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

• 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

• 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

Máquinas Virtuais para LP´s

• 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

JVMSistema Operacional

Hardware

Java Bytecode

JVM - Introdução

• 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

Arquivo class

• 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 de Dados

• Tipos numéricos:– Inteiros:

• 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:– 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

Tipos Primitivos

• 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

Tipo Referência

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

• 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

this

argu

mento

s

var.

locais

Pilha de Operandos

Ref. Constant Pool

0 <Class> “My Class”1 <String> “Hello World”2 <Integer> 1234567... ...

0 1 2 3 4 5

JVM Stack

Frame 1

Frame 2

Frame 3

Frame 4

Frame 5

Frames

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

...3 iload_2

4 bipush 10

6 iadd

7 istore_3

...23

31

23

5

4

3

2

1

0

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

...23

10

33

...3 iload_2

4 bipush 10

6 iadd

7 istore_3

...

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:

dcmpgifeq loop

– Switch: tableswitch, lookupswitch

Instruções

...5 fcmpg

6 ifeq 11

9 aconst_null

10 astore_2

11 fload_0

...

5

4

3

2

1

0

1.0

5.43

1.0

1.00

...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

...5 fcmpg

6 ifeq 11

9 aconst_null

10 astore_2

11 fload_0

...

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”:

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.javapublic 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()Iaload_0 //coloca variável zero na pilha (this)bipush 12 //coloca constante 12 na pilhabipush 13 //coloca constante 13 na pilhainvokevirtual “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 pilhadload_3 //coloca constante d2 na pilhadadd //soma de doubledreturn //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 heapdup //duplica o topo da pilhainvokespecial “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:– Código Jasmin:.method spin()V

iconst_0 // põe valor zero na pilhaistore_1 // armazena na variável 1 (i=0)goto teste // desvia para o teste do laçolaco: // label do início do lacoiinc 1 1 // incrementa variável 1 (i) de 1teste: // label do teste da condicaoiload_1 // põe variável i na pilhabipush 100 // põe constante 100 na pilhaif_icmplt laco // compara os valores da pilha e desviareturn

.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