[开源JVM] yvm - 自制Java虚拟机

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YVM是用C++写的一个Java虚拟机，现在支持Java大部分功能，以及一个基于标记清除算法的并发垃圾回收器. 不过还有很多bug等待修复。
感兴趣的朋友pull request/fork/star吧。

Github repo

https://github.com/racaljk/yvm

已支持语言特性

高级特性逐步支持中，可以开Issue提议或者直接PR

Java基本算术运算，流程控制语句，面向对象。
RTTI
字符串拼接(+,+=符号重载)
异常处理(可输出stacktrace)
创建异步线程
Synchronized(支持对象锁)
垃圾回收(标记清除算法)

构建和运行

先决条件
- Boost(>=1.65) 请在CMakeLists.txt中手动配置Boost库位置
- CMake(>=3.5)
- C++14
- gcc/msvc/mingw均可
老生常谈

$ cd yvm
$ cmake .
$ make -j4
$ make test

$ ./yvm --help
Usage:--help                List help documentations and usages.--runtime arg         Attach java runtime libraries where yvm would lookup classes at--run arg             Program which would be executed soon
You must specify the "runtime" flag to tell yvm where it could find jdk classes, and also program name is required.
$ ./yvm --runtime=C:\Users\Cthulhu\Desktop\yvm\bytecode ydk.test.QuickSort

运行效果

helloworld
快速排序
and more see its github repository readme.md...

开发文档

1. 从字节码到对象

MethodArea负责管理字节码到JavaClass的完整生命周期。MethodArea的方法是自解释的：

class MethodArea {
public:// 方法区需要从运行时目录中搜索相关的*.class文件MethodArea(const vector<string>& libPaths);~MethodArea();// 查看一个类是否存在JavaClass* findJavaClass(const string& jcName);//加载jcName类bool loadJavaClass(const string& jcName);//移除jcName（该方法用于垃圾回收器）bool removeJavaClass(const string& jcName);//链接jcName类，初始化static字段void linkJavaClass(const string& jcName);//初始化jcName，初始化静态字段，调用static{}void initJavaClass(CodeExecution& exec, const string& jcName);public://辅助方法，如果不存在jcName则加载 JavaClass* loadClassIfAbsent(const string& jcName);//如果未链接jcName则链接void linkClassIfAbsent(const string& jcName);//如果未初始化jcName则初始化void initClassIfAbsent(CodeExecution& exec, const string& jcName);
}

假设磁盘存在一个Test.class文件，它会经历如下过程：

Test.class[磁盘中]-> loadJavaClass("Test.class")[内存中] -> linkJavaClass("Test.class")->initJavaClass("Test.class")

现在虚拟机就可以使用这个JavaClass创建对应的对象了：

// yrt 是全局运行时对象，ma表示方法区模块,jheap表示堆模块
JavaClass* testClass = yrt.ma->findJavaClass("Test.class");
JObject* testInstance = yrt.jheap->createObject(*testClass);

2.1 对象内部构造

虚拟机执行时栈上存放的都是JObject,它的结构如下：

struct JObject {std::size_t offset = 0; const JavaClass* jc{}; 
};

offset唯一代表一个对象，所有在堆上面的操作都需要这个offset。jc指向对象的Class表示。
堆中的对象是按照<offset,fields>方式进行存放的：

[1]  ->  [field_a, field_b, field_c]
[2]  ->  []
[3]  ->  [field_a,field_b]
[4]  ->  [field_a]
[..] ->  [...]

只要我们持有offset，就可以查找/添加/删除对应的field

数组几乎和上面类似,只是多了长度，少了Class指针

struct JArray {int length = 0;std::size_t offset = 0; 
};
[1]  ->   <3, [field_a, field_b, field_c]>
[2]  ->   <0, []>
[3]  ->   <2, [field_a,field_b]>
[4]  ->   <1, [field_a]>
[..] ->   <..,[...]>

2.2 从对象创建到消亡

上面提到，对象持有一个offset和jc，其中jc表示的JavaClass是由MethodArea负责管理的，offset则是由JavaHeap负责管理。JavaHeap提供了大量API，这里选取的是最重要的:

class JavaHeap {
public://创建对象和数组JObject* createObject(const JavaClass& javaClass);JArray* createObjectArray(const JavaClass& jc, int length);//获取对象字段auto getFieldByName(const JavaClass* jc, const string& name,const string& descriptor, JObject* object);//设置对象字段void putFieldByName(const JavaClass* jc, const string& name,const string& descriptor, JObject* object,JType* value);//设置数组元素void putElement(const JArray& array, size_t index, JType* value);//获取数组元素auto getElement(const JArray& array, size_t index);//移除对象和数组void removeArray(size_t offset;void removeObject(size_t offset);
};

还是Test.class那个例子，假设对应的Test.java构造如下:

public class Test{public int k;private String hello;
}

在第一步我们已经获取到了Test类在虚拟机中的类表示以及对象表示,现在就可以对类的字段进行操作了：

const JavaClass* testClass = yrt.ma->findJavaClass("Test.class");
JObject* testInstance = yrt.jheap->createObject(*testClass);
//获取hello字段
JObject*  helloField = yrt.jheap->getFieldByName(testClass,"hello","Ljava/lang/String;",testInstance);
//设置k字段
yrt.jheap->putFieldByName(testClass,"k","I",testInstance);