用 Java 实现 JVM（二）：支持接口、类和对象

1. 概述

接上篇《用 Java 实现 JVM （一）：刚好够运行 HelloWorld 》

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我的 JVM 已经能够运行HelloWorld了，并且有了基本的 JVM 骨架，包括运行时数据结构的定义（栈、栈帧、操作数栈等），运行时的逻辑控制等。但它还没有类和对象的概念，比如无法运行下面这更复杂的HelloWorld：

public interface SpeakerInterface { public void helloTo(String somebody); } public class Speaker implements SpeakerInterface{ private String hello = ""; Speaker(String hello){ this.hello = hello; } public void helloTo(String somebody){ System.out.println(this.hello +" "+ somebody); } } public class Main{ private final static SpeakerInterface speaker = new Speaker("Hello"); public static void main(String[] args){ speaker.helloTo(args[0]); } } 

要让上述代码工作，将涉及到了：

1. 类的初始化

   类静态成员的初始化，如类成员Main.speaker在何时初始化。

2. 对象初始化（实例化）

   如new Speaker("Hello")如何执行，对象的成员（如private String hello = "";）如何初始化。注意String在 JJvm 中被当做 Native 类，那么 Native 类又如何初始化。

3. 对象属性的操作

   包括 Native 类和非 Native 类实例的属性的操作，如访问Speaker.hello。

4. 方法调用

   包括实例方法、类方法、接口方法的调用。

2. 抽象

为了支持类和对象的概念，我在 JVM 层做了抽象，如下图：

我定义了类和对象的基本形态（这里只列出了接口的主要方法）：

• JvmClass

  表示“类”，类提供实例化（newInstance）、获取方法(getMethod)、获取属性(getField)和获取父类(getSuperClass)的方法。注意这里的“实例化”指创建对象，但不调用对象的构造函数。对象的构造函数是在字节码指令中显式调用的。

• JvmField

  表示“属性”， 提供获取(set)和设置(get)属性的方法。

• JvmMethod

  表示“方法”，提供方法调用（call）和获取参数数量(getParameterCount)方法。这里会什么会有“获取参数数量”的方法？因为运行时，需要知道从操作数栈中推出几个元素，作为方法调用的参数。

• JvmObject

  表示“对象”，提供获取父类对象（getSuper）和获取当前类（getClazz）的方法。如果一个类有多级继承， 则这个类的实例中会包含多个 JvmObject 实例。如 A --|> B --|> Object, 那么A的实例 a，其内部有三个JvmObject实例, 每一个JvmObject实例维护自己所表示的类的属性。

你可能注意到一点，这里没有提到接口interface的概念。原因是 JVM 中并不需要太多关注接口，实际上为了让示例能运行，和接口有关的就是操作码 invokeinterface。关于invokeinterface将在后面说明。

3. 实现

基于前面定义的接口，再编写两套实现，分别表示原生类（ JvmNative*）和Java 类（ JvmOpcode*）。下面将以 Java 类的实现为例，进行说明。

3.1. 类的初始化

类的初始化即调用类的<clinit>方法， 如下面是示例Main类的初始化方法的字节码：

 static {}; descriptor: ()V flags: ACC_STATIC Code: stack=3, locals=0, args_size=0 0: new #4 // class org/caoym/samples/sample2/Speaker 3: dup 4: ldc #5 // String Hello 6: invokespecial #6 // Method org/caoym/samples/sample2/Speaker."<init>":(Ljava/lang/String;)V 9: putstatic #2 // Field speaker:Lorg/caoym/samples/sample2/SpeakerInterface; 12: return LineNumberTable: line 5: 0 

这段代码先实例化了Speaker对象，然后将对象设置给类的静态变量speaker。关于对象的实例化过程，将在后面介绍。这里我们先关注类的初始化。我为类JvmOpcodeClass 实现初始化代码：

public void clinit(Env env) throws Exception { if(inited) return; synchronized(this){ //类初始化方法需要保证线程安全 if(inited) return; inited = true; JvmOpcodeMethod method = methods.get(new AbstractMap.SimpleEntry<>("<clinit>", "()V")); if(method != null){ method.call(env, null); } } } 

也就是找到<clinit>方法，然后按正常方法的形式执行。关于类的初始化方法何时被执行，这里摘录了《 Java 虚拟机规范 (Java SE 7 版)》中的描述：

• 在执行下列需要引用类或接口的 Java 虚拟机指令时:new，getstatic，putstatic 或 invokestatic。这些指令通过字段或方法引用来直接或间接地引用其它类。执行上 面所述的 new 指令，在类或接口没有被初始化过时就初始化它。执行上面的 getstatic，putstatic 或 invokestatic 指令时，那些解析好的字段或方法中的类或接口如果还 没有被初始化那就初始化它。
• 在初次调用 java.lang.invoke.MethodHandle 实例时，它的执行结果为通过 Java 虚拟机解析出类型是 2(REF_getStatic)、4(REF_putStatic)或者 6 (REF_invokeStatic)的方法句柄(§5.4.3.5)。
• 在调用 JDK 核心类库中的反射方法时，例如，Class 类或 java.lang.reflect 包。
• 在对于类的某个子类的初始化时。
• 在它被选定为 Java 虚拟机启动时的初始类(§5.2)时。

简单说就是实例化、访问属性、调用方法、使用反射前，被初始化。

3.2. 对象初始化

还是先看示例Main类的初始化方法的字节码

0: new #4 // class org/caoym/samples/sample2/Speaker 3: dup 4: ldc #5 // String Hello 6: invokespecial #6 // Method org/caoym/samples/sample2/Speaker."<init>":(Ljava/lang/String;)V 

上述字节码对应的代码是

new Speaker("Hello"); 

为了让字节码能够执行，需要实现这些指令：

• new

  分配对象，也就创建我们的 JvmOpcodeObject。指令实现如下：

  /** * 创建一个对象，并将其引用值压入栈顶。 */ NEW(Constants.NEW){ @Override public void invoke(Env env, StackFrame frame, byte[] operands) throws Exception { // 获取类信息 int index = (operands[0] << 8)| operands[1]; ConstantPool.CONSTANT_Class_info info = (ConstantPool.CONSTANT_Class_info)frame.getConstantPool().get(index); // 根据类名加载类 JvmClass clazz = env.getVm().getClass(info.getName()); // 创建对象，并推入操作数栈 frame.getOperandStack().push(clazz.newInstance(env)); } }, 

• ldc

  将 int，float 或 String 型常量值从常量池中推送至栈顶。此处将常量“ Hello ”推入栈顶。

• dup

  复制栈顶数值并将复制值压入栈顶。复制的目的是因为构造函数本身没有返回值，invokespecial调用构造函数后将消耗掉操作数栈上的引用，所以需要事先备份一个。代码略。

• invokespecial

  该指令用于调用超类构造方法、实例初始化方法或者私有方法。此处调用的是构造方法<init>。

  /** * 调用超类构造方法、实例初始化方法或者私有方法。 */ INVOKESPECIAL(Constants.INVOKESPECIAL){ @Override public void invoke(Env env, StackFrame frame, byte[] operands) throws Exception { // 获取类和方法信息 int arg = (operands[0]<<8)|operands[1]; ConstantPool.CONSTANT_Methodref_info info = (ConstantPool.CONSTANT_Methodref_info)frame.getConstantPool().get(arg); // 根据类名加载类 JvmClass clazz = env.getVm().getClass(info.getClassName()); // 根据方法名找到方法 JvmMethod method = clazz.getMethod( info.getNameAndTypeInfo().getName(), info.getNameAndTypeInfo().getType() ); // 从操作数栈中推出方法的参数 ArrayList<Object> args = frame.getOperandStack().multiPop(method.getParameterCount() + 1); Collections.reverse(args); Object[] argsArr = args.toArray(); JvmObject thiz = (JvmObject) argsArr[0]; // 根据类名确定是调用父类还是子类 while (!thiz.getClazz().getName().equals(clazz.getName())){ thiz = thiz.getSuper(); } method.call(env, thiz, Arrays.copyOfRange(argsArr,1, argsArr.length)); } } 

再看Speaker构造函数<init>的字节码：

0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: aload_0 5: ldc #2 // String 7: putfield #3 // Field hello:Ljava/lang/String; 10: aload_0 11: aload_1 12: putfield #3 // Field hello:Ljava/lang/String; 15: return 

这里比较特别的是Speaker的构造函数中又调用了父类Object的构造函数。

可以回过头再看下invokespecial指令的实现， 指令执行时，方法对应的类是确定的，比如此处是Speaker的父类Object，而不是Speaker。执行过程中需要找到对应的类和实例，并调用其方法。前面介绍JvmObject的时候，已经介绍过继承的实现方式。以下为 JvmOpcodeObject中表示继承的实现：

 private final JvmObject superObject; public JvmOpcodeObject(Env env, JvmOpcodeClass clazz) throws IllegalAccessException, InstantiationException { this.clazz = clazz; JvmClass superClass = null; try { superClass = clazz.getSuperClass(); } catch (ClassNotFoundException e) { throw new InstantiationException(e.getMessage()); } superObject = superClass.newInstance(env); ... } 

另外Object在 JJvm 中被视作原生类，所以我们又实现了一组JvmNative*，用于操作原生类。

3.3. 类和对象属性的操作

类的属性保存在 JvmOpcodeStaticField中；对象的属性保存在JvmOpcodeObject中，并通过JvmOpcodeObjectField操作。

3.4. 方法调用

除了前面已经说明过的invokespecial指令，还有invokestatic：用于静态方法调用；invokevirtual：用于实例方法调用；invokeinterfac：用于接口方法调用。除了invokeinterface，其他指令实现与invokespecial类似。

关于invokeinterface，比如：

6: invokeinterface #3, 2 // InterfaceMethod org/caoym/samples/sample2/SpeakerInterface.helloTo:(Ljava/lang/String;)V 

操作码的第一个参数指定了接口方法， 第二个指定方法的参数个数。有了参数个数，就可以从操作栈中推出所有参数和方法对应的对象。然后根据继承关系，递归查找对象的类，直到找到匹配的方法。也就是说运行时可以不需要任何 interface 的信息。

下面为invokeinterface指令的实现：

INVOKEINTERFACE(Constants.INVOKEINTERFACE){ @Override public void invoke(Env env, StackFrame frame, byte[] operands) throws Exception { // 获取接口和方法信息 int arg = (operands[0]<<8)|operands[1]; ConstantPool.CONSTANT_InterfaceMethodref_info info = (ConstantPool.CONSTANT_InterfaceMethodref_info)frame.getConstantPool().get(arg); String interfaceName = info.getClassName(); String name = info.getNameAndTypeInfo().getName(); String type = info.getNameAndTypeInfo().getType(); // 获取接口的参数数量 int count = 0xff&operands[2]; //TODO count 代表参数个数，还是参数所占的槽位数？ //从操作数栈中推出方法的参数 ArrayList<Object> args = frame.getOperandStack().multiPop(count + 1); Collections.reverse(args); Object[] argsArr = args.toArray(); JvmObject thiz = (JvmObject)argsArr[0]; JvmMethod method = null; //递归搜索接口方法 while(thiz != null){ if(thiz.getClazz().hasMethod(name, type)){ method = thiz.getClazz().getMethod(name, type); break; }else{ thiz = thiz.getSuper(); } } if(method == null){ throw new AbstractMethodError(info.toString()); } // 执行接口方法 method.call(env, thiz, Arrays.copyOfRange(argsArr,1, argsArr.length)); } 

4. 结束

使用新的 JJvm 执行文章开始处的示例，将得到以下输出：

> org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@0:NEW > org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@1:DUP > org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@2:LDC > org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@3:INVOKESPECIAL > org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@0:ALOAD_0 > org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@1:INVOKESPECIAL > org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@2:ALOAD_0 > org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@3:LDC > org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@4:PUTFIELD > org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@5:ALOAD_0 > org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@6:ALOAD_1 > org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@7:PUTFIELD > org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@8:RETURN > org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@4:PUTSTATIC > org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@5:RETURN > org/caoym/samples/sample2/Main.main@0:GETSTATIC > org/caoym/samples/sample2/Main.main@1:ALOAD_0 > org/caoym/samples/sample2/Main.main@2:ICONST_0 > org/caoym/samples/sample2/Main.main@3:AALOAD > org/caoym/samples/sample2/Main.main@4:INVOKEINTERFACE > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@0:GETSTATIC > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@1:NEW > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@2:DUP > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@3:INVOKESPECIAL > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@4:ALOAD_0 > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@5:GETFIELD > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@6:INVOKEVIRTUAL > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@7:LDC > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@8:INVOKEVIRTUAL > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@9:ALOAD_1 > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@10:INVOKEVIRTUAL > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@11:INVOKEVIRTUAL > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@12:INVOKEVIRTUAL Hello World > org/caoym/samples/sample2/Speaker.helloTo@13:RETURN > org/caoym/samples/sample2/Main.main@5:RETURN 

符号“>”开始的行是运行日志，日志记录了指令的执行步骤。

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