（计算机应用技术专业论文）java嵌入式虚拟机的优化与研究.pdf

摘要 通过对k v m 中关键技术的研究，基于内存管理方面的不足，本文提出了适合k v m 的一种优化算法。 首先，本文对嵌入式和嵌入式j a v a 进行简单的概述介绍，分析嵌入式的特点、应 用和发展趋势，以及j a v a 虚拟机的体系结构；然后，阐述k v m 的其本概念，深入分析 k v m 的体系结构，包括内部结构、多线程和同步、控解释器、内存管理，并通过分析基 本算法和性能的比较，分析内存管理的不足，提出一种动态抢占优先级的垃圾回收算 法优化k v m 。最后，分析测试数据，说明采用此优化算法后的好处，并给出不足和需要 改进的地方。 关键词：嵌入式 k y m动态优先级 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sd e v o t e dt oa l li n d e p t hr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yo fk v ma n d p r o p o s e da no p t i m i z i n ga l g o r i s mw h i c hb a s e d o nt h em e m o r ym a n a g e m e n t f i r s t ，ab r i e fi n t r o d u c t i o n ，w h i c hi n c l u d e sa n a l y s i so f c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n t t r e n do fe m b e d d e ds y s t e m ，w a sm a d e t h e nj a v av i r t u lm a c h i n ew e r ed i s c u s s e d s e c o n d ，t h e t h e s i si n t r o d u c e st h e c o n c e p t a n dt h e s y s t e m s t r u c t u r eo fk v m ，w h i c ha l e i l l u m i n a t e d ，n a m e l y , t h e s t r u c t u r eo fi n s i d e j a v av i r t u a l m a c h i n e ，m u l t i t h r e a d sa n d s y n c h r o n i z a t i o n ，a n d d e t a i l so ft h e i m p l e m e n t a t i o no f t h ei n t e r p r e t e ra n dm e m o r y m a n a g e m e n t t h r o u g ha n a l y z i n gt h ek v m ，c o m p a r i n gt h ep o p u l a ra l g o r i s m s ，w ep r o p o s e d a no p t i m i z i n ga l g o r i s mw h i c hb a s e do nt h em e m o r ym a n a g e m e n t f i n a l l y , d i s c u s st h e s t r o n g p o i n ta n ds h o r t c o m i n go ft h eo p t i m i z i n ga l g o r i s mb a s e do nt h er e s u l to ft e s t k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m k v n d y n a m i op ri o ri t y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文， ( j a v a 嵌入式虚拟机的优化与研究是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 储懿：勉噜哗玉月埠日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名： 指导导师签名： 年土月坞日 年月玛日 1 。1 论文研究目的与意义 第一章绪论弟一早硒比 对于嵌入式系统来说，j a v a 技术比c 语言和汇编语言具有很明显的优越性，可主 要归纳为以下几点： 第一，j a v a 具有跨平台性。“一次编写，到处运行”的特点使其十分适合在硬件与 操作系统平台差异较大的嵌入式系统上进行计算，不仅可以节省大量资源，同时也可 以保证软件的可复用性。 第二，适合网络应用。j a v a 具有完备的网络编程接口，例如，s o c k e t 和s t r e a m 、 u r l 以及通过网络的类加载技术等。利用这些接口，不但可以快速开发出应用程序而且 提高了安全性。 第三，极佳的安全性。j a v a 具有多个层次的安全防护措施，可以阻挡病毒与其它 的入侵行为，以避免造成j a v a 系统内的不稳定，提高了嵌入式系统的可靠性。 第四，容易编写应用程序。除了具备面向对象的特性外，j a v a 语言是简化c + + 的 语言，编写应用程序不需要实际去了解硬件平台与操作系统，可以缩短嵌入式系统的 开发周期。 尽管j a v a 嵌入式的优点毋庸置疑，但也存在着种种限制，系统开销过大，内存占 用，缺乏硬件直接接口能力等。j a v a 虚拟机解释执行j a v a 字节码的工作方式保证了 j a v a 的“w r i t eo n c e ，r u na n y w h e r e ”的移植性，却也使得j a v a 的运行速度大打折 扣。完成同样的计算任务，j a v a 在解释执行时的性能只相当于c 语言的1 1 0 至 1 2 0 。最近几年，随着多种性能优化技术在j a v a 虚拟机中的应用，j a v a 应用的运 行程度有了很大的提高，j a v a 语言终于在服务器市场站稳了脚跟。然而嵌入式平台又 给j a v a 应用加速提出了新的问题。嵌入式设备，特别是移动通信类设备，一般只具 备相当有限的计算能力和存储能力，这些情况都大大制约了现行的复杂的优化技术在 嵌入式设备上的应用乜1 。因此，研究高效的基于j a v a 开发嵌入式应用的方法越来越有 必要和意义。 国际上对嵌入式j a v a 虚拟机性能优化的研究工作在近几年才开始发展，国内在 这方面的研究工作则几乎是一片空白。对嵌入式j a v a 虚拟机性能优化的研究工作将 具有很大的实用价值。“。 本文通过对嵌入式j a v a 虚拟机k v m 进行研究和分析，结合k v m 现行垃圾收集算法 和k v m 在小型设备应用环境的状况，提出动态抢占优先级的垃圾收集算法，避免垃圾 收集过程中出现的停顿现象，提高内存空间的使用效率。 1 2 论文研究现状 自从s u n 公司1 9 9 5 年5 月发布j a v a 以来，在短短几年时间，j a v a 己风靡全球， 成为最热门的程序设计语言之一。由于j a v a 具有的诸多优点受到了嵌入式领域的青睐， 得到了大量的研究与开发应用，并一直呈逐渐上升的趋势，其应用和研究范围覆盖面 极广，主要涵盖了以下领域超级计算领域，如： 1 超级计算机领域，如j p v m ( j a v ap a r a l l e lv i r t u a lm a c h i n e ) 、p r i m ( p a r a l l e l j a v av i r t u a lm a c h i n e ) 、j a v ag r a n d 等； 2 企业计算领域，如j 2 e e 、g r i d 、w e bs e r v i c e 等； 3 嵌入式计算领域，如p e r s o n a lj a v a 、e m b e d d e dj a v a 和c a r dj a v a 等。 在嵌入式j a v a 中，k v m 在其体系结构中处于的核心地位，在很大程度上决定了嵌 入式j a v a 技术的未来应用前景。虽然k v m 作为s u n 的参考实现最经常被提到，不过并 不等于一定要用k v m 。其它公司的虚拟机只要满足相应的c o n f i u r a t i o n 里的定义，通 过兼容性测试，一样可以作为c o n f i u r a t i o n 的虚拟机。i b mw e bs p h e r em i c r o e n v i r o n m e n t 己经通过了“j a v ap o w e r e d t m 认证，其中j 9 虚拟在相当多的平台上通 过了j 2 m e 兼容性测试h 1 。 目前，国外己经有采用多种不同方式实现的j a v a 虚拟机，以下是比较有代表的一 些j a v a 虚拟机的实现： s u nh o t s p o tv m l 4 2 是公司提供的针对平台j 2 s e 的虚拟机，其执行方式采用自 适应优化的方式，垃圾收集算法采用分代式收集算法，在新分代和老分代上提供了多 种算法以适应不同应用的需要凸1 。在j 2 m e 环境中，s u n 公司提供了两个虚拟机c v m 和 k v m 。c v m 是s u n 公司针对c d c 提供的虚拟机实现。它采用解释执行方式，提供了三个 垃圾收集算法，即标记清除算法、拷贝算法和一个分代式收集算法。k v m 是s u n 针对c l d c 提供的虚拟机实现。k v m 采用解释执行，其垃圾收集算法为基本的标记清除算法，它的 特点是虚拟机运行时占用的内存较少，适合于内存极小的嵌入式设备1 。 j i k e sr v m 是由i b m 公司开发的用于研究性质的开放源代码的j a v a 虚拟机，该虚 拟机的特点是j a v a 虚拟机本身采用了j a v a 语言来实现，它提供了一个良好的垃圾收 集模块的接口一一垃圾收集工具集( g a r b a g ec o l l e c t o rt o o l k i t s ，g c t k ) h 1 。 s a b l e v m1 o 9 是m a g il l 大学计算机系的一个研究性质的开放源代码的j v m 虚拟 机实现，采用的垃圾收集算法是精确的拷贝算法，解释执行字节码旧1 。 k a f f e l 0 7 是一个开放源代码的j a v a 虚拟机实现，它支持的平台较多，垃圾收 集机制采用了一个不分代的保守的标记清除算法，并提供了一个j i t 的编译器和一个 解释器旧】。 在国内，北京科银京成技术有限公司是第一家成功推出嵌入式j a v a 虚拟机平台 的，其产品为d e lt a k v m 。这是一个完整的j 2 m e c l d c 在科银京成的嵌入式实时操作系 统d e lt a o s 上的实现，与c l d c 的标准规范完全兼容，是目前国内比较优秀的一种嵌入 2 式虚拟机，已经在t e l 、波导、n e c 、神达等手机厂家中得到广泛应用n 训。 以上列举出的虚拟机，适合嵌入式设备应用环境的目前只有s u n 公司的c v m 和k v m 以及k a f f e ，而这些适用于嵌入式设备的j a v a 虚拟机所使用的垃圾收集算法几乎都是 基本的标记清除算法。虽然基本的标记清除算法与引用计数算法和拷贝算法相比更适 合嵌入式设备应用环境，但此算法的思想还是有个很大的局限性，即不具有实时性。 1 3 论文主要内容 本文对嵌入式j a v a 虚拟机相关技术进行探讨，主要研究内容如下： 深入分析了嵌入式j a v a 虚拟机所涉及到的技术，主要包括虚拟机的体系结构、嵌 入式j a v a 运行模式与环境等。详细研究嵌入式j a v a 虚拟机的体系结构，重点分析嵌 入式j a v a 虚拟机中内存管理中的不足。 对嵌入式j a v a 虚拟机的三种传统垃圾收集优化方法进行详细讨论，包括引用计数 法、标记清除法、拷贝法。重点研究了各个算法应用到嵌入式系统的利弊，结合一些 优化算法的优点，在增量式标记算法的基础上做出改进，引入对象分类和实时性，提 出一种动态抢占优先级的垃圾收集算法。 1 4 论文的组织 本文共分五章，各章概况如下： 第一章，绪论。介绍论文研究的目的和意义，国内外研究现状，以及论文研究的 主要内容。 第二章，嵌入式j a v a 研究。介绍j a v a 虚拟机的体系结构与嵌入式j a v a 的应用模 型与环境，引入嵌入式j a v a 虚拟机k v m 的概念，比较j v m 和k v m 的不同，并简述k v m 的四大子系统。 第三章，k v m 的体系结构。分章节研究k v m 的体系结构，分析其工作机制和在嵌 入式j a v a 虚拟机中的作用。重点研究内存管理系统，分析其管理方式，并阐述内存管 理中的垃圾回收机制。 第四章，嵌入式j a v a 虚拟机的性能分析与优化。通过k v m 性能分析，比较三种的 传统垃圾收集算法，对现有的改进算法进行分析，引入对象分类和实时性，提出一种 动态抢占优先级的策略来优化嵌入式j a v a 虚拟机。 第五章，优化算法性能分析与比较。通过对算法的实践分析，对产生的数据进行 分析，验证优化后的算法的可行性。 最后，结论。总结了论文中提出的算法优点以及可改进之处，并展望了可进行的 一些后续研究。 3 2 1 j a v a 虚拟机 2 1 1j a v a 虚拟机 第二章嵌入式j a v a 研究 j a v a 的目标代码在执行时需要有j a v a 运行系统的支持，虽然j a v a 运行系统被 建立在各种不同的平台上，但为了支持j a v a 的可移植性，它们的功能要求是统一的， 为此j a v a 引入了j a v a 虚拟机( j v m ) 的概念。从概念上看，j a v a 虚拟机是一个虚 拟的、能运行j a v a 字节码的操作平台，它实际上是一组有关指令系统、字节码格式 等的规格说明。j a v a 虚拟机是j a v a 技术的核心，只要j a v a 程序正在执行，j 也 必定正在执行。其规范定义了每一个j w 必须具有的功能，但是对于每一种应用的设 计者，它都会给予几乎无限制的自由n 。例如，每一个j v m 都可以使用任何技术去执 行j a v a 字节代码。在j a v a 语言刚刚推出的一段时间里，j a v a 虚拟机都是通过软件 仿真的方法实现的，而后出现了用硬件实现的j a v a 虚拟机，例如s u n 公司推出的专 门为j a v a 而优化设计的处理器产品：p i c oj a v a ，m i c r oj a v a ，u l t r aj a v a 等。这 种灵活性意在使j v m 可在各种计算机和嵌入式设备上实现。当然，目前大多数的j a v a 虚拟机还是用软件方法实现的。在最上层，j v m 的主要目的是装载j a v a 类文件并执 行它们1 2 】。 2 1 2j a v a 虚拟机的体系结构 j a v a 虚拟机的体系结构包括支持的数据类型、j a v a 的虚拟机寄存器、j a v a 的栈 框架、j a v a 虚拟机垃圾回收堆、j a v a 的本地方法栈、j a v a 的虚拟机存储区、j a v a 指 令集等n 引。如图2 1 所示： 4 图2 1j a v a 虚拟机( j v m ) 的体系结构 1 j a v a 虚拟机的数据类型。j 直接支持j a v a 语言的基本数据类型，包括 i n t 、l o n g 、f l o a t 、d o u b l e 、b y t e 、s h o r t 和c h a r 。它们的定义是独立于具体平台的， 这为j a v a 程序的可移植性打下了基础。几乎所有的数据类型校验都在编译时完成。 基本数据类型的数据无需标识，而是由j a v a 的指令系统按照数据类型不同而选用不 同的指令。例如加法运算，就有针对i n t 的i a d d 指令，针对l o n g 的1 a d d 指令， 这样就减轻了解释器的负担，达到更高的运行效率。另外，在j a v a 语法定义中有 b o o l e a n 型数据，而虚拟机数据类型中没有b o o l e a n 型，在实现中是用i n t 型来代 表单个b o o l e a n 变量，用b y t e 数组来代表b o o l e a n 数组。其他的数据类型还有： o b j e c t 3 2 b i t j a v a 对象实例的引用 r e t u r n a d d r e s s3 2 b i t 在j s r r e t j s r _ w 等指令中使用 这样定义使得无需为对象实例定义任何特殊的内部结构，对象实例的引用包括两 个指针：一个指向该对象实例的方法表；另一个指向为该对象分配的数据。 2 j a v a 的虚拟机寄存器。由于在各种计算机体系结构中，寄存器的设置千差万 别，所以j a v a 虚拟机只设置了四个寄存器( 3 2 位) ，这四个寄存器是程序计数器p c ， 栈顶指针o p t o p 、用于指向当前执行方法的运行环境的指针f r a m e 和用于指向当前执 行方法的局部变量的指针v a r s 。虚拟机在任何时候都是在执行一个单独方法的代码， p c 寄存器包含下个要执行的字节码的地址。局部变量和操作数栈的大小在编译时就 可以得到，运行环境结构的大小由解释器提供，因此为方法分配存储器空间是很方便 的。 3 j a v a 的栈框架。作为基于栈结构的计算机，j a v a 栈是虚拟机中存储信息的主 要方法。虚拟机得到一个j a v a 代码应用后，就为该代码的类中的每个方法创建一个 栈框架，以保存该方法的状态信息。 4 j a v a 虚拟机垃圾回收堆。j a v a 中类的实例所需的存储空间都是在堆上分配 的，解释器负责为实例分配空间。j a v a 语言中用n e w 语句申请分配内存，在完成分 配之后，就开始对空间的使用情况进行追踪记录，一旦对象使用完毕，就自动将其收 回堆中。对内存进行释放和回收方案依赖于特定的解释器及平台，例如s u n 的h o t j a v a 就是利用了一个低优先级的线程进行跟踪的后台处理。 5 j a v a 的虚拟机存储区。在j a v a 的虚拟机中有两类存储区：常量缓冲区 ( c o n s t a n tp o o la r e a ) 和方法区( m e t h o da r e a ) 。常量缓冲区用于存放类名称，方 法，字段名及串常量；方法区用于存储j a v a 方法的字节码以及字符表。这两种存储 区的具体实现在虚拟机中没有明确定义，依赖于特定的解释器。 6 j a v a 的本地方法栈。j a v a 虚拟机的实现可以使用传统的栈，通俗地称为“c 栈”，来支持n a t i v e 方法，这些方法是用非j a v a 语言编写的。j a v a 虚拟机规范允 许本地方法栈固定大小或者动态可变大小。通常，本地方法栈在每个线程被创建时分 配在每个线程基础上。 7 j a v a 虚拟机的指令集。j a v a 虚拟机的指令集看起来和真正的c p u 指令相仿， 包含了典型的数学计算、流程控制、数组存取等指令。j a v a 虚拟机是堆栈式的虚拟c p u ， 不用寄存器，而是用编号的“局部变量来存放运算结果。一般来说，此指令集很象 一般c p u 的指令集，但实际上，j a v a 虚拟机的某些指令甚至比真实世界的c p u ( 比 方说p e n t i u m 、p o w e r p c ) 指令复杂得多，因为j a v a 虚拟机的指令集包含了面向对象 的概念，是比较高级的指令集n 引。 2 2 嵌入式 2 2 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统定义比较多，常用的定义为n 5 1 ： 1 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适用于 对系统功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 2 嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指埋藏在宿主设备中的微处理机系 统，此类计算机一般不会被设备的使用者注意，亦称埋藏式计算机，如微控制器、微 处理器和d s p 等。内部装有这种计算机的系统性能强、反应速度快、自动化程度高， 用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。用户不需知道装置内计算机的存在， 一般不能被用户编程，它有一些专用的i o 设备，对用户的接口是与应用相关的。 6 2 2 2 嵌入式系统的特点 1 嵌入对象的广泛性。由于科学技术的发展，特别是微电子技术的飞速发展和变 化，目前，几乎一切系统或设备都可以采用嵌入式计算技术来控制，过去很多想做的 而又无法实现的工作现在可以由嵌入式系统来完成了。从日常生活中使用的洗衣机， 要实现全套洗衣流程的自动控制操作，到提高国防力量的导弹，要实现全程自动寻找 目标并实施攻击控制，无一能离开嵌入式系统。 2 嵌入形式的多样性。嵌入式技术得到了广泛应用，但各种系统或设备对嵌入式 计算机的性能，功能、规模要求是绝对不同的。这种差异势必造成嵌入式系统有其相 应的多样形式。从目前看，在日常生活设备中有大量的单片形式的嵌入式系统，在工 业中和军事系统设备中、有无数的单板嵌入形式和整机形式的嵌入式系统。在大型系 统中，甚至还有以计算机系统形式存在的嵌入式系统。 3 嵌入作用关键性。今天，计算机已被人们美誉为“电脑，可见计算机能力和 作用的重要性。尽管嵌入式系统是从应用配套而逐步进入系统和设备的，但一旦进入 后，它就在新系统或新设备中承担许多自动控制的处理任务。因此新系统或者设备对 其依赖性越来越大，已经不再是可有可无的部分，而是上升到关键部分，可见嵌入式 的关键性作用毋庸置疑。 4 嵌入功能的专一性。由于嵌入式系统需完成的任务和需达到的性能指标十分明 确，功能目标也十分清楚，因此，嵌入式系统通常并不需要顾及其它功能，多余的功 能和过高的技术指标是毫无意义的，有时甚至是有害的，所以说嵌入式系统的功能是 十分专一的。 5 嵌入接口的多样性。尽管每种嵌入式系统i o 接口的性质、规格和数量都是 固定的，但由于应用中涉及到各行各业，所以要处理的接收信号和发出的控制信号是 多种多样的，例如：指导飞行器的陀螺信号，无线通信各种波长信号，雷达接收信号， 电机、马达、发动机等信号。在这些信号中，包括有：数字信号、模拟信号、高电压 大电流信号、低电压4 , 电流信号、连续式信号、间断式和突发性信号等，要求嵌入式 系统设有多种类型接口，它们决非如通用计算机制定的有限几个规范所能全部包含的， 也决非单靠嵌入式计算机厂商所能全部解决的。 6 嵌入性能的实时性。嵌入式系统在接收到规定信号后，必须在有限的时间内完 成确定的工作任务，这是区别于其它计算机的一个十分重要的特点，也是嵌入式系统 设计所必须考虑的主要问题，它不但涉及硬件体系结构、包括c p u 速度、内存访问速 度、总线速度及中断机制等硬件问题，还涉及软件的中断管理和任务调度策略，包括 调度算法、调度频率和调度时机等。 7 嵌入结构匹配性。通用计算机是以计算机为核心，按计算机本身的需求而设计 其结构，而嵌入式系统是以被嵌入的系统或设备为核心，按系统或设备的约束条件而 设计其结构的。不与系统或设备相匹配的嵌入式系统是没有出路的，要求其体积、重 量，还包括允许的功耗等因素符合宿主系统的要求。 8 嵌入操作的可靠性。嵌入式系统是被隐藏在系统或设备中的，不少系统或设备 用户很难直接与嵌入式计算机接触，有的甚至在工作时，人根本无法直接进行控制， 如：宇航设备上的嵌入式计算机，一旦发射、就完全独立于人的控制。因此，嵌入式 系统的可靠性是一个非常重要的因素。 9 嵌入环境的一致性。嵌入式系统必须同设备的使用环境保持一致，嵌入到日常 生活中的系统或设备，大多不必进行环境适应性加固措施。如果不考虑应用环境，使 用加固的嵌入式计算机，由于成本的提高，体积的增大，它必定也是没有生命力的。 反之，嵌入到恶劣环境中的工业和军事方面的系统或设备，那就必须进行针对性的合 适级别的环境适应性加固措施。如果有不予理会的想法，它在某些环境条件下不能工 作或不能稳定工作，最后也必会被系统否定。 1 0 嵌入产品开发周期短、生命周期长。因为嵌入式系统往往和具体应用有机地 结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入 市场，具有较长的生命周期n 6 】。 2 3 嵌入式j a v a 2 3 1 嵌入式应用模型 目前，在嵌入式系统中运行一个完整的项目是不现实的。首先，j a v a 不包括直接 访问内存和寄存器的机制，所以需要设备驱动以及其它由c c + + 或者汇编语言写成的支 持软件，这些支持软件可能被j a v a 程序所调用也可能作为一个线程与j a v a 运行环境 并行运行n 7 l 。 在准备j a v a 应用系统之前，考虑j a v a 的应用模型使其适合于整个应用的体系结 构是非常重要的。目前，针对于嵌入式系统的j a v a 应用模型主要是以下四类，n oj a v a ， 嵌入式w e b 服务器，嵌入式a p p l e t ，嵌入式a p p l i c a t i o n 。这四个应用模型根据字节 码的位置、字节码所运行的处理器，这两个变量来区分，每个变量可以取值t a r g e t 或 者h o s t ，t a r g e t 指所在的嵌入式系统，h o s t 指连接嵌入式系统的计算机n8 1 。如图2 2 所示： 8 ll i h o s tii h 0 s tll h o s tiih o 吼i i “ l i a v a i t a v a j- 一， l j二jir w b r k s t a t i o nw o r k s t a t i o nw b r k s t a t i cn w b r k s t a t i o n 1r 曰u t a r g e t i - f 1 卧f - 臼者筌 t a r r g e t ，e 一1 ul j j a v a n o j a v a 嵌入式嵌入式 嵌入式 w e b 服务器 a p p l e ta p p l i c a t i o n 图2 2 嵌入式j a v a 应用模型 n oj a v a 包括所有的字节码在本机存储并且在h o s t 上执行的方案，虽然使用了 j a v a ，但不是在嵌入式系统上运行。 嵌入式w e b 服务器应用模型中，j a v a 字节码在目标嵌入式f l a s h 系统的存储器或 者r o m 中存储，但是在h o s t 上执行。这种模型对于需要图形接口的嵌入式系统非常有 用。在h o s t 上运行的w e b 浏览器执行从嵌入式系统中下载的字节码。除了字节码，这 种方案中的嵌入式系统必须存储至少一个h t m l 文件，并在嵌入式系统中运行嵌入式 w e b 服务器软件。因为j a v a 不在嵌入式系统中运行，所以无需j a v a 运行环境。 在嵌入式a p p l e t 和嵌入式a p p l i c a t i o n 模型中，j a v a 字节码真正在嵌入式系统 中运行，所以需要嵌入式j a v a 运行环境。在嵌入式a p p l e t 模型中，j a v a 字节码在h o s t 工作站中存储，通过网络发送到嵌入式系统，由嵌入式系统执行字节码并将结果发回 到h o s t 。嵌入式a p p l e t 能被用于执行网络管理的功能比如代替s n m p ( s i m p l en e t w o r k m a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 。 在嵌入式a p p l i c a t i o n 模型中，嵌入式软件或者全部或者部分的用j a v a 开发，j a v a 字节码存储在非易失存储器中，并且在嵌入式运行环境中执行。这种运行方式与在嵌 入式系统中执行c c + + 相似，本地代码由处理器取指令并且执行。因为j a v a 没有直接 访问硬件的能力，它仍然必须依赖于由c c + + 写的本地方法，这与使用汇编语言来完成 平台相关的任务相似。 2 3 2 嵌入式j a v a 虚拟机的实现 s u n 公司在虚拟机规范中没有对功能的实现做具体规定，因此可以在不同平台上 灵活实现j a v a 虚拟机。嵌入式系统中j a v a 虚拟机实现包括软件实现方法和硬件实现 方法，现有的实现主要有三种方式，解释执行，即时编译，j a v a 微处理器系统n 引。 1 解释执行。最早出现的软件实现方法是采用解释器作为虚拟机的核心，由软件 9 逐条解释字节码。虽然实现简单、占用资源少，但由于解释执行速度太慢，不能提供 较好j a v a 的性能，因而无法得到较大范围的应用。 2 即时编译技术j i t ( j u s t i n t i m ec o m p i l i n g ) 。通过动态翻译技术，把将要 调用的方法编译成本地机器代码，并保存在内存中，当该方法再次被使用时，就可以 直接执行编译后的代码。采用j i t 技术可以大大提高j a v a 执行速度，但是它将以付出 内存资源为代价，一个高级的j i t 运行时需要大约上兆的内存资源，这一问题无疑大 大影响了它在嵌入式系统中的应用。 3 j a v a 微处理器系统。随着j a v a 技术的普遍使用及网络化程度的进一步提高， 为了给资源受限的嵌入式系统提供较高的j a v a 性能，用硬件支持j a v a 程序的运行是 另外一种选择，出现了多种j a v a 微处理器系统，它包括能直接执行j a v a 虚拟机指令 的微处理器芯片和相关的操作系统。 2 3 3 嵌入式运行环境 1 9 9 9 年1 月，s u n 公司发布了嵌入式j a v a 应用环境规范e j a e ( e m b e d d e dj a v a a p p li c a t i o n e n v i r o n m e n ts p e c i f i c a t i o n ) ，其中对嵌入式环境中运行j a v a 程序应该 具备的j a v a 环境要求如下啪1 ： 1 完全支持j a v a 语言规范中定义的语言； 2 完全支持j a v a 虚拟机规范中定义的虚拟机。 典型的嵌入式运行环境如图2 3 所示： ! 。一一。一。一。1 类库j a v a 线程c c + + 任务 1r j a v a 虚拟机( 有垃圾回收) r 本地方法多任务操作系统 处理器及其他硬件 ： i 图2 3 嵌入式j a v a 运行时环境组成结构图 嵌入式j a v a 运行环境，包括以下几个部分： 1 j a v a 虚拟机。由j a v a 虚拟机将与平台无关的字节码翻译为目标机器的本地代 码，并且完成动态类装载。虚拟机可以以解释执行或者即时编译( j i t ) 的形式运行， 他们之间的差别是字节码执行的速度，j i t 速度快一点，因为它避免了重新编译程序先 l o 前执行过的部分。 2 一个以字节码形式存储的标准的j a v a 类库。如果应用没有引用任何这些类， 那么它不一定需要。在嵌入式应用中，j a v a 类库一般设计为与s u n 的某一个的标准a p i 兼容，比如p e r s o n a lj a v a 或者e m b e d d e dj a v a 。 3 虚拟机和类文件需要的任何本地方法。这些函数用其它一些语言写成，预编译， 并与虚拟机链接在一起。他们主要完成一些与特定处理器相关的功能或者不能直接由 j a v a 执行的功能。 4 一个多任务操作系统。用来提供底层j a v a 线程执行和同步机制。 5 一个垃圾回收线程。回收器周期的运行或者当内存不能满足一个分配需求时启 动。 2 3 4 嵌入式j a v a 虚拟机k v m k v m 的体系结构和通常j v m 基本上是一样的。但k v m 的应用平台主要是比较便宜 的移动设备，要在没有良好的硬件设备上运行基本的技术，它就需要在设计时特别地 考虑内存的使用、执行的时间等。k v m 通常是用c c + + 语言实现的乜。 k v m 在功能上和j v m 相比，也做了很多的裁剪，重要的限制有： 1 对浮点运算的支持：c l d c i 1 ( c o n n e c t e dl i m i t e dd e v i c ec o n f i g u r a t i o n ) 规范中要求支持浮点运算，然而一些硬件平台不支持浮点运算，这就需要k v m 用一些 函数来模拟实现。对各个平台此功能是否启用是可选的； 2 不支持j n i ( j a v an a t i v ei n t e r f a c e ) ，但k v m 实现了自己的本地函数接口k n i ( kn a t i v ei n t e r f a c e ) ，k n i 可以说是轻量级的j n i ； 3 不支持用户定义j a v a t m l e v e l 类加载器，不支持r e f l e c t i o n 功能； 4 有限的错误处理方式，大多数的j a v a 1 a n g e r r o r 都没有支持。 k v m 可以说是j v m 的缩型，但在设计上有更多的限制和考虑，但是这也不是绝对 的，可以视具体的应用环境进行功能上的增减。 从虚拟机设计的角度出发，k v m 的体系结构如图2 4 所示： 类装载器和j a r 加载器校验器 解释器和执行堆栈 编译器 线程系统和线程调度 本地接口内部运行时结构 内存系统和垃圾收集 图2 4k v m 体系结构 由图2 4 所示，可以将k v m 分为四大子系统： 1 内部结构：这部分包括类装载器和j a r 加载器、校验器、本地接口和函数与内 部运行时数据结构； 2 多线程和同步控制：这部分包括k v m 的线程系统和线程调度； 3 解释器：这部分包括解释器和执行堆栈以及编译器( 编译器是可有可无，通常 的k v m 是没有的) ； 4 内存管理系统：这部分包括内存的分配和内存的回谢2 2 1 。 3 1 内部结构 第三章k v m 的体系结构 k v m 内部结构模式如图3 1 所示： 3 1 1 内部运行时数据结构 j a v a 类文件涵盖了文件所定义的类或者接口的所有信息。虚拟机能够解释执行此 类，就必须能够理解类文件，而类文件本身是8 位字节的二进制流，结构很紧凑，各 项的长度不一，若需要从中提取某项信息，就必须从类文件开始扫描，按照类文件的 结构定义进行计算直到找到相应的项心3 。这是件很费时的工作，因此当k v m 装载一个 c l a s s 文件时，就要从这个文件所包含的二进制数据中解析类型信息，建立我们需要的 运行时结构。 1 执行时的i n s t a n c e 结构 k v m 在执行时，基本上是以下面的i n s t a n c e s t r u c t 结构来代表每一个依照某个具 体c l a s s 所创造出来的i n s t a n c e ： s t u c ti n s t a n c e s t r u c t c o m m o n o b j e c t _ i n f o ( i n s t a n c e _ c l a s s ) u n i o n c e l l 幸c e e l p ； c e l lc e l l ； 1 3 ) d a t a 1 】； ) ； 其中c e ll 代表一个大小为3 2 b i t 的数据类型，定义如下： c o m m o n o b j e c t _ i n f o ( i n s t a n c ec l a s s ) 是个m a c r o ，定义如下所示： d e f i n ec o m m o n o b j e c t _ i n f o ( o f c l a s s ) m o n i t o r o r h a s h c o d em h c 而i n s t a n c e c l a s s 则是代表一个指向i n s t a n c e c l a s s s t r u c t 结构的指针，定义如 下： 如果某个c l a s s 创建了一个i n s t a n c e ，那么这个i n s t a n c e 在内存中的表现方式 是以一个i n s t a n c e s t r u c t 结构而存在。i n s t a n c e 与c l a s s 之间是有着所谓的从属关系。 在i n s t a n c e 结构中的o f c l a s s 字段就反映了这种关系，它就是用来记录一个i n s t a n c e 是从属于哪一个c l a s s 的。 在j a v a 中的每一个i n s t a n c e 都属于某种c l a s s ，而属于某种c l a s s 的i n s t a n c e 的行为都是由c l a s s 来定义的，包括可以执行的m e t h o d 有哪些，如何执行那些m e t h o d 以及可以用到的f i e l d 等等。如果在j a v a 可以使用的内存空间中，有个被用来代表某 个i n s t a n c e 的i n s t a n c e s t r u c t 结构的话，可以通过这个结构内的o f c l a s s 字段快速 的找到该i n s t a n c e 所属的c l a s s 。这种从属关系如图3 2 所示： 图3 2i n s t a n c e 与c l a s s 之间的从属关系 结构体中的d a t a 数组是用来存放各自所属的i n s t a n c ev a r i a b l e 值( 包括定义 在所属c l a s s 中的i n s t a n c ev a r i a b l e s ，以及继承自该c l a s s 的s u p e rc l a s s 中的 i n s t a n c ev a r i a b l e s ) 。实际上，这个数组的用途也唯一在这个地方。有了这个数组， 就可以区分出两个不同的i n s t a n c e ，即使它们都从属于某个相同的c l a s s 。d a t a 数 组内部存储方式如图3 3 所示： 1 4 - - 一- _ - - - _ _ - - - - _ - _ - - - - 一一- - 一- - - 一二一- - - - - - - 一- 一- 一- 一- 一一- 一- - 一- - - - - - 图3 3i n s t a n c e s t r u c t 结构中的d a t a 数组内部存储方式 2 执行时的c l a s s 结构 k v m 中c l a s s 运行时的数据结构有两个结构体，分别是c l a s s s t r u c t 和 i n s t a n c e c l a s s s t r u c t ，如图3 4 所示： 图3 4c l a s s s t r u c t 结构和i n s t a n c e c l a s s s t r u c t 结构之间的关系 对一个c l a s s 来说，k v m 在执行时是使用一个i n s t a n c e c l a s s s t r u c t 结构来描述 每一个c l a s s 。所以在k v m 执行时，所有需要用到的c l a s s 都会从对应的j a v a 类中加 载到内存中，并在内存中以一个i n s t a n c e c l a s s s t u c t 结构来代表它。 对于以上的几个结构体之间的关系，i n s t a n c e c l a s s s t r u c t 结构中的c l a s s s t u c t 结构可以看成是c l a s s 的声明，而把整个i n s t a n c e c l a s s s t r u c t 结构看成是c l a s s 的 定义。这和传统c 语言中的声明与定义很类似，即声明只是说明某个变量或者函数的 类型，而定义则说明了某个变量的内存值或者函数内容。 在j a v a 系统中，几乎每一个c l a s s 都继承自另外一个c l a s s ，而在 i n s t a n c e c l a s s s t r u c t 结构中的字段就是用来记录这种继承关系用的 ( j a v a 1 a n g 。o b j e c t 的s u p e r c l a s s 字段应该是0 ) 。在j a v a 系统中，是用c l a s s 来描 述c l a s s 的。这个用来描述c l a s s 行为模式的特殊c l a s s 就是j a v a 1 a n g c l a s s 这个 特殊类。也可以这么理解，即把j a v a 1 a n g c l a s 看作是其他c l a s s e s 的c l a s s ，而除 了j a v a 1 a n g c l a s s 之外的其他c l a s s e s 都是j a v a 1