Arquitecturas Alternativas. Java Virtual Machine

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1 Arquitecturas Alternativas Java Virtual Machine

2 Compilação da linguagem Java A linguagem Java é uma linguagem interpretada que é executada por uma máquina virtual software denominada JVM (Java Virtual Machine) Um programa fonte Java é compilado para bytecode Java que é o ISA da JVM Para cada classe é gerado um ficheiro.class com a sua representação em bytecode Estas classes são carregadas por um componente da JVM, o class loader Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 448

3 Compilação da linguagem Java Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 449

4 A portabilidade do Java reside na JVM Para que seja possível executar aplicações Java numa dada plataforma (arquitectura e sistema operativo) tem de existir uma implementação da JVM que execute nessa plataforma Implementação da JVM para Linux Linux Implementação da JVM para Windows Windows Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 450

5 Carregar um programa Java Um programa é carregado para a JVM através da classe de entrada (a que implementa o método main) Quando a classe é carregada é sujeita à verificação da integridade do seu bytecode Só depois é feita a sua interpretação, o que inclui: Pedir ao class loader que carregue todas as classes referenciadas Criar o ambiente de execução (frame) para o main Criar o thread inicial do programa Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 451

6 Carregar um programa Java Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 452

7 Tabela top-level Um ficheiro.class Classe extendida, versão da classe, nome do ficheiro, Tabela de constantes Informação sobre as variáveis (valor e permissões de acesso) e métodos utilizados Tabela de interfaces implementados Tabela de atributos Tabela de métodos Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 453

8 Arquitectura da JVM Uma JVM é composta por: Memória global (Heap) Gerida automaticamente (Garbage-collector) Código das classes (Área dos métodos) Área de código nativo métodos que não implementados em Java Fluxos de execução (threads) Cada thread é composto por: Program counter (PC) Pilha de execução ou pilha de chamadas Similar à pilha de execução do C Composta pelas frames dos métodos Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 454

9 Frame de activação de um método A invocação de um método dá origem a uma frame com o ambiente de execução desse método Semelhante ao C A frame na JVM tem espaço para: Variáveis locais Posição 0 é para o this, caso o método não seja estático Pilha de avaliação Avalia as expressões existentes no método e é usada para empilhar os argumentos de invocações Informação de execução (não representada na figura) Pilha de avaliação Variáveis locais Var N N Var 1 1 Var 0 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 455

10 Formato das instruções ISA 1 byte para o opcode mais 0 ou mais para os operados Mais do que 200 instruções Load/store variáveis locais Load/store de campos de um objecto Push de constantes para a pilha de avaliação Arrays Aritméticas Conversão de tipos Controlo Call/return Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 456

11 Tipos de dados Tipo Código Descrição byte B 8 bits em complemento para 2 char C 2 bytes sem sinal, Unicode short S 16 bits em complemento para 2 int I 32 bits em complemento para 2 long J 64 bits em complemento para 2 float F 32 bits IEEE-754 double D 64 bits IEEE-754 boolean Z true/false referência return address 32 bits: endereço de um objecto ou array 32 bits Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 457

12 ISA algumas instruções iload n fload n istore n getfield i putfield i Carrega o inteiro na variável local n para a pilha de avaliação. Existem versões abreviadas iload_n (n de 0 a 3) Carrega o float na variável local n para a pilha de avaliação Existem versões abreviadas fload_n (n de 0 a 3) Guarda o inteiro que está no topo da pilha de avaliação para a variável local n. Existem versões abreviadas istore_n (n de 0 a 3) Carrega o inteiro no campo i para a pilha de avaliação Guarda o inteiro que está no topo da pilha de avaliação para o campo i (na tabela de constantes) bipush Push do byte (inteiro de -128 a 127) iadd, ladd, ifeq offset Adição dos operandos que estão na pilha se topo_pilha == 0 então PC= início_método + offset if_icmpge offset se (topo_pilha -1) topo_pilha >= 0 então PC= imét + offset invokevirtual i ireturn Invocar método i (na tabela de constantes) Retornar o inteiro que está no topo da pilha Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 458

13 Frame de activação de um método As operações de load e store operam sobre a posição na frame e não sobre um endereço Exemplo: Suponhamos que existem três variáveis locais int a = 10, b = 20; float c = 2.4; Vamos fazer o load do conteúdo da variável b iload_2 Pilha de avaliação Variáveis locais this 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 459

14 Frame de activação de um método As operações de load e store operam sobre a posição na frame e não sobre um endereço Exemplo: Suponhamos que existem três variáveis locais int a = 10, b = 20; float c = 2.4; Vamos fazer o load do conteúdo da variável b iload_2 O destino é a pilha de avaliação Pilha de avaliação Variáveis locais this 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 460

15 Frame de activação de um método As operações de load e store operam sobre a posição na frame e não sobre um endereço Exemplo: Suponhamos que existem três variáveis locais int a = 10, b = 20; float c = 2.4; Se agora quiseremos guardar esse valor em a fazemos: istore_1 Pilha de avaliação Variáveis locais this 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 461

16 Frame de activação de um método O espaço necessário para as variáveis locais e para a pilha de avaliação é calculado durante a compilação Uma vez que não se manipulam endereços, as frames não têm de estar contíguas em memória No IA-32 e no MIPS estão porque podemos alocar memória na pilha manipulando o stack pointer Exemplo: sub esp, 8 para reservar 8 bytes para variáveis locais Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 462

17 Arquitectura da JVM Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 463

18 Exemplo da compilação de um método public int mymet(int a, } int c; if (a < b) c = a; else c = b+100; return c; int b) { public int mymet(int, int); Code: Stack=2, Locals=4 0: iload_1 1: iload_2 2: if_icmpge 10 5: iload_1 6: istore_3 7: goto 15 10: iload_2 11: bipush : iadd 14: istore_3 15: iload_3 16: ireturn Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 464

19 Exemplo da execução de um método public int mymet(int, int); Code: Stack=2, Locals=4 0: iload_1 1: iload_2 2: if_icmpge 10 5: iload_1 6: istore_3 7: goto 15 10: iload_2 11: bipush : iadd 14: istore_3 15: iload_3 16: ireturn c? 3 b 17 2 a 10 1 this ref 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 465

20 Exemplo da execução de um método public int mymet(int, int); Code: Stack=2, Locals=4 0: iload_1 1: iload_2 2: if_icmpge 10 5: iload_1 6: istore_3 7: goto 15 10: iload_2 11: bipush : iadd 14: istore_3 15: iload_3 16: ireturn 10 c? 3 b 17 2 a 10 1 this ref 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 466

26 Exemplo da execução de um método public int mymet(int, int); Code: Stack=2, Locals=4 0: iload_1 1: iload_2 2: if_icmpge 10 5: iload_1 6: istore_3 7: goto 12 10: iload_2 11: bipush : iadd 14: istore_3 15: iload_3 16: ireturn c b 7 2 a 10 1 this ref 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 472

27 Exemplo da execução de um método public int mymet(int, int); Code: Stack=2, Locals=4 0: iload_1 1: iload_2 2: if_icmpge 10 5: iload_1 6: istore_3 7: goto 12 10: iload_2 11: bipush : iadd 14: istore_3 15: iload_3 16: ireturn 107 c b 7 2 a 10 1 this ref 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 473

29 Invocação do método Suponhamos o método mymet faz parte da classe MyClass public class MyClass { private int x, y = 10; public MyClass(int a) { this.x = a; } public void sety(int a) { this.y = mymet(a, ); } public int mymet(int a, int b) { } } Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 475

30 Invocação do método this.y = this.mymet(a,100000); aload_0 // carrega endereço iload_1 ldc #4 // carrega constante superior a 16 bits invokevirtual #5 putfield #10 a 10 1 this ref 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 476

31 Invocação do método this.y = this.mymet(a,100000); aload_0 // carrega endereço iload_1 ldc #4 // carrega constante superior a 16 bits invokevirtual #5 putfield # ref a 10 1 this ref 0 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 477

32 Tabela de constantes: Invocação do método Constant pool: const #2 = class #35 const #4 = int const #5 = Method #2.#37 const #28: = Asciz mymet; const #29: = Asciz (II)I; const #35 = Asciz MyClass; const #37 = #28.#29 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 478

33 Endereço de retorno Onde é que é colocado o endereço de retorno? Não existe uma norma definida pela especificação da máquina O normal será reservar um campo na frame de método para o guardar Semelhante ao C Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 479

34 Representação de um objecto Não existe especificação depende da implementação Apontador para os dados próprios da instância Tabela com os valores dos campos Apontador para o código da classe Flags para o garbage collector Entidade responsável por limpar da memória objectos que já não são precisos É preciso saber quantas referências é que existem para um dado objecto Se tiver 0 referências pode ser garbage-collected Suporte para exclusão mútua Assunto da disciplina FSO Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 480

35 Invocação de métodos invokespecial Mais coisas Invocar método especial Exemplo: construtor de um objecto invokestatic Invocar método estático invokeinterface Invocar método de um interface As excepções são implementadas com subrotinas Existem instruções para chamar e retornar de subrotinas: jsr e ret Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 481

36 Como ver e experimentar Podem ver o assembly de uma classe através do comando javap javac MyClass.java javap -c MyClass -verbose Podem usar o assembler Jasmin ( para fazer uns programas em assembly da JVM A sintaxe não é exactamente a descrita nos slides no que se refere às directivas Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 482

37 Exemplo public class C { public static main(string[] args) { C x = new C(10,30); } } Apontador para a pool de objectos Apontador para a classe Referência (apontador para o objecto) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 483

38 Compilação Just-in-time (JIT) Aplicação Java Interpretado bytecode JVM Traduzido (compilado) Compilador JIT Código nativo Sistema Operativo Interpretado Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 484

39 Compilação Just-in-time (JIT) Para melhorar a performance algumas JVMs têm um compilador JIT Este compila o bytecode a executar para código nativo (código máquina da arquitectura) em tempo de execução, ou seja, durante a execução do programa Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 485

40 A JVM e outras linguagens A JVM pode ser usada como suporte à execução de outras linguagens Exemplos: Scala Jruby Jython Algumas linguagens compilam para java para poderem usufruir das suas APIs Outras compilam directamente para bytecode Arquitectura de Computadores (2008/2009): Arquitecturas alternativas 486