（计算机系统结构专业论文）嵌入式java虚拟机的研究与实现.pdf

华东师范大学硕士学位论文嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 论文摘要 近年来随着嵌入式系统应用的日趋广泛，越来越多的人参与到嵌入式系统软 硬件的开发中来，嵌入式系统的开发方式也越来越受人关注。传统的嵌入式系统 只能运行针对特定平台的应用程序，开发人员不得不为不同的硬件平台编写不同 的程序。尽管后来j a v a 语言的出现为问题的解决提供了一条新路，但支持j a v a 应用程序的j a v a 虚拟机往往对硬件平台要求较高。 本文首先介绍了j a v a 虚拟机规范，阐述了实现一个j a v a 虚拟机的要点问题。 之后介绍了目前流行的两种嵌入式j a v a 虚拟机：b l a c k d o w n 和k v m ，描述了它 们的应用范围和部署方法。 本文用了大量的篇幅阐述了在j a v a 虚拟机小型化方面做出的努力，根据j a v a 虚拟机规范设计并实现了一个通用的嵌入式j a v a 虚拟机e m j v m ，并提出了 一系列针对嵌入式系统进一步优化的方案。 本文最后介绍了e m j v m 的一个应用实例d v 7 1 0j a v a 运行环境及模拟 器，展现了j a v a 语言在嵌入式系统开发上的优越性。 与成熟的j a v a 虚拟机相比，尽管e m j v m 在性能上稍许逊色，但它占用的系 统资源更少，因此更加适合资源紧张的嵌入式系统应用。 现阶段的工作成果为今后的实际应用傲了很好的铺垫，并且本论文所采用的 研究方法对于其它平台上的应用也具有指导意义。 关键词：嵌入式系统，j a v a ，j a v a 虚拟机，a r m ，d v 7 1 0 v 华东师范大学硕士学位论文嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 a b s t r a c t i nr e x e n ty e a r s ，t h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t c m si sg e t t i n gw i d e r m o r ea n d m o r ep e o p l ej o i ni nd e v e l o p e r so fe m b c d d e ds y s t e m s 。f o r m e re m b e d d e ds y s t e m s c o u l do n l ya ma p p l i c a t i o n sd e s i g n e df o rt h e m ，a n dp r o g r a m m e r sh a dt od e s i g n d i f f e r e n ts o f t w a r ef o rd i f f e r e n th a r d w a r ep l a t f o r m a l t h o u g ht h ei n v e n t i o no fj a v a p r o g r a m m i n gl a n g u a g ep r o v i d eaw a yt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ej a v av i r t u a lm a c h i n e t os u p p o r tj a v aa p p l i c a t i o n so f t e nr e q u i r em a n yr e s o u r c e sf r o mh a r d w a r ep l a t f o r m s t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ej v m s p e c i f i c a t i o n , a n de x p l a i n st h ek e yp o i n t so ft h e i m p l e m e n t a t i o no faj v mf i r s t i tt h e ni n t r o d u c e st w ow i d e l yu s e dj v l - b l a c k d o w n a n dk v m ，a n dd e s c r i b e st h e i r a p p l i c a t i o nr a n g e sa n dd e p l o y m e n tm e t h o d s t h i st h e s i su s e dm a n yp a g e st od e s c r i b et h ee f f o r tt om i n i a t u r i z ej v m s o nt h e b a s i so fu n d e r s t a n d i n gt h ej v m s p e c i f i c a t i o n , t h ea u t h o ro ft h i st h e s i s & s i g n e da n d i m p l e m e n t e d ag e n e r a l p u r p o s ej v m ：e m j v m ，a n di n t r o d u c e d as e r i e so f o p t i m i z a t i o no fe m j v mf o re m b e d d e ds y s t e m s t h i st h e s i sa l s oi n t r o d u c e da l l a p p l i c a t i o n o fe m v m ：aj a v am n t i m e e n v i r o n m e n to nd v 7 1 0a n di t ss i m u l a t o ro np c t h i sp r o j e c ts h o w st h ea d v a n t a g eo f d e v e l o p m e n tf o re m b e d d e ds y s t e mb yj a v a c o m p a r e dw i t ho t h e rw i d e l yu s e dj v i v s ，a l t h o u g he m j v mi sn o tv e r yg o o di n p e r f o r m a n c e ，e m j v mo c c u p i e sl e s ss y s t e mr e s o u r c e s s oe m j v mi sm o r es u i t a b l e f o re m b e d d e ds y s t e m sw h i c ha r el a c ko fr e s o u r c e s t h ew o r kd o n ea tt h i ss t a g ei sag o o dp r e p a r a t i o nf o rt h ef u t u r ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，a n dt h em o d h o d su s e di nt h i st h e s i sa r ei n s t r u c t i v ef o r t h ea p p l i c a t i o n sf i n o t h e rp l a t f o r m sa sw e l l k e yw o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，j a v a , j v m ，a r m ，d v t l 0 v l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：跫：丝垒日期：之= z ! ! ：芝 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：际商畴 日期： 1 1 1 华东师范大学硕士学位论文 嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 1 1 课题背景 第1 章绪论 j a v a ，是一种可以编写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，由s u n 公司的j a m e sg o s l i n g 等人于1 9 9 0 年代初开发。它最初被命名为o a k ，作为一种 小家用电器的编程语言，来解决诸如电视机、电话、闹钟、烤面包机等家用电器 的控制和通讯问题。由于这些智能化家电的市场需求没有预期的高，s u n 放弃了 该项计划。就在o a k 几近天折之时，随着i n t c r n e t 的发展，s u n 看到了o a k 在计 算机网络上的广阔应用前景，于是改造了o a k ，在1 9 9 5 年5 月以”j a v a ”的名称正 式发布了。j a v a 伴随着i n t e r n e t 的迅猛发展而发展，逐渐成为重要的i n t e r n e t 编 程语言。此时j a v a 的跨平台特性显得尤为珍贵，因为它能够屏蔽网络异质性， 为i n t c r n c t 上不同计算机提供一致的运行环境与交互平台，在很大程度上简化了 应用程序的开发与部署。 j a v a 编程语言的风格十分接近c + + 语言。j a v a 继承了c + + 语言面向对象技 术的核心，舍弃了c + + 语言中的指针( 以引用取代) 、运算符重载、多重继承( 以 接口取代) 等成分，增加了自动垃圾收集功能用于回收不再被引用的对象所占据 的内存空间。 j a v a 不同于一般的编译执行计算机语言和解释执行计算机语言。它首先将 源代码编译成字节码，然后依赖各种不同平台上的虚拟机来解释执行字节码，从 而实现了“一次编译、到处执行”的跨平台特性，尽管这在一定程度上降低了 j a v a 程序的运行效率。 j a v a 虚拟机( j v m ) 是一个由软件实现的抽象的计算机硬件平台，它对下 屏蔽了硬件的异质和操作系统的异质，对上提供了统一的运行环境。j a v a 编译器 生成的目标代码可以直接在j v m 上运行，无需考虑实际运行的硬件与操作系统 环境。 嵌入式计算机由于不同的应用需求往往差别较大，传统的应用程序在不同 平台间移植有很大难度。j a v a 正好能够解决这个问题，只要每个平台上都有相应 的j v m 在运行，j a v a 应用程序便可直接部属于这些平台上而无需重新编译。 在嵌入式系统上支持j a v a 还有另一个好处，就是方便了固件的开发。传统 固件由汇编语言或者c 语言编写，开发与调试都受到限制。嵌入式系统上的固 件必须根据所采用的微控制器类型及附带的外设被特别设计，并由特殊的编译器 华东师范大学硕士学位论文 嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 进行编译。而调试时往往只能通过一些表征来诊断程序错误，费时费力且对开发 人员的专业技能要求较高。虽然近年来出现的新型微控制器都对i c e 提供了很 好的支持，但这无疑增加了成本且限制了器件的选择。另一方面，如果由于各种 原因需要更换微控制器，那么整个固件的开发很有可能需要推倒重来。采用j a v a 就不同了，由于m 提供了j a v a 应用程序的跨平台性，因此用j a v a 开发的固件 可以只做少量改动甚至不改动( 也无需重新编译) 便可运行在任何有j v m 支持 的嵌入式系统上，大大简化了开发；同时在p c 机上也可以部属为目标系统定制 的j v m ，以提供对目标机的仿真，因此整个固件的开发可以完全在p c 机上进行， 调试也可以通过模拟器，最终再把调试完成的固件下载到目标系统上即可工作。 于是在嵌入式系统发展日新月异的今天，研究嵌入式j v m 有很重要的意义。 1 2 国内外研究现状 目前国外成熟的j v m 有很多，无论是商品化的还是开源的。传统的j v m ( 如 当今流行的s u n 的h o t s p o t 虚拟机) 都被设计为运行在较高等级的硬件平台( 如 服务器) 上，它们功能强大，实现了j v m 规范的所有特性。能够运行在嵌入式 系统上的j v m 是近几年才出现的，这些j v m 一般都只实现了j v m 规范的一个 子集，使用裁减了的j a v a 运行库( 如j a v a m e ) ，但占用的系统资源也较少。 就开源j v m 而言，大多数项目都处于起步阶段，有些不够成熟稳定，有些 运行效率不高。 最近s u n 发布了k v m ，这是一种专门部属在嵌入式系统上的微型j v m ， 是j 2 m ec l d c 的参考实现。由于k v m 的源码公开，因此我们可以将其移植到 自己的系统中。 国内对j v m 的研究不多，一般都只针对特定的应用开发专用的j v m ，没有 成熟的通用j v m 。在高端应用与支持多处理器的j v m 方面，国内基本是空白。 在嵌入式j v m 方面，清华大学、上海交大及个别企业有自己的方案，但也都是 专用方案( 如针对数字电视的方案) 。 1 3 研究目的与意义 尽管目前已经有很多针对嵌入式系统的j v m ，但成熟稳定且开源的版本屈 指可数。本论文的目标是在理解j a v a 语言机制的基础上，就j a v a 虚拟机的工作 原理展开研究，简单介绍嵌入式j v m 的移植，并针对嵌入式平台的特点设计实 现有一定通用性的j v m 。 另外，虽然现有的嵌入式系统j v m 对系统资源的占用量比普通j v m 要小 2 华东师范大学硕士学位论文 嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 很多，但是仍然比较可观，比如s u n 的k v m 需要至少1 9 2 k b 的r a m 空间才能 运行。而目前大多数m c u 片内r a m 都不会超过9 6 k b ，因此研究如何进一步 降低j v m 对系统资源占用量( 主要是r a m 空间) 的问题仍然有着重要的意义。 本文提出的e m j v m 将把降低r a m 占用作为重要的设计指标和优化方向。 1 4 本文主要内容与结构 第2 章根据s u n 发布的j a v a 语言规范及j v m 规范阐述了j v m 模型架构， 并介绍了两款常用的嵌入式j v m 。 第3 章根据j v m 规范设计并实现一款简单灵活的j v m e m j v l 订。 第4 章介绍了e m j v m 针对嵌入式系统的进一步优化方案及评估。 第5 章介绍了e m j v m 的移植，以及e m j v m 的一个应用实例用于 d v 7 1 0 评估板( 基于s t r 7 1 0 f 微控制器) 的j a v a 运行环境，并搭配运行于 w i n d o w s 系统( x 8 6 平台) 上的模拟器。 第6 章对本文工作进行总结，并简单介绍了以后可能的发展计划。 3 华东师范大学硕士学位论文 嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 2 1 总体结构 第2 章j v m 模型分析 一台最基本的j a v a 虚拟机包含了：控制中心、( 引导) 类装载器、指令执行 部件、方法区、常数池、运行栈和堆等几个部分。 通常j v m 都支持j a v a 的多线程机制，此时j v m 需要维护一个线程池，其 中每个线程都会维持自己的上下文( 运行状态) 和运行栈。另外如果在单任务操 作系统下或者没有操作系统，j v m 还需要有线程调度器的支持。 整个j v m 总体结构如下图所示： 图2 - 1j 、，m 总体结构 s u n 的j v m 规范定义了一台抽象的机器，它不包含具体j v m ( 包括s u n 自 己的j v m ) 的任何特定实现。要正确地实现j v m ，只需读撞j a v ac l a s s 文件格式， 并诈确地执行c l a s s 文件中指定的操作便可。不属于j v m 规范的实现细节会不必 4 华东师范大学硕士学位论文 嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 要地约束实现者的创造力，提供这些细节只是为了使阐述更清楚。例如，运行时 数据区的存储器布局、使用的垃圾收集算法，以及对字节码的任何优化( 例如把 它们翻译成机器指令码) 等，都留给实现者去决定i 。 2 2 数据类型和值 像j a v a 语言一样，j v m 的数据类型包括两类：基本类型( p r i m i t i v et y p e s ) 和引用类型( r e f e r e n c et y p e s ) 。相应地，也有两类值可以存储在变量中、作为参 数传递、被方法返回并对其进行操作：基本值( p r i m i t i v ev a l u e s ) 和引用值 ( r e f e r e n c ev a l u e s ) 。 j v m 希望几乎所有的类型检查在编译期间完成而非j v m 自己来进行，因此 j v m 往往不需要给数据标记类型或进行检查。然而。j v m 的指令集使用操作于 特定数据类型的指令来区分它们的操作数类型。例如i a d d 、l a d d 、f a d d 和d a d d 都是对两个数值相加的j v m 指令，但是它们分别要求操作数的类型为i n t 、l o n g 、 f l o a t 和d o u b l e 。 j v m 包含对对象的显式支持。对象( o b j e c t ) 是一个动态分配的类实例 ( i n s t a n c e ) ，或者是一个数组( a r r a y ) 。对象的引用被认为具有j v m 中的引用类 型，引用类型可以看成是指向对象的指针或者是句柄。尽管j v m 对对象进行操 作，但j v m 从不对对象进行直接寻址，对对象的操作、传递和检查总是通过引 用类型的值进行。 下图显示了j v m 所支持的主要数据类型： 图2 - 2 - j 、，m 主要数据类型 5 眦姗 洫 呱嘶 脚 广卜丰匕t 卜镕广i - l k 瑚 型 型 型 型 蚺 类 类 鳇 类 类 w 值 镑 组 口 一 一 一 广+l乇 勤 孙 一 峄 别 华东帅范大学硕士学位论文嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 2 2 1 基本类型和值 j a v a 虚拟机支持的基本数据类型有：数值类型( n u m e r i ct y p e s ) 、布尔类型 ( b o o l e a nt y p e s ) 和返回地址类型( r e t u r n a d d r e s st y p e s ) 。其中数值类型包括整型 ( i n t e g r a lt y p e s ) 和浮点型( f l o a t i n g - p o i n tt y p e s ) 。 2 2 1 1整数类型和值 整型包括： b y t e ：8 位有符号二进制整数，其值域为【- 1 2 8 ，+ 1 2 7 ，e p 一2 7 ，2 7 - 1 】； s h o r t ：1 6 位有符号二迸制整数，其值域为【一3 2 7 6 8 ，+ 3 2 7 6 7 】， 即卜矿，2 1 5 1 1 ； i n t ：3 2 位有符号二进制整数，其值域为【- 2 1 4 7 4 8 3 6 4 8 ，+ 2 1 4 7 4 8 3 6 4 7 ， e p 2 3 1 ，2 3 1 1 】； l o n g ：6 4 位有符号二迸制整数，其值域为【9 2 2 3 3 7 2 0 3 6 8 5 4 7 7 5 8 0 8 ， + 9 2 2 3 3 7 2 0 3 6 8 5 4 7 7 5 8 0 7 ，即【2 6 3 ，矿1 】； c h a r ：表示u n i c o d e 的1 6 位无符号整数，其值域为r u 0 0 0 0 ，、u 自旺】； 用于数值表达式时，、u f f f f 表示6 5 5 3 5 而不是1 。 2 2 1 2浮点类型和值 浮点型包括： f l o a t ：3 2 位i e e e 7 5 4 浮点数； d o u b l e ：6 4 位i e e e7 5 4 浮点数。 j v m 的浮点型与j a v a 语言中的浮点型相对。根据i e e e7 5 4 标准【羽，浮点型 的值不仅包含正负有限非零数值，还包括正负零( o ) 、正负无穷( o o ) 和特 殊的n a n ( n o t a n u m b e r ) 值。 f l o a t 类型所能表示的正有限非零值范围从1 4 0 1 2 9 8 4 6 4 3 2 4 8 1 7 0 7 e 4 5 到 3 4 0 2 8 2 3 4 6 6 3 8 5 2 8 8 6 0 e + 3 8 ，d o u b l e 类型所能表示的正有限非零值范围从 4 9 4 0 6 5 6 4 5 8 4 1 2 4 6 5 4 4 e 3 2 4 到1 7 9 7 6 9 3 1 3 4 8 6 2 3 1 5 7 1 e + 3 0 8 。 浮点正零和浮点负零的比较是相等的，但是有些操作还是能够区分它们。 例如“+ 1 0 ，+ 0 0 ”结果为正无穷，而“+ 1 0 0 0 ”结果为负无穷。 除了n a n 外，浮点值都是有序的( o r d e r e d ) ，从小到大排列为：负无穷、 负有限非零值、正负零，正有限非零值和正无穷。n a n 是无序的( u n o r d e r e d ) ， 6 华东师范大学硕士学位论文 嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 因此如果数值比较的任意一个或两个操作数是n a n ，比较的结果都为f a l s e 。特 别地，设x 为任意浮点值( 包括n a n ) ，则“x = = n a n ”结果为f a l s e ，而“x ! = n a n ”结果为t r u e 。 另外，i e e e7 5 4 规范中定义了许多不同的n a n 值，但是没有规定在哪种情 况下应该产生哪种n a n 值。因此为了避免可移植性问题，j v m 把这些不同的 n a n 值合并成单个的概念n a n 值。 2 2 1 3布尔类型和值 在j a v a 语言中，布尔类型用于表示真值t r u e 和f a l s e 。尽管j v m 中也定义 了布尔类型，但j v m 只提供了非常有限的支持。j v m 中没有用于操作布尔类型 的指令，编译器将操作b o o l e a n 类型的j a v a 表达式编译为使用i n t 类型的操作。 j v m 也不直接支持b o o l e a n 数组，它使用访问b y t e 数组的指令来访问b o o l e a n 数组。 j v m 内部使用整型值1 来表示t r u e ，用0 表示f a l s e 。 2 2 1 4r e t u r n a d d r e s s 类型和值 r e t u r n a d d r e s s 类型的值是指向j v m 指令操作码的指针，j a v a 语言中没有任 何类型与之对应。 j v m 中的少数几条指令用到该类型，用于实现方法内的局部予程序。但该 类型完全是j v m 内部使用，j a v a 应用程序既无法生成也无法改变r e t u r n a d d r e s s 类型变量的值。 2 2 2 引用类型和值 j v m 中有三种r e f e r e n c e 类型：类类型、数组类型和接口类型。对应的值分 别是对动态创建的类实例的引用、对数组的引用，或者对实现了接口的类实例或 数组的引用。另外，引用类型的值也可以是空，表示不引用任何对象，记作n u l l 。 n u l l 本身没有运行时类型，但可以被转换为任何类型。 j v m 规范并没有规定n u l l 的内部编码，实现者可以自行定义( 通常为二进 制全0 值或全1 值) 。 7 华东师范大学硕士学位论文嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 2 2 3 基本存储单位“字” 尽管j v m 规范规定了每种数据类型的值域，但并没有规定j v m 实现中保 存每种数据类型的值都需要多大的存储空间。 j v m 规范中定义了一个抽象的存储单位“字”并且规定：一个字大小的存 储单元必须能够容纳一个b y t e 、c h a r 、s h o r t 、i n t ( 包括b o o l e a n ) 、f l o a t 、r e f e r e n c e 或r e t u r n a d d r e s s 类型的值，而两个字大小的存储单元必须能够容纳一个更大值 域类型l o n g 和d o u b l e 的值。j v m 运行时数据区全部以抽象的字为单位进行定义。 一个字的大小通常是主机平台上一个机器字的大小。显然，对于目前常见 的3 2 位平台，一个字的大小可以定义为3 2 位。但对于1 6 位主机，将字大小定 义为1 6 位就显得不足了，因为一个字的存储空间无法容纳i n t 类型和f l o a t 类型 的值。而对于6 4 位主机，当然可以将字大小定义为6 4 位，但如果此时j v m 不 采取特别的设计，很有可能会浪费一半的存储空间。 2 3 运行时数据区 j v m 定义了几个数据区用于保存j a v a 程序运行时的相关数据结构。其中一 些数据区为全局所有，在j v m 启动时便建立，在整个j v m 运行过程中都将存在， 直到j v m 运行完毕退出时才删除；另一些数据区是与j v m 线程一一对应的，在 启动新线程时动态建立，在线程退出时动态删除。 2 3 1 线程上下文 每个j v m 线程都有它自己的上下文，这是一组寄存器，记录了线程当前的 运行状态，包括当前方法、p c 寄存器等。 除了p c 寄存器外，线程上下文中的其它内容在j v m 规范中均未严格定义。 j v m 的具体实现可以在当前栈帧中存储当前类和当前方法。 2 3 1 1当前方法 当前方法即线程正在执行的方法。j v m 必须记住每个线程正在执行哪个方 法，以便调度器在多个线程间切换。 8 华东师范大学硕士学位论文嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 2 3 1 2 p c 寄存器 p c 寄存器用于标识所属线程正在执行的虚拟机指令。 如果该线程的当前方法不是本地方法，则p c 寄存器包含了正在执行的虚拟 机指令地址；如果当前方法是本地方法，则p c 寄存器的值没有定义。 j v m 的p c 寄存器占一个字宽，这个宽度保证可以持有一个r e t u m a d d r e s s 值或者一个硬件平台的指针。 2 3 2 运行栈 每个j v m 线程都有一个私有的、与线程同时创建的运行栈，用于存储栈帧 ( s t a c kf r a m e ) 。运行栈类似于传统语言，例如c 语言的栈：它保存了程序局部 变量、中间运算结果，并参与方法的调用与返回。 与其它传统语言不同，j v m 运行栈仅仅需要支持压入和弹出栈帧的操作， 此外没有任何操作可以直接访衄栈。因此j v m 运行栈不需要是连续的，可以是 从堆中分配的、由栈帧的链表组成的数据结构，例如下图所示； 空 图2 - 3 动态分配于堆中的非连续运行栈结构 j v m 规范允许运行栈的大小是固定的或者是可动态变化的。 如果运行栈是固定大小的，则每个运行栈的大小应该可以在建立线程时由 建立者指定，即j v m 应该向程序员和用户提供一个设置运行栈大小的接口。 如果j v m 支持运行栈动态扩展或收缩，则应该提供指定栈大小的最大值和 最小值的方法。限制栈大小的最大值是为了限制过度的存储器占用，并保护存储 器空间不会闪为无穷的递归调用带来的栈增长所耗尽。 以下两种运行时异常与运行栈的大小相关： 如果线程运行时对运行栈的使用超过了指定的栈大小( 对于固定大小的 9 华东师范大学硕士学位论文嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 栈) ，或者栈所被允许扩展的最大大小( 对于可动态改变大小的栈) ，则 j v m 抛出s t a c k o v e r f l o w e r r o r 异常； 对于大小动态变化的栈，如果需要扩展栈却没有足够的存储器空间来实 现这一扩展，或者在建立新线程时没有足够的存储器空间来为其建立新 的运行栈时，j v m 会抛出o u t o t m e m o r y e r r o r 异常。 2 3 3 堆 堆( h e a p ) 是全局数据区，为所有线程所共享。整个j v m 运行期间所产生 的任何类的实例以及数组均由从堆中分配的空间来保存。 堆在虚拟机启动时便建立。堆中被各种对象占用的空间由自动存储器管理 系统( a u t o m a t i cs t o r a g em a n a g e m e n ts y s t e m ) 即垃圾收集器( g a r b a g ec o l l e c t o r ) 回收，因此对象从不需要在程序中显式地释放。j v m 规范并没有规定使用何种 自动存储器管理系统，j v m 的实现者可以根据具体的系统要求自行选择使用何 种存储管理技术。 j v m 堆可以是固定大小的，也可以根据堆分配需要扩展，或者在不再需要 那么大的堆空间时收缩。与运行栈类似，堆空间不需要是连续的。 j v m 实现可以向程序员和用户提供控制堆初始大小的接口；对于可动态改 变大小的堆实现，可以提供控制堆大小的最大值和最小值的接口。 以下运行时异常与堆大小有关： 如果j v m 运行时对堆的分配请求超过了自动存储器管理系统所能提供 的最大堆空间，则会抛出o u t o f m e m o r y e r r o r 异常。 2 3 4 方法区 方法区( m e t h o da r e a ) 是全局数据区，为所有线程所共享。方法区类似于 传统语言程序编译后的代码存储区，相当于通常编译器生成的“t e x t ”段。它存 储与类关联的各种数据结构，例如常数池、域和方法的定义等。 方法区在j v m 启动时创建。j v m 规范没有规定方法区的位置与管理策略， j v m 的具体实现可以将方法区建立在堆中以动态管理，也可以将方法区单独建 立。方法区的大小可以是固定的，也可以根据需要扩展或收缩。同样，方法区的 空间也不需要是连续的。 以下运行时异常与方法区有关： 如果j v m 运行时对方法区的分配请求超过了系统所能提供的最大能 力，则会抛出o u t o f m e m o r y e r r o r 异常。 1 0 华东师范人学硕士学位论文嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 2 3 5 常数池 常数池( c o n s t a n tp 0 0 1 ) 是每个类或接口的c l a s s 文件中c o n s t a n t 表的pool 运行时表示，其功能类似于传统语言程序的符号表和常数段“r d a t a ”。它包含了 几种常数类型，有程序中的常数、字符串、对方法和域的引用等等。其中一些常 数在编译期间便确定了，建立常数池时只需简单地从c l a s s 文件中拷贝；另一些 常数( 如各种引用) 需要在运行时才能确定，因此要在装载类的时候进行解析方 能生成该常数的运行时表示。 常数池一般都从方法区中分配。类和接口的常数池在该类或接口的c l a s s 文 件被j v m 成功装载时建立。 以下运行时异常与常数池有关： 如果j v m 建立常数池时对方法区的分配请求超过了系统所能提供的最 大能力，则会抛出o u t o f m e m o r y e r r o r 异常。 另外，在常数解析的过程中也可能抛出其它类型的异常。 2 3 6 本地方法栈 j v m 线程除了使用j a v a 的运行栈外，还可以使用本地方法栈来支持本地方 法。本地方法栈是传统的栈实现，依赖于所用的硬件平台，也叫做“c 运行栈”。 本地方法栈也可用于支持j v m 本身的运行。对于既不支持本地方法也不依赖传 统栈运行的j v m 实现可以不建立本地方法栈；否则，j v m 通常在每个线程建立 时单独为其分配本地方法栈。 本地方法栈的大小可以是固定的，也可以根据需要扩展或收缩。根据传统 栈的实现，本地方法栈通常需要连续的存储空间。 以下运行时异常与本地方法栈有关： 如果线程运行时对本地方法栈的使用超过了指定的栈大小( 对于固定大 小的栈) ，或者栈所被允许扩展的最大大小( 对于可动态改变大小的栈) ， 则j v m 抛出s t a c k o v e r f l o w e r r o r 异常； 对于大小动态变化的栈，如果需要扩展栈却没有足够的存储器空间来实 现这一扩展，或者在建立新线程时没有足够的存储器空间来为其建立新 的本地方法栈时，j v m 会抛出o u t o f m e m o r y e r r o r 异常。 值得注意的是，j v m 的具体实现可能不会去检测本地方法栈是否溢出，此 时j v m 不会抛出s t a c k o v e r f l o w e r r o r 异常，但本地方法的设计者需要小心避免 该栈的溢出，以免导致整个j v m 的崩溃。 1 1 华东师范人学硕士学位论文 嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 2 4 运行栈帧 栈帧( s t a c kf r a m e ) 保存了程序局部变量、中间运算结果，并参与方法的调 用与返回以及发生异常时进行回溯。 每次一个j a v a 方法被调用时，j v l v l 都会在当前线程运行栈的栈顶建立一个 新的栈帧；当该方法结束运行时，无论是正常结束还是非正常结束( 抛出一个未 捕获的异常) ，框架均被删除。每个栈帧都有一个局部变量集和一个操作数栈， 同时也包括一个对当前方法所在的类及其常数池的引用。 局部变量集和操作数栈的大小在j a v a 程序编译期间就确定了，因此一个栈 帧的具体大小仅仅取决于j v m 的实现。 在任何时刻，一个线程中只有一个栈帧是活跃的，即正在执行的方法对应 的栈帧。该栈帧被称为当前栈帧( c u r r e n tf r a m e ) ，该方法被称为当前方法( c u r r e n t m e t h o d ) ，而该方法所属的类被称为当前类( c u r r e n tc l a s s ) 。对局部变量和操作数 栈的任何操作一般都是针对当前帧的。 如果当前方法调用了另一个方法或者结束运行，它对应的栈帧就不再是当 前帧了。如果是调用另一个方法，那么随之新建立的栈帧将成为当前帧；如果是 当前方法结束运行，那么当前帧被删除，返回后上一级栈帧将成为新的当前帧。 最后，栈帧是一个线程私有的数据结构，无法被其它线程访问。 2 4 1 局部变量 每个栈帧都包含有用于存放局部变量的数组，其大小在编译期间确定。该 数组的元素为字，即每个局部变量都是一个字大小，因此l o n g 和d o u b l e 类型的 值要占用两命局部变量，其它类型的值则占用一个。 局部变量通过从0 开始的整数索引值寻址，最大的索引值为局部变量的个 数减1 。 l o n g 和d o u b l e 类型的值占用相邻的两个索引值i 和i + 1 ，并且该值只能通过 较小的索引值i 来寻址，此时引用局部变量i + 1 是无意义的。这里j v m 并不要 求j 为偶数，所以对于6 4 位的j v m 实现，不能保证l o n g 和d o u b l e 类型的局部 变量值是按6 4 位的存储器边界对齐的，j v m 实现者需要自行决定该如何解决这 个问题。 另外在方法调用时，j v m 通过局部变量来传递参数。对于类方法( c l a s s m e t h o d ) ，j v m 将在方法调用时将参数按顺序存放在从索引值0 开始的连续的局 部变量中；对于实例方法( i n s t a n c em e t h o d ) ，参数是从索引值1 开始存放的，而 华东师范大学硕士学位论文嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 索引值为0 的局部变量则存放了被调用方法的对象的指针( 即j a v a 语言中的t h i s 指针) 。 2 4 2 操作数栈 每个栈帧都包含一个后进先出( l i f o ) 结构的操作数栈，该栈的最大深度 在编译期间确定。 在栈帧建立时，其操作数栈是空的。有些i v m 指令可以向操作数栈压入常 数，或者将局部变量或域中的值压入操作数栈。而另一些j v m 指令则先从栈中 弹出操作数，对它们进行操作，再将结果压回栈中。操作数栈也被用于向被调用 的方法传递参数并接收其返回结果。 例如i a d d 指令的功能是将两个i n t 类型的值相加，它要求操作数是被之前的 指令压入栈顶的两个i n t 值。i a d d 执行时，先弹出栈顶的两个操作数，将其相加， 再将两数之和压回栈顶，这个结果又会被后续的指令作为操作数。 由于后进先出的栈结构，编译器很容易按后缀表达式( 又称波兰表达式或 华沙表达式) 的顺序来安排j v m 指令以完成对j a v a 表达式的计算。 操作数栈的每一项都是一个字大小，l o n g 和d o u b l e 类型的值被作为两个字 压入操作数栈。与局部变量类似，不能保证操作数栈中的l o n g 值和d o u b l e 值是 按6 4 位的存储器边界对齐的。 操作数栈中的值必须用与它们的类型相称的方法进行操作。例如，压入两 个f l o a t 值后将其当成一个l o n g 值进行操作，或者用i a d d 指令将它们相加都是不 合适的。 2 5c l a s s 文件结构 每个c l a s s 文件都描述了一个j a v a 类或接口，由j a v a 编译器生成，j v m 要 求能够读懂c l a s s 文件。 c l a s s 文件是由一个8 位字节流组成的，所有的1 6 位、3 2 位和6 4 位数据分 别由2 个、4 个或8 个连续的字节组成。多字节数据总是按照大端( b i g - e n d i a n ) 顺序存放，即高位字节在前。 本节定义的c l a s s 文件中的数据结构，用类型u 1 、u 2 和u 4 分别表示无符号 的1 、2 或4 字节数据。 c l a s s 文件格式用类似c 语言结构体的伪结构记号表示，每一项之间不允许 插入任何填充字段，即没有任何数据对齐存在。 1 3 华东师范人学硕士学位论文 嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 2 5 1c l a s s f i l e 结构 c l a s s 文件可由一个c l a s s f i l e 结构表示： c l a s s f i l e u 4m a g i c ； u 2m i n o r _ v e r s i o n ； u 2m a j o r _ v e r s i o n ； u 2c o n s t a n t _ p o o l _ c o u n t ； c p _ i n f oc o n s t a n t _ i x x f l c o n s t a n t _ l x o l _ c o u n t 一1 】； u 2a c c e s s _ f l a g s ； u 2t h i s _ c l a s s ； u 2s u p e r _ c l a s s ； u 2i n t e r f a c e s _ c o u n t ； u 2i n t e r f a c e s i n t e r f ；i c e s _ c o u n t ； u 2f i e l d s _ c o u n t ； f i e l d _ i n f of i e l d s f i e l d s _ c o u n t ； u 2m e t h o d s _ c o u n t ； m e t h o d _ i n f om e t h o d s m e t h o d s _ c o u n t ； u 2a t t r i b u t e s _ c o u n t ； a t t r i b u t ei n f oa t t r i b u t e s a t t r i b u t e s _ c o u n t ； ) ； m a g i c 的值总是0 x c a f e b a b e ，用于标识一个合法的c l a s s 类型文件。 m i n o rv e r s i o n 、m a j o rv e r s i o n 分别存放了该c l a s s 文件的副版本号和主 版本号，j v m 的实现可以通过检测c l a s s 文件的版本号来判断是否能够 支持该c l a s s 文件所描述的特性，如果版本号大于j v m 所支持的范围， 则会拒绝装入或执行该c l a s s 文件的内容。版本号的值与j d k 的版本相 对应，并且只有s u n 才能定义新的版本号。 c o n s t a n t _ i x 帕lc o u n t 的值为常数池中的条目数量加1 ，即c o n s t a n t _ l x m l 数组中的元素个数加1 。 c o n s t a n t9 0 0 l ，c l a s s 文件的常数池，是一个不定长的数组类型，元素个 数为c o n s t a n t _ p o o l _ c o u n t 1 。c o n s t a n t _ p o o l 是从1 丌始索引的，合法的 索引范围为1 到c o n s t a n t _ p o o l _ c o u n t 1 。索引值0 用于表示空索引，有 特殊用途。 a c e e s s _ _ f l a g s 描述了该类或接口的访问属性，包括p u b l i c 、f i n a l 、a b s t r a c t 1 4 华东师范人学硕士学位论文嵌入式j a v a 虚拟机的研究与实现 等。每个属性由其中一位表示，因此多个属性可以组合。另外，其中有