Java实现简易JVM
1. 读取并解析class文件，如String、Thread等类(支持jdk8及以下)
部分类可能在demo运行时用到:
zvm\bytecode\java\lang\System.classzvm\bytecode\java\io\PrintStream.classzvm\bytecode\java\lang\Thread.classzvm\bytecode\com\zvm\javaclass\integer\Table1.class(注解相关)
2. 取opcode，解释执行程序。循环运算，入栈出栈
- 执行样例：
public class GaussTest {
public GaussTest() {
}
public static void main(String[] args) {
int sum = 0;
for(int i = 5; i <= 20; i += 10) {
sum += i;
}
System.out.println(sum);
}
}输出结果：
file path : GaussTest
203. 方法调用(静态方法、构造方法、实例方法(支持继承多态))
- 静态递归方法执行样例(invokestatic)：
public class FibonacciTest {
public static void main(String[] args) {
long x = fibonacci(8);
System.out.println(x);
}
private static long fibonacci(long n) {
if (n <= 1) {
return n;
} else {
return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}
}
}输出结果：
file path : FibonacciTest
21- 构造方法调用(invokespecial)
public class FibonacciTest {
public static void main(String[] args) {
long x = fibonacci(8);
System.out.println(x);
}
private static long fibonacci(long n) {
if (n <= 1) {
return n;
} else {
return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}
}
}输出结果：
file path : FibonacciTest
21- 调用实例方法，支持继承多态(invokevirtual)
public class InvokeVirtualTest {
public static void main(String[] args) {
Vector2D v2 = new Vector2D(2.1, 2.2);
Vector2D v3 = new Vector3D(3.1, 3.2, 3.3);
v2.multiply(2);
v3.multiply(3);
System.out.println(v2.x);
System.out.println(v2.y);
System.out.println(v3.x);
System.out.println(v3.y);
System.out.println(((Vector3D)v3).z);
}
}输出结果：
file path : ch07/InvokeVirtualTest
4.2
4.4
9.3
9.600000000000001
9.8999999999999994. 数组
- 一维int数组冒泡排序：
public class BubbleSortTest {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {
22, 84, 77, 11, 95, 9, 78, 56,
36, 97, 65, 36, 10, 24 ,92, 48
};
//printArray(arr);
bubbleSort(arr);
//System.out.println(123456789);
printArray(arr);
}
private static void bubbleSort(int[] arr) {
boolean swapped = true;
int j = 0;
int tmp;
while (swapped) {
swapped = false;
j++;
for (int i = 0; i < arr.length - j; i++) {
if (arr[i] > arr[i + 1]) {
tmp = arr[i];
arr[i] = arr[i + 1];
arr[i + 1] = tmp;
swapped = true;
}
}
}
}
private static void printArray(int[] arr) {
for (int i : arr) {
System.out.println(i);
}
}
}输出结果：
file path : ch08/BubbleSortTest
9
10
...- 一维double数组冒泡排序
public class DoubleBubbleSortTest {
public static void main(String[] args) {
double[] arr = {
22.2, 84.4, 77.5, 11.2, 95.3, 9.2, 78.2, 56.2,
36.1, 97.1, 65.1, 36.1, 10.3, 24.3 ,92.3, 48.3
};
//printArray(arr);
bubbleSort(arr);
//System.out.println(123456789);
printArray(arr);
}
private static void bubbleSort(double[] arr) {
boolean swapped = true;
int j = 0;
double tmp;
while (swapped) {
swapped = false;
j++;
for (int i = 0; i < arr.length - j; i++) {
if (arr[i] > arr[i + 1]) {
tmp = arr[i];
arr[i] = arr[i + 1];
arr[i + 1] = tmp;
swapped = true;
}
}
}
}
private static void printArray(double[] arr) {
for (double i : arr) {
System.out.println(i);
}
}
}输出结果：
file path : ch08/DoubleBubbleSortTest
9.2
10.3
11.2
22.2
24.3
...5. 字符串和字符串数组
- 字符串加法，涉及类有java/lang/StringBuilder、java/lang/AbstractStringBuilder、java/lang/Math 、java/util/Arrays、java/io/FilterOutputStream、java/io/OutputStream、 java/io/PrintStream、java/lang/String：
public class StringBuilderTest {
public static void main(String[] args) {
String hello = "hello,";
String world = "world!";
String str = hello + world;
System.out.println(str);
}
}输出结果：
file path : ch09/StringBuilderTest
总内存:8912 分配：8完成 当前已使用:8
总内存:8912 分配：12完成 当前已使用:20
...
hello,world!
...- 字符串数组
public class ArrayDemo {
public static void main(String[] args) {
int[] a1 = new int[10]; // newarray
String[] a2 = new String[10]; // anewarray
//int[][] a3 = new int[10][10]; // multianewarray
int x = a1.length; // arraylength
a1[0] = 100; // iastore
int y = a1[0]; // iaload
a2[0] = "0abc"; // aastore
String s = a2[0]; // aaload
System.out.println( s);
a2[1] = "1xxxxyyxyy";
a2[2] = "2xxxxyyxyy";
for(int i = 0; i < 3; i++){
System.out.println(a2[i] + " stringbuilderTest");
}
}
}输出结果：
file path : ch09/ArrayDemo
总内存:8912 分配：40完成 当前已使用:40
...
0abc
总内存:8912 分配：8完成 当前已使用:104
总内存:8912 分配：20完成 当前已使用:124
...
0abc stringbuilderTest
总内存:8912 分配：8完成 当前已使用:364
总内存:8912 分配：32完成 当前已使用:396
...
1xxxxyyxyy stringbuilderTest
总内存:8912 分配：8完成 当前已使用:580
总内存:8912 分配：32完成 当前已使用:612
...
2xxxxyyxyy stringbuilderTest
...6. 调用本地方法
- 只实现了这个方法println，里面调用了arraycopy
public class StringBuilderTest {
public static void main(String[] args) {
String hello = "hello,";
String world = "world!";
String str = hello + world;
System.out.println(str);
}
}输出结果：
file path : ch09/StringBuilderTest
hello,world!7. GC相关：简单实现了标记清除算法
- 在zvm\src\main\java\com\zvm\memory\JavaHeap.java的HEAP_MAX_SIZE(此例中为32)的大小
public class GCTest1 {
private static final int SIZE = 3;
public static void main(String[] args){
test0();
test1();
test2();
}
private static void test0() {
/*字符串会创建22 byte + 8byte的数组:8byte:为String对象，22byte为char[11]*/
//System.out.println("test0 start");
int[] arr = new int[SIZE];
for (int i = 0; i < SIZE; i++){
arr[i] = 100 + i;
}
//System.out.println("test0 start");
}
private static void test1() {
//System.out.println("test1 start");
int[] arr = new int[SIZE];
for (int i = 0; i < SIZE; i++){
arr[i] = 100 + i;
}
//System.out.println("test1 start");
}
private static void test2() {
//System.out.println("test2 start");
int[] arr = new int[SIZE];
for (int i = 0; i < SIZE; i++){
arr[i] = 100 + i;
}
//System.out.println("test2 start");
}
}输出结果：
file path : gc/GCTest1
总内存:32 分配：12完成 当前已使用:12
总内存:32 分配：12完成 当前已使用:24
总内存:32 已使用：24 当前需分配：12
总内存:32 回收情况：24->0 当前需分配：12
总内存:32 分配：12完成 当前已使用:121. 嵌套类
- 执行样例：
/**
1. 嵌套类：
- 静态嵌套类；
Classes
- 普通内部类(成员内部类)
- 局部内部类
- 匿名内部类
https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/javaOO/nested.html
*/
public class T0NestedClass {
static class StaticClass{
public String staticClassKey = "staticClassVale";
public void test(){
System.out.println(staticClassKey);
}
}
/**
* 普通内部类
*/
class GenaralClass{
public String genaralClassKey = "genaralClassValue";
public void test(){
System.out.println(genaralClassKey);
}
}
public static void main(String[] args){
class LocalClass{
public String localClassKey = "LocalClassValue";
public void test(){
System.out.println(localClassKey);
}
}
AnonymousClass anonymousClass = new AnonymousClass(){
public String anonymousClassKey = "anonymousClassValue";
public void test(){
System.out.println(anonymousClassKey);
}
};
/*静态类测试*/
StaticClass staticClass = new StaticClass();
staticClass.test();
/*普通内部类测试*/
new T0NestedClass().generalClassTest();
/*局部内部类测试*/
LocalClass localClass = new LocalClass();
localClass.test();
/*匿名内部类测试*/
anonymousClass.test();
}
public void generalClassTest(){
GenaralClass genaralClass = new GenaralClass();
genaralClass.test();
}
}
class AnonymousClass{
public void test() {
}
}输出结果：
file path : nestedclass\T0NestedClass
总内存:32000 分配：4完成 当前已使用:4
...
staticClassVale
总内存:32000 分配：0完成 当前已使用:92
总内存:32000 分配：8完成 当前已使用:100
总内存:32000 分配：8完成 当前已使用:108
总内存:32000 分配：34完成 当前已使用:142
genaralClassValue
总内存:32000 分配：4完成 当前已使用:146
总内存:32000 分配：8完成 当前已使用:154
总内存:32000 分配：30完成 当前已使用:184
LocalClassValue
anonymousClassValue2. 类的加载、链接、初始化
- 执行样例：
public class T1ClassLink {
public static String value1 = "abc";
public static final String finalValue = "zvm";
public static String[] arr = new String[]{"arr0", "arr1", "dsafasfsdafd"};
public static final String[] finalArr = new String[]{"final-arr0", "final-arr1", "final-dsafasfsdafd"};
public String generalStr = "generalStr";
public T1ClassLink() {
}
public static void main(String[] var0) {
System.out.println(value1);
System.out.println("zvm");
System.out.println(arr[0]);
System.out.println(finalArr[0]);
System.out.println((new T1ClassLink()).generalStr);
}
}输出结果：
file path : classlink\T1ClassLink
总内存:32000 分配：0完成 当前已使用:0
...
abc
总内存:32000 分配：8完成 当前已使用:210
总内存:32000 分配：6完成 当前已使用:216
zvm
总内存:32000 分配：8完成 当前已使用:224
...
arr0
总内存:32000 分配：8完成 当前已使用:426
...
final-arr0
总内存:32000 分配：4完成 当前已使用:624
...
generalStr- 反射
- 多线程
- 同步
1. 环境
- 在Windows10，基于jdk8开发
- 打印调试信息，可能需要maven引入Gson或fastjson
- 支持解析jdk8及以下版本的类，解释执行demo
- 经测试，demo支持在linux,jdk8中运行
2. IDEA运行
3. cmd运行
F:\projects\zvm>java -classpath E:\JAVA\Maven\com\alibaba\fastjson\1.2.62\fastjson-1.2.62.jar;E:\JAVA\Maven\com\google\code\gson\gson\2.8.5\gson-2.8.5.jar;F:\projects\zvm\target\classes com.zvm.JavaMain -cp F:\projects\zvm\bytecode gc.GCTest1运行结果：
1. 第一级目录
bytecode\ #编译后的字节文件
javaclass\ #测试demo的源文件
src\ #源代码
注：由jdk1.8.0_45\jre\lib\rt.jar中的java文件夹得到zvm\bytecode\java文件夹
2. 源代码目录
com\zvm
basestruct\ #读取字节码为内存中ClassFile时的基本数据结构
classfile\ #类解析相关
attribute\ #属性表：jdk8中的23种属性
constantpool\ #常量池：jdk8中10种常量类型
ClassFile.java #解析后的class文件
cp_info.java #ClassFile中的常量池表示
field_info.java #ClassFile中的字段表示
IOUtils.java #解析字节码的工具类
method_info.java #ClassFile中的方法表示
ZvmClassLoader.java #待重构
draft\ #草稿，无需理会
gc\
GC.java #GC类，目前只有标记清除算法
instruction\ #指令实现(根据Java虚拟机规范分类建立子目录)
arithmetic\ #运算指令
arithmetic\ #算术运算
bitwise\ #位运算符
logic\ #逻辑运算符
relation\ #关系运算符
unary\ #一元运算符
controltransfer\ #控制转移
exception\ #抛出异常
loadandstore\ #加载和存储
constant\ #常量加载至操作数栈
load\ #局部变量表至操作数栈
store\ #操作数栈到局部变量表
methodinvocation\ #方法调用
objectcreatemanipulate\ #对象创建和操作
oprandstack\ #操作数栈操作
synchronization\ #同步
typeconversion\ #类型转换
Opcode.java #指令opcode
Instruction.java #所有指令都implements这个接口
interpreter\
CallSite.java #调用方法时的入口
CodeUtils.java #控制pc的工具类
Descriptor.java #方法调用时，表示返回数据和入参结构
Interpreter.java #取opcode并执行的类
Ref.java #表示methodRef或fieldRef:含类名、描述符、方法名/字段名
jnative\ #实现本地方法
NativeConstant.java #调用相关常量
NativeMethod.java #所有本地方法都需要实现这个接口
NativeUtils.java #本地方法注册调用工具
System.java #实现System类中的本地方法
memory\
ArrayFields.java #保存堆中的数组
JavaHeap.java #表示堆，对象和数组都分配在这
MethodArea.java #方法区
ObjectFields.java #表示堆中的对象
runtime\ #运行时数据
struct\ #一些基本数据结构
JavaClass.java #运行时表示：ClassFile的入口，加一些类的信息
JavaFrame.java #运行时表示：一个方法所用的帧
JThread.java #运行时表示：一个线程(目前未实现多线程)
LocalVars.java #运行时表示：帧中的局部变量表
OperandStack.java #运行时表示：帧中的操作数栈
RunTimeEnv.java #运行时的环境，包括JavaHeap、MethodMrea等
StaticVars.java #JavaClass中的静态字段分配内存
ThreadStack.java #线程栈：运行时，方法调用帧由底至上组成线程栈
Vars.java #供LocalVars、LocalVars、ObjectFields继承使用
utils\
TypeUtils.java #类型转换工具类
Cmd.java #解析命令行
JavaMain.java #启动入口类，含main方法
ZVM.java #表示虚拟机
1. 加载(load)、存储(store)指令,将数据在局部变量表和操作数栈中来回传输
- 局部变量表->操作数栈：dload,dload_n; iload,iload_n; lload,lload_n; aload,aload_n
- 操作数栈->局部变量表：dstore,dstore_n; istore,istore_n; lstore,lstore_n; astore,astore_n
- 常量到操作数栈: bipush,ldc,ldc_w,ldc2_w,iconst_n
2. 运算指令
- 加法：iadd,ladd
- 减法: lsub
- 乘法: dmul
- 自增: iinc
- 比较: lcmp
3. 类型转换指令
- 待实现
4. 对象创建和操作
- 创建实例: new
- 创建数组：anewarray,newarray
- 访问类或实例字段:getstatic,getfield,putfield
- 将一个数组元素加载到操作数栈：iaload,laload,faload,daload,aaload
- 将一个操作数栈的值存储到数组中：iastore, lastore, fastore, dastore, aastore
- 获得数组的长度：arraylength
- 检查类实例类型的指令：instanceof、checkcast待实现
5. 操作数栈管理
- pop, pop2, dup, dup2, dup_x1, dup2_x1, dup_x2, dup2_x2, swap
6. 控制转移
- 条件分支：ifeq, ifne, iflt, ifle, ifgt, ifge, ifnull, ifnonnull, if_icmpeq, if_icmpne, if_icmplt, if_icmple, if_icmpgt if_icmpge, if_acmpeq, if_acmpne
- 复合条件分支：tableswitch, lookupswitch待实现
- 无条件分支: goto, goto_w, jsr, jsr_w, ret.
7. 方法调用和返回
- invokevirtual: 调用对象实例方法，根据对象实际类型分派
- invokespecial：特殊处理的实例方法：实例初始化方法，父类方法
- invokestatic：调用类方法
- invokeinterface：待实现
- 返回指令： ireturn(used to return values of type boolean , byte , char , short , or int ), lreturn, freturn, dreturn, and areturn
8. 抛出异常
- 待实现
9. 同步
- 待实现
1. 文档、书籍参考
- Java 虚拟机规范
- 《自己动手写 Java 虚拟机》
- Java虚拟机规范(Java se7)中文版
- Java虚拟机规范(Java se8)中文版
- 周志明的《深入理解 Java 虚拟机》