Содержание.

Содержание. 1

Содержание. 2

Введение. 3

Постановка задачи. 4

Формат файла класса. 5

Структура файла класса. 5

Типы элементов Constant_pool 6

Формат структуры field_info 7

Формат структуры method_info 7

Формат атрибута Code. 8

Работа JVM 10

Система команд JVM. 12

Синтаксис языка ассемблера для платформы Java (языка JASM). 14

Тестовые примеры. 18

1. 18

2. 19

3. 20

Проектирование и реализация компилятора. 25

Заключение. 30

Использованная литература. 31

Введение.

Язык программирования Java был разработан в середине 90-х годов на основе языка Oak, предназначавшегося для программирования «прошивок» для различных электронных устройств. Однако, в отличие от своего предшественника, язык Java получил широкое распространение, прежде всего как язык, использовавшийся в программировании для сети Интернет. В настоящее время область применения Java значительно расширилась, и этот язык часто применяется и в обычном прикладном программировании. Это обусловлено такими преимуществами как кроссплатформенность и безопасность, которые обеспечиваются тем, что исходный код на Java компилируется не непосредственно в машинный код, а в, так называемый, байт-код, который интерпретируется виртуальной машиной Java (JVM). Во многих современных реализациях JVM байт-код перед выполнением преобразуется в машинные инструкции, что значительно повышает производительность, приближая ее к производительности программ, написанных на C/C++. Таким образом, Java, в современном состоянии этой технологии, сочетает преимущества интерпретируемых и компилируемых языков программирования.

Спецификация, описывающая JVM, как абстрактную вычислительную машину, предоставлена компанией Sun в открытый доступ. Это позволяет создавать как собственные реализации JVM для различных платформ, так и альтернативные компиляторы, генерирующие байт-код Java, в том числе для языков программирования, отличных от Java. Большинство литературы, посвященной Java, почти не уделяет внимания устройству JVM и описывает лишь сам язык Java. Однако, в ряде случаев, знание особенностей архитектуры бывает весьма полезным. В данной работе я создал учебную программу, которая может помочь в изучении архитектуры JVM – несложный ассемблер для байт-кода Java.

Постановка задачи.

Требуется изучить архитектуру уровня команд платформы Java, формат файла класса Java, и написать компилятор ассемблероподобного языка, позволяющего создавать файлы классов, корректно обрабатываемые реальной JVM. Данный компилятор должен поддерживать все команды байт-кода Java и важнейшие возможности JVM.

Формат файла класса.

Основным форматом исполняемых файлов в архитектуре Java является формат файла класса, описанный в The Java^TM Virtual Machine Specification, изданной компанией Sun. Файл данного формата имеет имя, совпадающее с идентификатором класса (за исключением вложенных классов) и расширение .class.

Структура файла класса.

Файл класса имеет следующую структуру:

ClassFile {

     u4 magic;

     u2 minor_version;

     u2 major_version;

     u2 constant_pool_count;

     cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];

     u2 access_flags;

     u2 this_class;

     u2 super_class;

     u2 interfaces_count;

     u2 interfaces[interfaces_count];

     u2 fields_count;

     field_info fields[fields_count];

     u2 methods_count;

     method_info methods[methods_count];

     u2 attributes_count;

     attribute_info attributes[attributes_count];

    }

(здесь и далее u1, u2, u4 – целые числа размером 8, 16 и 32 бит с порядком байтов старший байт по младшему адресу). Рассмотрим последовательно все поля.

• magic – так называемое магическое число, имеющее в шестнадцатеричной записи вид 0xCAFEBABE;

• minor_version, major_version – версия формата файла, по ней определяется совместимость данного файла с конкретной версией JVM;

• constant_pool_count – количество элементов в Constant_pool плюс единица;

• constant_pool – область констант – массив структур переменного размера, представляющих те или иные константные значения. Обращения в область констант производятся по индексу (индексация начинается с единицы; индексы, следующие за позициями констант, представляющих числа типов long и double, не используются). Форматы констант различных видов будут рассмотрены ниже;

• access_flags – комбинация битовых флагов, определяющих права доступа и некоторые другие характеристики класса:

Флаг	Значение	Смысл
ACC_PUBLIC	0x0001	Доступен из-за пределов пакета
ACC_FINAL	0x0010	Запрещено наследование от данного класса
ACC_SUPER	0x0020	В методах данного класса требуется использовать принятую в Java2 трактовку команды invokespecial
ACC_INTERFACE	0x0200	Интерфейс (является классом специального вида)
ACC_ABSTRACT	0x0400	Абстрактный класс

• this_class, super_class – индексы структур в области констант, ссылающихся на данный класс и его класс-предок;

• interfaces_count – число интерфейсов, реализуемых данным классом;

• interfaces – массив индексов структур в области констант, ссылающихся на интерфейсы, реализуемые данным классом;

• fields_count – количество полей в данном классе;

• fields – массив структур field_info, описывающих поля класса. Формат структуры field_info будет рассмотрен ниже;

• methods_count – количество методов;

• methods – массив структур method_info, описывающих методы класса. Формат структуры mettho_info будет рассмотрен ниже. Конструкторы и статические инициализаторы представляются методами со специальными именами и ;

• attributes_count – количество атрибутов класса;

• attributes – массив структур-атрибутов класса (поля, методы и байт-код методов также могут иметь свои атрибуты). Каждая такая структура в начале имеет два обязательных поля, описывающих тип атрибута и его размер. К классу могут быть применены следующие стандартные атрибуты: SourceFile – указывает на файл исходного текста, из которого был получен данный файл класса, и Deprecated – класс оставлен для совместимости со старым кодом и его использование не рекомендуется. Возможно создание атрибутов нестандартных типов, но они будут игнорироваться средой выполнения.

Типы элементов Constant_pool

Каждый элемент сonstant_pool начинается с однобайтного поля, определяющего его тип. Размер и содержание остальной части структуры зависит от типа. Существуют следующие типы констант (элементов constant_pool):

• CONSTANT_Class – указывает на класс. Содержит индекс константы типа CONSTANT_Utf8, хранящей дескриптор класса;

• CONSTANT _Fieldref – указывает на поле класса. Содержит индексы констант типа CONSTANT_Class и CONSTANT_NameAndType;

• CONSTANT _Methodref указывает на метод класса (не интерфейса). Содержит индексы констант типа CONSTANT_Class и CONSTANT_NameAndType;

• CONSTANT _InterfaceMethodref указывает на метод интерфейса. Содержит индексы констант типа CONSTANT_Class и CONSTANT_NameAndType;

• CONSTANT_String – указывает на строку, содержит индекс константы типа CONSTANT_Utf8;

• CONSTANT_Integer – содержит целое 32-разрядное число;

• CONSTANT_Float – содержит вещественное число одинарной точности;

• CONSTANT_Long – содержит целое 64-разрядное число;

• CONSTANT_Double – содержит вещественное число двойной точности;

• CONSTANT_NameAndType – описывает сигнатуру и имя метода либо тип и имя поля. Содержит индексы двух констант типа CONSTANT_Utf8, хранящих соответственно имя и дескриптор типа (сигнатуры);

• CONSTANT_Utf8 – содержит строку в формате Utf8 (символы Unicode представляются комбинациями от 1 до 3-х байт, причем символы с кодами, не превышающими 127, представляются одним байтом).

Дескрипторы – это строки, описывающие типы и сигнатуры методов в компактном формате. Примитивные типы обозначаются одной буквой, типы массивов – открывающими квадратными скобками в количестве, равном размерности массива, перед обозначением базового типа. Классы описываются строкой, содержащей имя класса с полным путем, при этом вместо точки роль разделителя имен пакетов и класса выполняет слэш. В дескрипторах сигнатур методов в круглых скобках без разделителей перечисляются дескрипторы типов параметров; после закрывающей скобки находится дескриптор типа возвращаемого значения. Для устранения неоднозначностей при этом перед дескрипторами классов записывается буква L, а после них – точка с запятой. Например, (ILjava/lang/Object;)I – (int, Object):int (буквой I обозначается тип int).

Формат структуры field_info

Структура field_info имеет следующий формат:

field_info {

     u2 access_flags;

     u2 name_index;

     u2 descriptor_index;

     u2 attributes_count;

     attribute_info attributes[attributes_count];

     }

Здесь:

• access_flags - комбинация битовых флагов, определяющих права доступа и некоторые другие характерист ики поля:

  Имя флага	Значение	Смысл
  ACC_PUBLIC	0x0001	Поле объявлено как public
  ACC_PRIVATE	0x0002	Поле объявлено как private
  ACC_PROTECTED	0x0004	Поле объявлено как protected
  ACC_STATIC	0x0008	Поле является статическим
  ACC_FINAL	0x0010	Поле объявлено как final и не может быть изменено после начальной инициализации
  ACC_VOLATILE	0x0040	Поле объявлено как volatile
  ACC_TRANSIENT	0x0080	Поле объявлено как transient – не сохранятся при сериализации

• name_index – индекс строковой константы-имени поля в Constant Pool;

• descriptor_index – индекс строковой константы-дескриптора поля (описывает тип) в Constant Pool;

• attributes_count – число атрибутов поля;

• attributes – атрибуты поля. К полям могут быть применены стандартные атрибуты Deprecated (см. выше), Synthetic (поле создано компилятором и не объявлено явно в исходном тексте) и ConstantValue (инициализирующее значение для статического поля).

Формат структуры method_info

Структура method_info имеет следующий формат:

 method_info {

     u2 access_flags;

     u2 name_index;

     u2 descriptor_index;

     u2 attributes_count;

     attribute_info attributes[attributes_count];

     }

Здесь:

• access_flags – битовые флаги, определяющие права доступа и некоторые дополнительные свойства метода:

Flag Name	Value	Interpretation
ACC_PUBLIC	0x0001	Метод объявлен как public
ACC_PRIVATE	0x0002	Метод объявлен как private
ACC_PROTECTED	0x0004	Метод объявлен как protected
ACC_STATIC	0x0008	Метод является статическим
ACC_FINAL	0x0010	Метод является финальным и не может быть замещен
ACC_SYNCHRONIZED	0x0020	Метод объявлен как synchronized
ACC_NATIVE	0x0100	Метод является «родным» и содержит код, непосредственно выполняющийся физическим процессором
ACC_ABSTRACT	0x0400	Метод является абстрактным
ACC_STRICT	0x0800	Устанавливает «строгий» режим работы с вещественными числами (только в Java 2).

• name_index, descriptor_index, attributes_count – аналогично field_info;

• attributes – атрибуты метода. Методы могут иметь следующие стандартные атрибуты:

  • Deprecated, Synthetic – аналогично соответствующим атрибутам полей;

  • Exceptions – описание исключений, которые может генерировать метод. Нужно отметить, что обязательное описание исключений не является необходимым требованием для корректного выполнения;

  • Code – собственно говоря, байт-код метода.

Формат атрибута Code.

Атрибут Code имеет следующую структуру:

Code_attribute {