexbyte2.

50 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 51 LISTRUZIONE INVOKESTATIC 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 dellindice è (indexbyte1 << 8) | indexbyte2. Listruzione invoke static invoca un metodo di classe statico.

52 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 53 LISTRUZIONE 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 dellindice è (indexbyte1 << 8) | indexbyte2. Listruzione invoca il metodo dinterfaccia

54 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)

55 55 LISTRUZIONE 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 dellindice è (indexbyte1 << 8) | indexbyte2. Listruzione invokevirtual invoca listanza di un metodo

56 56 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 I invokevirtual java/lang/Object/equals(Ljava/lang/Object;)Z ; the boolean result is now on the stack

57 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(); }

58 58 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. //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 }

59 59 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. //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 }

60 60 Esempio – public void stampa() Loperazione 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. //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 }

61 61 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. //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. //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 }

62 62 Esempio – Riferimenti simbolici Nellesempio, 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 listruzione vera è invokevirtual #8

63 63 Esempio – Constant Pool La parte del Constant Pool relativa alla risoluzione del 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"

64 64 Bibliografia Tim Lindholm – Frank Yellin The Java Virtual Machine Specification Second Edition ADDISON-WESLEY Bill Venners Inside the Java Virtual Machine


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