Compiladores Tópicos de JVM

Compiladores Tópicos de JVM Rui Gustavo Crespo IST/DEEC@2005 Compiladores JVM : 1/40

Máquinas virtuais (1) Um programa, codificado numa linguagem de alto nível, só pode ser executado na máquina para a qual o compilador gera código final Vantagens: maior eficiência no desempenho (memória e tempo de execução) Inconvenientes: execução noutra máquina exige Nova compilação Duplicação de espaço em disco (ficheiros executáveis para cada máquina) Selecção entre as diversas configurações do programa executável. Compiladores JVM : 2/40

Máquinas virtuais (2) A compilação para máquina virtual, permite haver um único programa executável para máquinas distintas. A execução é feita por um interpretador específico, que transcreve instruções da máquina virtual para o processador+sistema operativo. Programa fonte Compilador Executável Máquina virtual Processador + SO Saída Compiladores JVM : 3/40

Máquinas virtuais (3) A máquina virtual de eleição é a pilha Vantagens: Transcrição muito fácil Máquinas reais disponibilizam instruções para manipulação de pilhas Inconvenientes: processamento muito lento! Exemplos de máquinas virtuais baseadas em pilhas Compilador UCSD Pascal gera código para máquina baseada numa pilha,o P-code. JVM- Java Virtual Machine, da Sun, para Java CLI- Common Language Infrastructure, da Microsoft, para C# e VisualBasic Linguagem Postscript processada por ferramentas (ex: Gview) com 4 pilhas: operando, dicionário, execução e gráfico Compiladores JVM : 4/40

Máquinas virtuais (4) O JVM foi implementado em diversas plataformas SPARC, de sistema operativo Sun-OS Intel 86, de sistemas operativos Windows e Linux powerpc, de sistema operativo MacOS JVM executa threads thread, ou lighweight process, é uma unidade de processamento paralelo dentro do mesmo programa. ao contrário dos processos, todas as threads são executadas dentro do mesmo ambiente) Compiladores JVM : 5/40

JVM arquitectura (1) A. Mecanismos do JVM: Carregamento de classes ( class loader ): mecanismo que instala classes e interfaces. O mecanismo inclui verificações de segurança (ex: o ficheiro.class está bem definido). Engenho de execução ( execution engine ): mecanismo responsável pela execução dos métodos das classes carregadas. A informação necessária à execução é dividida em 4 espaços conceptuais: Compiladores JVM : 6/40

JVM arquitectura (2) Engenho de execução do JVM pc Bytecodes Área de método Código Dados da classe Armazém constantes optop Activação opval_2 opval_1 Ambiente execução lvar_n lvar_1 lvar_0 Pilha Java Pilha operandos Variáveis locais Compiladores JVM : 7/40

JVM arquitectura (3) B. Espaços conceptuais da máquina de execução 1. Área do método ( method area ), partilhado por todas as threads onde reside: código de cada método da classe dados da classe armazém de constantes ( constant pool ) para literais de tipos primitivos e instâncias da classe de caracteres 2. Activações ( frames ), uma para cada evocação do método Acervo ( heap ), de onde são é obtida área para os dados das instâncias Registo contador de programa ( program counter ), um por cada thread, com o endereço da instrução a executar. Compiladores JVM : 8/40

JVM arquitectura (4) C. Componentes de activação de método: 1. Pilha privada para Avaliação de expressões Controlo do fluxo de execução do programa 2. Tabela de 64K para variáveis locais, referenciadas por inteiros 0 referencia objecto que executa o método (this) Parâmetros da evocação referenciados a partir de 1 Variáveis locais ocupam restantes posições Nota: nas classes static, parâmetros são referenciados a partir de 0. Nota: O JVM tem uma pilha, onde são inseridas as plihas privadas de cada método evocado. A activação no topo da pilha JVM designada por pilha activa de activação (a única activação que pode ser usada). Compiladores JVM : 9/40

Instruções - formato Instruções designadas por Bytecodes, por o código ocupar apenas 1 Byte (200 ao todo) Cada instrução pode ter 0, ou mais, operandos. As instruções são carregadas na área de método do JVM, e executadas quando o método (que as gera) é evocado. Compiladores JVM : 10/40

Instruções tipos (1) O tipo de dados envolvido na instrução é determinado por uma letra. Letra Tipo Letra Tipo b Byte L Instância de classe s Short [ Tabela 1 dimensão c Caractere V void i Inteiro a Referência z Booleano l long d Double Lnome; Ex: Ljava/lang/String; é de tipo cadeia de caracteres Compiladores JVM : 11/40

Instruções tipos (2) JVM segue representação big-endien (Byte mais significativo no endereço mais baixo) Os tipos primitivos b,s,c,i e f ocupam uma entrada na pilha. Os tipos primitivos l e d ocupam duas entradas na pilha. Número de Bytes dos literais de cada tipo usados na instrução: Tipo Espaço (bytes) Tipo Espaço (bytes) b 1 l 8 (2 entradas na pilha) s 2 f 4 c 2 d 8 (2 entradas na pilha) i 4 Compiladores JVM : 12/40

Instruções tipos (3) i2[bcsfld] converte inteiro no topo da pilha Ex: i2f, converto inteiro para float f2[ild], d2[ifl] Nota: não é cast, pode haver perda de informação! Compiladores JVM : 13/40

Instruções load / store (1) Tload n carrega na pilha valor T na posição n Tabela variáveis 0 1 2 3 x a b c d Pilha iload 2 Pilha Tabela variáveis c 0 1 2 3 x a b c d Tload_[0-3]carrega na pilha valor T nas posições entre 0 e 3 (instrução sem operandos) Ex: iload_2, carrega inteiro da posição 2 mas ocupa apenas 1 Byte Compiladores JVM : 14/40

Instruções load / store (2) bipush val carrega na pilha o byte val sipush val carrega na pilha o short val iconst_m1 carrega na pilha inteiro 1 (instrução sem operandos) aconst_null carrega na pilha null Tconst_vT carrega na pilha literal Tipo vt Tipo vt (instrução sem operandos) i 0..5 f 0..2 l 0..1 d 0..1 Tabela variáveis 0 1 2 3 x a b c d Pilha iconst_2 Tabela variáveis 0 1 2 3 x a b c d Pilha 2 Compiladores JVM : 15/40

Instruções load / store (3) ldc #idx carrega constante de índice idx (8 bits), do armazém de constantes ldc_w #idx carrega constante de índice idx,idx+1 (16 bits) do armazém de constantes ldc2_w #idx carrega constante l/d de índice idx,idx+1 do armazém de constantes Tstore n salva da pilha valor T na posição n Tabela variáveis 0 1 2 3 x a b c d Pilha y Tstore_[0-3] istore 2 Tabela variáveis 0 1 2 3 x a b y d Pilha Compiladores JVM : 16/40

Instruções load / store (4) getstatic carrega referência a variável de classe getfield carrega referência a variável de instância Exemplo: getstatic java/lang/system.in Ljava/io/InputStream; campo Compiladores JVM : 17/40

Instruções aritméticas (1) Tadd retira 2 operandos da pilha, insere soma na pilha Pilha Tabela variáveis y 0 1 2 3 x a b c d iadd Pilha Tabela variáveis 0 1 2 3 y+x a b c d Tsub, Tmul, Tdiv, Tneg, Trem T é de tipo i,l, f, d resto negação iinc pos val adiciona val na posição pos (pode ser negativo) Compiladores JVM : 18/40

Instruções aritméticas (2) Tshl,Tshr desloca operando no 2º lugar, pelos bits mais baixos no oper do topo. T=i (5 bits), ou T=l (6 bits) Tand And bit a bit Tor Or bit a bit Txor Xor bit a bit Compiladores JVM : 19/40

Instruções pilha operandos (1) pop retira topo da pilha Pilha Tabela variáveis y 0 1 2 3 x a b c d pop Tabela variáveis 0 1 2 3 x a b c d Pilha pop2 retira duas posições da pilha swap troca dois operandos Pilha Tabela variáveis y 0 1 2 3 x a b c d swap Pilha Tabela variáveis x 0 1 2 3 y a b c d Compiladores JVM : 20/40

Instruções pilha operandos (2) dup duplica topo da pilha Pilha Tabela variáveis 0 1 2 3 x a b c d dup Pilha Tabela variáveis x 0 1 2 3 x a b c d Nota: tipicamente, a geração de um objecto feita por uma sequência de instruções new e evocação do <init> new java/lang/stringbuilder dup invokespecial java/lang/stringbuilder/<init>()v Compiladores JVM : 21/40

Instruções - comparações Tcmpg retira 2 operandos da pilha (T:d ou f), compara-os e insere inteiro na pilha» 0 : iguais» 1 : topo<2º, ou um dos valores igual a NaN» -1 : topo>2º Tcmpl semelhante a Tcmpg, excepto resultado 1 se um dos valores for NaN. Compiladores JVM : 22/40

Instruções controlo execução (1) jmp <lbl> salto incondicional (16 bits) jmp_w <lbl> salto incondicional (32 bits) ifxx <lbl> retira topo da pilha, compara-o XX com zero, salta se resultado for verdadeiro if_icmpxx <lbl> retira dois elementos, compara-os XX, salta se resultado for verdadeiro As etiquetas são da forma id: inst XX Condição XX Condição eq val == 0 gt val > 0 lt val < 0 ge val >= 0 le val <= 0 null val == null ne val!= 0 nonnull val!= null Compiladores JVM : 23/40

Instruções controlo execução (2) lookupswitch <chave1>: <lbl1> <chave2>: <lbl1> default: <def-lbl> Retira topo da pilha e salta para etiqueta indicada pelo valor Compiladores JVM : 24/40

Instruções objectos/métodos (1) invokemode <method-spec> Existem 4 modos de invocação: interface (método declarado numa interface) special (métodos que requerem manipuladores especiais: <init> ou <super>) static (método de classe estática) virtual (método normal) Nota: nas versões anteriores ao JDK1.02, instrução invokespecial denominada invokenonvirtual Compiladores JVM : 25/40

Instruções objectos/métodos (2) <method-spec> possui formato nome-classe/método/(argumentos)tipo-retorno Pilha antes da chamada: Pilha no retorno: Obj-ref [res] arg1 arg2 Os argumentos são sequência de tipos, sem separadores. Ex: private static void quicksort(char[] buffer, int lower, int upper) transcrito por.method public static quicksort([cii)v Nota: na invocação é obrigatório indicar os tipos de parâmetros, devido ao polimorfismo do JVM argn topo Compiladores JVM : 26/40

Instruções objectos/métodos (3) Treturn retorna valor no topo da pilha (T=, se método retornar void) new cria instância de classe e insere referência no topo da pilha Instrução new deve ser seguida pela evocação da inicialização, que consome da pilha a referência. Exemplo: new Integer(20); transcrito por new java/lang/integer ; cria objecto dup ; duplica topo pilha bipush 20 ; insere valor invokespecial java/lang/integer/<init>(i)v parâmetro de init Compiladores JVM : 27/40

Instruções tabelas (1) São objectos, mas tratados com instruções apropriadas para tornar código mais eficiente newarray Tipo cria tabela Ex: newarray int (tabela de inteiros) multianewarray <desc-array> <num-dim> Nota: 1<num-dim<255 Ex: new int[6][3][] transcrita por bipush 6 bipush 3 multianewarray [[[I 2 ;aloca 2 das 3 dimensões Compiladores JVM : 28/40

Instruções tabelas (2) Taload insere na pilha componente da tabela, de tipo T. Tastore retira da pilha topo, de tipo T e modifica componente da tabela. arraylength obtém dimensão da tabela Compiladores JVM : 29/40

Instruções tabelas (3) ; x = new int[6][3][]; bipush 6 bipush 3 multianewarray [[[I 2 astore_1 ; guarda referência em x ; x[0][1] = new int[50]; aload_1 ; insere na pilha referência da tabela iconst_0 ; insere na pilha x[0] aaload ; iconst_1 ; aloca tabela de 50 inteiros bipush 50 ; newarray int ; aastore ; guarda referência em x[0][1] Compiladores JVM : 30/40

Instruções excepções (1) As excepções são lançadas pela instrução athrow. O topo da pilha deve conter a referência ao objecto instância de uma excepção. new java/io/ioexception dup invokespecial java/io/ioexception/<init>()v athrow Compiladores JVM : 31/40

Instruções excepções (2) O corpo try{ }catch{ } é determinado no jasmin pela directiva.catch java/lang/exception from lb11 to lbl2 using Handler lbl1 e lbl2 são as etiquetas das instruções delimitadoras do try{ }, e Handler é a etiqueta da primeira instrução do catch{ }. Compiladores JVM : 32/40

Directivas (1) A classe pode conter as directivas.source id # opcional.class Qualif id Qualif é o qualificador da classe (public, ).super id.implements id Exemplo.source HelloWorld.j.class public HelloWorld.super java/lang/object Compiladores JVM : 33/40

Directivas (1) O método deve ser delimitado pelas directivas.method Qualif id(pars)tipo Qualif é o qualificador do método (public, ).end method Em cada método devem ser indicadas as seguintes directivas.limits locals nn espaço de variáveis locais (this ocupa 1ª pos. nos métodos não estáticos).limits stack nn profundidade máxima da pilha de operandos Compiladores JVM : 34/40

Armazém de constantes Constantes armazenadas no armazém constant pool, indexadas a partir de #1. void usemanynumeric() { int i = 100; } int j = 1000000; long l1 = 1; long l2 = 0xffffffff; double d = 2.2;... Method void usemanynumeric() 0 bipush 100 // Push a small int with bipush 2 istore_1 3 ldc #1 // Push int constant 1000000; a larger int // value uses ldc 5 istore_2 6 lconst_1 // A tiny long value uses short, fast lconst_1 7 lstore_3 8 ldc2_w #6 // Push long 0xffffffff (that is, an int -1); any // long constant value can be pushed using ldc2_w 11 lstore 5 13 ldc2_w #8 // Push double constant 2.200000; uncommon // double values are also pushed using ldc2_w 16 dstore 7 Compiladores JVM : 35/40

Exemplo (1) Ex: O classico Hello world! class HelloWorld { public static void main(string args[]) { System.out.println( Hello World!"); } }.source HelloWorld.j.class public HelloWorld.super java/lang/object.method public <init>()v ; construtor simples aload_0 invokenonvirtual java/lang/object/<init>()v return.end method Compiladores JVM : 36/40

Exemplo (2).method public static main([ljava/lang/string;)v.limit stack 2 getstatic java/lang/system/out:ljava/io/printstream; ldc "Hello World!" invokevirtual java/io/printstream/println(ljava/lang/string;)v return.end method Nota: o ficheiro.class ocupa apenas 377 B Compiladores JVM : 37/40

Ferramentas (1) javap c lista código JVM de ficheiro class Exemplo public class Test { public static void main(string args[]) { int i; i = 2; i = i + 7; } } Compiladores JVM : 38/40

Ferramentas (2) C:\ > javap -c Test Compiled from Test.java public class Test extends java.lang.object { public Test(); // a default constructor created public static void main(java.lang.string[]); } Method Test() 0 aload_0 1 invokespecial #1 4 return Method void main(java.lang.string[]) 0 iconst_2 // Put integer 2 on stack 1 istore_1 // Store the top stack value at location 1 2 iload_1 // Put the value at location 1 on stack 3 bipush 7 // Put the value 7 on the stack 5 iadd // Add two top stack values together 6 istore_1 // The sum, on top of stack, stored at location 1 7 return // Finished processing Compiladores JVM : 39/40

Ferramentas (3) jasmin gera ficheiro.class Pode ser obtido na página http://jasmin.sourceforge.net $ java -jar jasmin.jar <filenames> Compiladores JVM : 40/40