Habíamos preparado la mente para saber como empezar a programar, así que vamos allá, y empezaremos pasando a código lo que ya sabemos, como está estructurada nuestra JVM.
JVM.java
Ya dijimos que la JVM esta formada por 3 partes, la zona de clases, el heap y los frames, además sabemos que tendrá que ir leyendo instrucciones de los archivos .class y ejecutarlas en función de cual sea dicha instrucción, bien, pues pondremos eso en código. He decidido ir descomponiéndolo porque meterlo todo del tirón puede ser demasiao lioso.
Primero definimos las 3 estructuras tal y como ya sabemos, son clases que deberemos crear más adelante y establecemos un constructor para la JVM, además hacemos que implemente Runnable y por tanto el método run().
Dentro de este método run() podríamos tener distintos tipos de ejecución como se mencionó en la primera parte pero para no complicar el tema tomaremos solo la ejecución directa con OPCODE.
Código Base
public class JVM implements Runnable {
private StackFrame topFrame;
private Heap heap;
private ClassArea classes;
public JVM(StackFrame topFrame, Heap heap, ClassArea classes) {
this.topFrame = topFrame;
this.heap = heap;
this.classes = classes;
}
public void run() {
runOPCODE();
}
}
Para esta ejecución tenemos un método runOPCODE(), que declara 2 variables, un array de short y un short, cada uno representará el código completo del método y el código de operación actual.
Y podréis preguntaros ¿Por qué son short si te has hartado de decir que la información en los .class esta en forma de bytes? Primero, con 8 bits tenemos 256 combinaciones, suficientes para los 212 opcodes, pero internamente los byte en Java están en complemento a 2, osea que van desde -2^7 a 2^7-1, así que bcel guarda la codificación de los opcodes superior a 2^7-1 como negativos, pero a la hora de la verdad son positivos, por lo que hacemos esa transformación de byte a short para permitir valores superior a 2^7-1, en la clase JMethod lo veremos.
Después de eso tenemos el bucle de ejecución, que debe seguir funcionando mientras tengamos algo que ejecutar (el frame actual no sea null), y no tengamos ningún error. Hacemos una distinción a la hora de ejecutar por si el método es nativo o no, si lo es el control pasa al método especial ejecutarNative(), sino, obtenemos el código del método, la instrucción a ejecutar y usamos el método ejecutarOPCODE(), todo esto haciendo uso de los métodos de StackFrame y de la clase JMethod, que todavía no hemos visto, pero que es fácil intuir que hacen.
Código runOPCODE()
private void runOPCODE() {
short[] code;
short opcode;
while (topFrame != null && topFrame.error == 0) {
if (topFrame.getMethod().isNative())
ejecutarNative();
else {
// ejecucion acceso directo bytecode
code = topFrame.getMethod().getCode();
opcode = code[topFrame.getPC()];
ejecutarOPCODE(code, opcode);
}
}
}
Para el método de ejecución usamos una estructura switch-case, en función de qué tipo de opcode tengamos se realizará una ejecución u otra, he puesto solo algunas instrucciones aunque como digo son muchas más, pero para haceros una idea esta bien. Para saber como implementar cada una nada mejor que primero revisar la lista básica:
http://en.wikipedia.org/wiki/Java_bytecode_instruction_listings
Y después revisar la ayuda de Jasmin (un ensamblador para la JVM algo más simple), por ejemplo el siguiente enlace es para putfield:
http://www.vmth.ucdavis.edu/incoming/Jasmin/ref-putfield.html
Código ejecutarOPCODE()
private void ejecutarOPCODE(short[] code, short opcode) {
short pos, parteA, parteB, cons, type;
// segun opcode exec instruccion
switch (opcode) {
case Constants.NOP:
ejecutarNOP();
break;
// /////////////// Stack Operations ////////////////
// Instructions that push a constant onto the stack
case Constants.ICONST_M1:
case Constants.ICONST_0:
case Constants.ICONST_1:
case Constants.ICONST_2:
case Constants.ICONST_3:
case Constants.ICONST_4:
case Constants.ICONST_5:
ejecutarICONST(Integer.valueOf(opcode - Constants.ICONST_0));
break;
// Instructions that load a local variable onto the stack
case Constants.ILOAD:
pos = code[topFrame.getPC() + 1];
ejecutarILOAD((byte) pos);
topFrame.incPC();// saltar index
break;
// Instructions that load a local variable onto the stack
case Constants.ILOAD:
pos = code[topFrame.getPC() + 1];
ejecutarILOAD((byte) pos);
topFrame.incPC();// saltar index
break;
case Constants.ISTORE:
pos = code[topFrame.getPC() + 1];
ejecutarISTORE(pos);
topFrame.incPC();// saltar index
break;
// Integer arithmetic
case Constants.IADD:
ejecutarIADD();
break;
// ///////////// Objects and Arrays ////////////
// Instructions that deal with objects
case Constants.NEW:
parteA = code[topFrame.getPC() + 1];
parteB = code[topFrame.getPC() + 2];
ejecutarNEW(getIndex(parteA, parteB));
break;
case Constants.GETFIELD:
parteA = code[topFrame.getPC() + 1];
parteB = code[topFrame.getPC() + 2];
ejecutarGETFIELD(getIndex(parteA, parteB), lastDec);
break;
// ////////////Control Flow /////////////////////
// Conditional branch instructions
case Constants.IFEQ:
parteA = code[topFrame.getPC() + 1];
parteB = code[topFrame.getPC() + 2];
ejecutarIFEQ(getIndex(parteA, parteB), lastDec);
break;
// ////////////////////// Method Invocation and Return ////////
// Method return instructions
case Constants.RETURN:
ejecutarRETURN();
break;
case Constants.IRETURN:
ejecutarIRETURN();
break;
// Method invocation instructions
case Constants.INVOKESPECIAL:
ejecutarINVOKEBC(null, code);
break;
case Constants.INVOKESTATIC:
ejecutarINVOKEBC(Constants.INVOKESTATIC, code);
break;
case Constants.INVOKEVIRTUAL:
ejecutarINVOKEBC(null, code);
break;
default:
error(topFrame, "opcode no reconocido");
break;
}
}
Mencionar el método getIndex(), cada opcode de la JVM ocupa un byte, y si usa parámetros van codificados a continuación usando otros byte, el tema esta que los índices a la ConstantPool van codificados como 16 bits, pero separados en 2 bytes (uno con los 8 bits más significados y otro con los 8 menos), asi que para formar el índice completo hay que coger cada byte por separado y generar el short (de 16bits), para ello hacemos uso de la clase ByteBuffer (probé distintas formas ésta es la que me funcionó).
Código getIndex()
/**
* Construye un indice de 16 bits separado en 2 bytes
*
* @param subi1
* primera parte indice
* @param subi2
* segunda parte indice
* @return el indice completo
*/
private int getIndex(short subi1, short subi2) {
ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(2);
bb.order(ByteOrder.BIG_ENDIAN);
bb.put((byte) subi1);
bb.put((byte) subi2);
short index = bb.getShort(0);
return index;
}
Para la ejecución de métodos nativos, según leí hay distintas formas de abordarlo, yo elegí la más simple, cuando detectamos el método nativo, obtenemos cual es, mirando su signatura y nombre, y usando una clase de ayuda llamada Natives hacemos su ejecución utilizando código Java, aunque podría hacerse de otras formas. Por ejemplo nuestro método print() escribe por pantalla, y para ello usa el método System.out.print().
Código ejecutarNative()
private int ejecutarNative() {
JValue val = null;
String sig = topFrame.getMethod().getFullNameAndSig();
if (sig.equals(Natives.SIGS[0])) {
val = Natives.fillInStackTrace(this);
} else if (sig.equals(Natives.SIGS[1])) {
val = Natives.print(this);
} else if (sig.equals(Natives.SIGS[2])) {
val = Natives.println(this);
} else if (sig.equals(Natives.SIGS[3])) {
val = Natives.getIntFromStr(this);
}
if (val != null) {
topFrame.push(val);
ejecutarXRETURN();
} else
ejecutarRETURN();
return 0;
}
Código print() en Natives.java
public static JValue print(JVM jvm) {
JObject ostr = (JObject) jvm.topFrame.locals[0];
JArray arraystr = (JArray) ostr.getField(0).getValue();
StringBuffer sb = new StringBuffer();
for (int i = 0; i < arraystr.nElems; i++) {
sb.append(arraystr.get(i));
}
System.out.print(sb);
return null;
}
También os dejo la implementación de algunas de las instrucciones, he comentado el código para que quede más claro y más o menos creo que debería entenderse.Código implementación algunas instrucciones
private void ejecutarNEW(int index) {
JObject object;
//usamos constant pool para obtener nombre de clase en base a su indice
ConstantPool cp = topFrame.getConstantPool();
ConstantClass cc = (ConstantClass) cp.getConstant(index,
Constants.CONSTANT_Class);
String className = cc.getBytes(cp);
//cargamos clase y creamos objeto a traves de heap
JClass jClass = classes.loadClass(className);
object = heap.createObject(jClass);
//añadimos objeto a la pila y saltamos parametros
topFrame.push(object);
topFrame.incPC(3);
}
private void ejecutarRETURN() {
//return sin valor, simplemente volvemos al frame padre
setTopFrame(topFrame.getCf());
}
private void ejecutarIRETURN() {
if (topFrame.size() != 1)
error(topFrame, "Tamaño de pila para return distinto de 1");
JValue val = topFrame.pop();
StackFrame previous = topFrame.getCf();
if (previous == null) {
error(topFrame, "No hay frame previo para return");
} else {
previous.push(val);
setTopFrame(previous);
}
}
//para este metodo usamos un truco a la hora de llamarlo,
//las instrucciones const estan codificadas de manera consecutiva,
//asi obtenemos el valor correcto restando cada una a la primera
private void ejecutarICONST(int n) {
topFrame.push(new JInteger(n));
topFrame.incPC();
}
private void ejecutarILOAD(byte pos) {
topFrame.push(topFrame.locals[pos]);
topFrame.incPC();
}
private void ejecutarISTORE(int pos) {
JValue val = topFrame.operands.pop();
topFrame.locals[pos] = val;
topFrame.incPC();
}
private void ejecutarIADD() {
//cada tipo tiene su clase concreta, asà para sumar
//dos enteros usamos el metodo de clase y add a la pila
JInteger op1 = (JInteger) topFrame.operands.pop();
JInteger op2 = (JInteger) topFrame.operands.pop();
topFrame.push(op1.add(op2));
topFrame.incPC();
}
private void ejecutarIFEQ(int index) {
//en base al valor en la pila saltamos a index o no
JInteger val = (JInteger) topFrame.pop();
if (val.getValue() == 0) {
topFrame.incPC(index);
} else {
topFrame.incPC(3);
}
}
Por último la invocación de métodos, el mismo método lo usamos para los 3 tipos de invocación.
Código invocación de métodos
private void ejecutarINVOKEBC(Short stat, short[] code) {
// get clase y method info a partir de BC
ConstantPool cp = topFrame.getConstantPool();
ConstantMethodref methodIndex = (ConstantMethodref) cp
.getConstant(
getIndex(code[topFrame.getPC() + 1],
code[topFrame.getPC() + 2]),
Constants.CONSTANT_Methodref);
// get clase
// modo largo, siguiendo cadena referencias
// ConstantClass classIndex =(ConstantClass)
// cp.getConstant(methodIndex.getClassIndex(),Constants.CONSTANT_Class);
// ConstantString stringClassIndex=(ConstantString)
// cp.getConstant(classIndex.getNameIndex(),Constants.CONSTANT_String);
// ConstantUtf8 utf8ClassIndex=(ConstantUtf8)
// cp.getConstant(stringClassIndex.getStringIndex(),Constants.CONSTANT_Utf8);
// String className =utf8ClassIndex.toString();
// USANDO ATAJO
String className = methodIndex.getClass(cp);
// get method
ConstantNameAndType nameAndTypeIndex = (ConstantNameAndType) cp
.getConstant(methodIndex.getNameAndTypeIndex());
String methodName = nameAndTypeIndex.getName(cp);
String signature = nameAndTypeIndex.getSignature(cp);
JClass jClass = classes.loadClass(className);
JMethod jMethod = jClass.getMethod(methodName, signature);
// maximo argumentos
int maxArgs = jMethod.getMaxArgs() + 1;
// si es estatico disminuyo params
if (stat != null)
maxArgs--;
// get pila en orden para parametros
Stack<JValue> stack = topFrame.getParamsReverse(maxArgs);
topFrame.clearParams(maxArgs);
StackFrame newTopFrame;
int desp = 0;
if (stat != null) {
newTopFrame = new StackFrame(topFrame, jMethod, jClass);
} else {
// si no es estatico, meto referencia en locals[0]
desp = 1;
JObject ref = (JObject) stack.pop();
newTopFrame = new StackFrame(topFrame, jMethod, jClass, ref);
}
// paso parametros tras que se ha creado la estructura
for (int j = 0; j < maxArgs - desp && !stack.empty(); j++) {
JValue val = stack.pop();
// si no es el primero y el anterior ocupa 2 espacios, lo desplazo
if (j != 0
&& (newTopFrame.getLocals()[j - 1].type == Type.LONG || newTopFrame
.getLocals()[j - 1].type == Type.DOUBLE)) {
newTopFrame.getLocals()[j + desp + 1] = val;
} else
newTopFrame.getLocals()[j + desp] = val;
}
topFrame.incPC(3);
setTopFrame(newTopFrame);
}
Alaaaa, sí, todo esto para invocación de métodos, primero tenemos que obtener que método vamos a llamar, esa información esta en una constante MethodRef de la ConstantPool así que lo obtenemos usando el índice de su posición que viene codificado en los dos siguientes bytes de la instrucción. El método getConstant() de BCEL nos facilita realizar esta operación, el segundo parámetro sirve para especificar que tipo de constante queremos obtener, saltando una excepción si no es ese (útil para debug).
Tras eso ya tenemos la referencia al método pero necesitamos su clase! He dejado comentado la manera "larga", la que sigue la cadena de referencias de la ConstantPool, pero por suerte BCEL nos proporciona un método llamado getClass() para obtener directamente ese valor.
Como dije tenemos la referencia al método pero ni su nombre ni su signatura, esa información esta en una constante NameAndType, de nuevo usamos la ConstantPool y voila, ya podemos crear nuestro JClass y JMethod. Además necesitamos saber el número de parámetros del método.
El tratamiento de métodos static lo hacemos ahora, cuando no es static, una referencia al objeto que lo llama se guarda en la primera posición de variables locales, si lo es, simplemente disminuimos el valor. Otro punto que hay que notar es que el paso de parámetros se hace en orden contrario al de la pila, de ahí el uso del método auxiliar getParamsReverse(), que nos da la pila de parámetros en orden para luego meterlos en el array de variables locales.
Luego creamos el frame en función de si es static o no, y por último el paso de parámetros en sí. Básicamente va sacando elementos de nuestra pila de argumentos y los mete en el array de locales, pero hay que resaltar varias cosas. Primero si es static o no, de ahí el valor desp para no sobreescribir la referencia al objeto, y además los valores long y double, que en la JVM ocupan dos "espacios". En esta implementación ocupa 1 pues todo son JValue, pero de todos modos tenemos que hacer que ocupen dos pues las referencias en el bytecode serán a su posición real.
UFF, bueno todo eso sería para nuestra clase JVM, mucho curro y todavía solo hemos empezado porque... ¿Cómo implementamos las 3 partes que no tenemos? ¿Dónde se hace la lectura de los .class? Adelanto que de eso se ocupará nuestra clase ClassArea.
Bueno, de esa clase y del resto de nuestra JVM hablaré en la tercera parte y final (espero) de este tutorial.
Un saludo.
Tercera parte ya disponible!
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