JVM- Máquina Virtual Java ©André Santos / Pablo Sampaio

Estrutura da Apresentação Máquinas Virtuais Introdução à JVM Arquivo class Tipos de Dados Descritores de Tipos Frames Instruções Compilando para a JVM Referências

Máquinas Virtuais Definições: Particionamento de uma máquina: sistema IBM VM/ESA para o IBM 370 (1965). SO rodando sobre SO: Unix sobre Windows Software que simula o comportamento de uma máquina (diferente daquela na qual roda). Emuladores Ambientes independentes de plataforma para linguagens de programação

Máquinas Virtuais para LP´s O-Code machine para BCPL (1960’s) P-Code machine para UCSD Pascal (1970´s) Smalltalk (1970´s) Java Virtual Machine para Java (1995) Microsoft .NET: VB, C#, C++, ... (2001)

Máquinas Virtuais para LP´s Impacto na Performance Linguagens Interpretadas: JavaScript, Perl, etc. Portabilidade e Segurança 100x a 200x mais lentas que C Linguagens Baseadas em Bytecodes Linguagens semi-compiladas 10 a 20x mais lentas que C JIT: ~5x mais lenta que C

JVM - Introdução Engenho que executa um programa Java Processador virtual: Possui seu próprio conjunto de instruções Manipula diferentes áreas de memória Baseada em pilha de operandos Responsável por gerenciar: memória (garbage collector), erros, exceções, threads

JVM - Introdução Garante as seguintes características da linguagem Java: Portabilidade Eficiência (JIT) Segurança

JVM - Introdução A JVM não “sabe” nada da linguagem Java. Ela entende apenas arquivos em um formato binário particular: arquivos class. Permite rodar outras linguagens desde que seja possível traduzi-las para arquivos class. Haskell, Pascal, Ada etc. Instruções lembram as de processadores reais, mas são mais complexas (de mais alto nível). Ex: Instruções para manipular objetos

JVM - Introdução Camadas de abstração: Programa em Java Java Bytecode Sistema Operacional Hardware

Arquivo class Formato único independente de plataforma Ênfase na compacidade Representa de maneira precisa uma classe ou interface Guarda informações sobre: atributos, métodos, permissões de acesso, herança. Informações extras: nomes das variáveis locais, linhas do código (Java), etc.

Arquivo .class Constant Pool: armazena valores constantes referenciados pelas instruções. Exemplos: Nomes e assinaturas de métodos e atributos Nomes de classes Constantes numéricas Strings constantes Constant Pool favorece a compacidade

Arquivo class

Tipos de Dados Dividem-se em: Primitivos Referência Checagem de tipos deve ser feita em tempo de compilação (ou pelo Verifier) JVM não faz distinção entre valores de tipos diferentes. No entanto, oferece instruções específicas para cada tipo de dado.

Tipos Primitivos Tipos numéricos: Inteiros: Ponto-flutuante: byte: 8 bits com sinal char: 16 bits sem sinal, representando caracteres Unicode short: 16 bits com sinal int: 32 bits com sinal long: 64 bits com sinal Ponto-flutuante: float: 32 bits com sinal double: 64 bits com sinal

Tipos Primitivos Tipo boolean: Tipo returnAddress: Suporte limitado, não há instrução que opere exclusivamente sobre esse tipo de dado Em geral, é tratado com o tipo int da JVM Valores: 0 (false) e 1 (true) Tipo returnAddress: Seus valores são ponteiros para opcodes da JVM Usado por algumas instruções da JVM Único tipo que não tem correspondente em Java

Tipo Referência É o tipo usado para referenciar: arrays, classes e interfaces Seus valores são endereços para objetos criados dinamicamente O valor null representa uma referência inválida

Descritores de Tipos São strings usadas para descrever o tipo de um atributo ou método dentro de um arquivo class. Exemplos: “[[I” significa int[][] São usados para definir a assinatura de métodos e atributos e também para acessá-los.

Descritores de Tipos descritor_simples: básico | array | classe Tipos básicos: “Z”: boolean “B”: byte “I”: int “F”: float “J”: long etc.

Descritores de Tipos Arrays: “[“ + <descritor_simples> Ex.: “[[[Z” => boolean[][][] Classes: “L” + <nome_classe> + “;” nome_classe: nome “completo” da classe (informando o pacote a que ela pertence, usando barras “/” ao invés de ponto “.”) Ex.: “Ljava/lang/String;” => String

Descritores de Tipo Métodos: “(“ + <descritor_simples>* + “)” + <descritor_simples> Exemplo: Um método Java: long[] myMethod(int i, double d, Thread t) Descritor do método: (IDLjava/lang/Thread;)[J

Frames São estruturas que guardam informações específicas de uma chamada de método. São criados a cada chamada de método e destruídos quando a chamada termina. São sucessivamente empilhados na JVM Stack em chamadas aninhadas. Cada frame da JVM possui: Uma pilha de operandos Um array de variáveis (locais) Referência para a runtime Constant Pool

Frames Array de variáveis locais Posições de 4 bytes acessadas através de seus índices Valores byte, char, short, int, ... ocupam uma única posição do array Valores long e double ocupam duas posições Tem seu tamanho determinado em tempo de compilação e informado no arquivo class

Frames Pilha de operandos Estrutura FILO de onde as instruções buscam seus operandos e para onde retornam resultados Vazia quando o frame é criado Usada para preparar parâmetros para a chamada a um método, bem como para retornar valores Tamanho determinado em tempo de compilação long e double ocupam dois espaços

Frames 0 1 2 3 4 5 JVM Stack ... ... 0 <Class> “My Class” argumentos var. locais Pilha de Operandos this Frame 5 0 1 2 3 4 5 Frame 4 JVM Stack Frame 1 Frame 2 Frame 3 Ref. Constant Pool 0 <Class> “My Class” 1 <String> “Hello World” 2 <Integer> 1234567 ... ...

Instruções O conjunto de instruções da JVM não é ortogonal, ou seja, instruções disponíveis para um tipo podem não possuir instrução análoga para outro tipo. O tipo int é o que apresenta melhor suporte na JVM: 23 instruções O tipo boolean apresenta o pior suporte: 0 instruções Alguns tipos são operados como int: char, boolean: estendidos (para 32 bits) com zero byte, short: estendidos com o sinal

Instruções Instruções com opcodes de apenas 1 byte. Algumas instruções vêm acompanhadas de um ou mais operandos. A maioria das instruções da JVM opera apenas sobre um tipo específico. A maioria das instruções tem representado no seu mnemônico o tipo sobre o qual ela opera.

Instruções Uma letra para representar cada tipo: i : operações sobre int l : operações sobre long s : operações sobre short b : operações sobre byte c : para char f : para float d : para double a : para o tipo referência (classes, arrays, interfaces)

Instruções Instruções de load/store: Para carregar uma variável local na pilha de operandos: iload, lload, dload, aload, etc. Para armazenar uma valor da pillha de operandos em uma variável local: istore, lstore, fstore, dstore, astore, etc. Colocar uma constante na pilha de operandos: bipush, sipush, ldc, aconst_null, etc.

Instruções Instruções aritméticas: Soma: iadd, ladd, fadd, dadd. Multiplicação: imul, lmul, fmul, dmul. Negação: ineg, lneg, fneg, dneg. Shift: ishl, ishr, lshl, lshr, etc. AND bit-a-bit: iand, land. Comparação: dcmpg, dcmpl, fcmpg, lcmp, etc. Retornam –1 (menor), 0 (igual) ou +1 (maior) Incrementa variável local (sem colocar na pilha): iinc. etc.

Instruções 31 23 5 4 3 2 1 23 33 ... 3 iload_2 4 bipush 10 6 iadd 7 istore_3 ... 3 iload_2 4 bipush 10 6 iadd 7 istore_3 ... 3 iload_2 4 bipush 10 6 iadd 7 istore_3 ... 3 iload_2 4 bipush 10 6 iadd 7 istore_3 ... 3 iload_2 4 bipush 10 6 iadd 7 istore_3 ... 3 iload_2 4 bipush 10 6 iadd 7 istore_3 33 23 10 23

Instruções Conversões de tipo: A primeira letra é o tipo origem, a última é o tipo destino. O número 2 tem o sentido de “to” (para). A JVM suporta diretamente as seguinte conversões de extensão (sem perdas significativas): int => long => float => double i2l, i2f, l2f, f2d. As outras conversões suportadas podem resultar em perdas significativas do valor: i2b, i2c, l2i, ...

Instruções Instruções para criação e manipulação de objetos: Criação de objetos: new, newarray, etc. Acessar atributos: getfield, putfield, etc. Acessar uma posição do array: baload, caload, bastore, castore, etc. Tamanho do array: arraylength

Instruções Checar propriedades dos objetos: instanceof, checkcast. Instruções para manipulação da pilha e do array de variáveis: pop, pop2, dup, dup2, swap, wide, etc.

Instruções Instruções de controle (desvios): Desvios incondicionais: goto, goto_w, etc. Desvios condicionais: ifeq, iflt, ifle, ifnull, etc. Desvios condicionais sobre o tipo int realizam a comparação automaticamente: if_icmplt, if_icmpeq, if_icmpg, etc. Desvios condicionais sobre outros tipos precisam ser precedidos por uma instrução de comparação: dcmpg ifeq loop Switch: tableswitch, lookupswitch

Instruções 5 4 3 2 1 ... 5 fcmpg 6 ifeq 11 9 aconst_null 10 astore_2 11 fload_0 ... 5 fcmpg 6 ifeq 11 9 aconst_null 10 astore_2 11 fload_0 ... 5 fcmpg 6 ifeq 11 9 aconst_null 10 astore_2 11 fload_0 ... 5 fcmpg 6 ifeq 11 9 aconst_null 10 astore_2 11 fload_0 ... 5 fcmpg 6 ifeq 11 9 aconst_null 10 astore_2 11 fload_0 ... 5 fcmpg 6 ifeq 11 9 aconst_null 10 astore_2 11 fload_0 5.43 1.0 1.0 5.43

Instruções Chamada e retorno de métodos: Chamada: invokevirtual, invokespecial, invokestatic. Retorno: lreturn, freturn, ireturn. Ao chamar um método, os parâmetros devem ser colocados (na ordem da declaração) na pilha. Quando a execução termina, o valor de retorno, se houver, é colocado no topo da pilha do frame “pai”.

Compilando para a JVM Arquivo “HelloWorld.java”: javac HelloWorld.java public class HelloWorld { public static void main(String args[]) { System.out.println(“Hello World!”); } javac HelloWorld.java Gera o arquivo HelloWorld.class

Compilando para a JVM A ferramenta javap, distribuída junto com o JDK da Sun, permite decompilar: > javap –c HelloWorld.class Compiled from HelloWorld.java public class HelloWorld extends java.lang.Object { public static void main(java.lang.String[]); } 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

Compilando para a JVM O código gerado pelo javap não pode ser alterado e recompilado. Para compilar uma arquivo com código assembler JVM é necessário usar alguma biblioteca. Exemplos: Jas, Jasmin, Kawa, etc.

Jasmin Java Assembler Interface. Compilador de assembly JVM para arquivos class. Recebe um arquivo texto como entrada. A sintaxe do arquivo é parecida com a dos arquivos gerados com o javap. java jasmin.Main <arquivo_fonte>

Jasmin – Exemplos Exemplo de chamada de método Código Java original int add12and13() { return addTwo(12, 13); }

Jasmin – Exemplos Exemplo de chamada de método Código Jasmin: .method add12and13()I aload_0 //coloca variável zero na pilha (this) bipush 12 //coloca constante 12 na pilha bipush 13 //coloca constante 13 na pilha invokevirtual “Classe/addTwo(II)I” //chama metodo addTwo da classe “Classe” ireturn //retorna o inteiro do topo da pilha .end method

Jasmin – Exemplos Exemplo de uso de parâmetros e retorno de valores: Código Java: double doubleLocals(double d1, double d2){ return d1 + d2; }

Jasmin – Exemplos Exemplo de uso de parâmetros e retorno de valores: Código Jasmin: .method doubleLocals(DD)D dload_1 //coloca variável d1 na pilha dload_3 //coloca constante d2 na pilha dadd //soma de double dreturn //retorna o double do topo da pilha .end method

Jasmin – Exemplos Instanciando um novo objeto: Código Java: Object create() { return new Object(); }

Jasmin – Exemplos Instanciando um novo objeto: Código Jasmin: .method create()Ljava/lang/Object; new “java/lang/Object” //aloca espaço no heap dup //duplica o topo da pilha invokespecial “java/lang/Object/<init>” //chama o construtor (método “<init>”) areturn //retorna a referência para o objeto .end method

Jasmin – Exemplos Laço for: Código Java: void spin() { int i; for (i =0; i < 100; i ++) { ; }

Jasmin – Exemplos Laço for: .method spin()V Código Jasmin: iconst_0 // põe valor zero na pilha istore_1 // armazena na variável 1 (i=0) goto teste // desvia para o teste do laço laco: // label do início do laco iinc 1 1 // incrementa variável 1 (i) de 1 teste: // label do teste da condicao iload_1 // põe variável i na pilha bipush 100 // põe constante 100 na pilha if_icmplt laco // compara os valores da pilha e desvia return .end method

Referências The Java Virtual Machine Specification (Lindholm & Yellin) http://java.sun.com (capítulos 3 a 7) WikiPedia – The Free Encyclopedia http://www.wikipedia.org/wiki/Virtual_machine The Core Of Information Technology http://cne.gmu.edu/itcore/virtualmachine/history.htm Jasmin http://cat.nyu.edu/meyer/jasmin