Compiladores-JVM

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JVM- Máquina Virtual Java

Prof. Pablo Azevedo Sampaio BCC / UFRPE

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Estrutura da Apresentação

• Máquinas Virtuais • Introdução à JVM • Arquivo class • Tipos de Dados • Descritores de Tipos • Frames • Instruções • Compilando para a JVM • Referências

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• Definições:

– Particionamento de uma máquina: sistema IBM VM/ESA para o IBM 370 (1965).

– SO rodando sobre SO: Unix sobre Windows – Software que simula o comportamento de

uma máquina (diferente daquela na qual roda).

• Emuladores

– Ambientes independentes de plataforma para linguagens de programação

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• O-Code machine para BCPL (1960’s)

• P-Code machine para UCSD Pascal (1970´s) • Smalltalk (1970´s)

• Java Virtual Machine para Java (1995) • Microsoft .NET: VB, C#, C++, ... (2001)

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• Impacto na Performance

– Linguagens Interpretadas: JavaScript, Perl, etc.

• Portabilidade e Segurança

• 100x a 200x mais lentas que C

– Linguagens Baseadas em Bytecodes

• Linguagens semi-compiladas • 10 a 20x mais lentas que C • JIT: ~5x mais lenta que C

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• Engenho que executa um programa Java • Processador virtual:

– Possui seu próprio conjunto de instruções – Manipula diferentes áreas de memória

• Baseada em pilha de operandos

• Responsável por gerenciar: memória

(garbage collector), erros, exceções, threads

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• Garante as seguintes características da linguagem Java: – Portabilidade – Eficiência (JIT) – Segurança

JVM - Introdução

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• A JVM não “sabe” nada da linguagem Java. Ela entende apenas arquivos em um formato binário particular: arquivos class.

• Permite rodar outras linguagens desde que seja possível traduzi-las para arquivos class.

– Haskell, Pascal, Ada etc.

• Instruções lembram as de processadores

reais, mas são mais complexas (de mais alto nível).

– Ex: Instruções para manipular objetos

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• Camadas de abstração: Programa em Java JVM Sistema Operacional Hardware Java Bytecode

JVM - Introdução

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• Formato único independente de plataforma • Ênfase na compacidade

• Representa de maneira precisa uma classe ou interface

• Guarda informações sobre: atributos,

métodos, permissões de acesso, herança. • Informações extras: nomes das variáveis

locais, linhas do código (Java), etc.

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• Constant Pool: armazena valores constantes referenciados pelas instruções. Exemplos:

– Nomes e assinaturas de métodos e atributos – Nomes de classes

– Constantes numéricas – Strings constantes

• Constant Pool favorece a compacidade

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• Dividem-se em:

– Primitivos – Referência

• Checagem de tipos deve ser feita em tempo de compilação (ou pelo Verifier)

• JVM não faz distinção entre valores de tipos diferentes.

• No entanto, oferece instruções específicas para cada tipo de dado.

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• Tipos numéricos:

– Inteiros:

• byte: 8 bits com sinal

• char: 16 bits sem sinal, representando caracteres Unicode

• short: 16 bits com sinal • int: 32 bits com sinal • long: 64 bits com sinal – Ponto-flutuante:

• float: 32 bits com sinal • double: 64 bits com sinal

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• Tipo boolean:

– Suporte limitado, não há instrução que opere exclusivamente sobre esse tipo de dado

– Em geral, é tratado com o tipo int da JVM – Valores: 0 (false) e 1 (true)

• Tipo returnAddress:

– Seus valores são ponteiros para opcodes da JVM – Usado por algumas instruções da JVM

– Único tipo que não tem correspondente em Java

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• É o tipo usado para referenciar: arrays, classes e interfaces

• Seus valores são endereços para objetos criados dinamicamente

• O valor null representa uma referência inválida

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Descritores de Tipos

• São strings usadas para descrever o tipo de um atributo ou método dentro de um arquivo

class.

– Exemplos: “[[I” significa int[][]

• São usados para definir a assinatura de

métodos e atributos e também para acessá-los.

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Descritores de Tipos

• descritor_simples: básico | array | classe • Tipos básicos: – “Z”: boolean – “B”: byte – “I”: int – “F”: float – “J”: long – etc.

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Descritores de Tipos

• Arrays: “[“ + <descritor_simples>

– Ex.: “[[[Z” => boolean[][][]

• Classes: “L” + <nome_classe> + “;”

– nome_classe: nome “completo” da classe (informando o pacote a que ela pertence, usando barras “/” ao invés de ponto “.”) – Ex.: “Ljava/lang/String;” => String

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Descritores de Tipo

• Métodos: “(“ + <descritor_simples>* + “)” + <descritor_simples> • Exemplo: – Um método Java:

long[] myMethod(int i, double d, Thread t)

– Descritor do método:

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• São estruturas que guardam informações específicas de uma chamada de método.

• São criados a cada chamada de método e destruídos quando a chamada termina.

• São sucessivamente empilhados na JVM Stack em chamadas aninhadas.

• Cada frame da JVM possui:

– Uma pilha de operandos

– Um array de variáveis (locais)

– Referência para a runtime Constant Pool

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• Array de variáveis locais

– Posições de 4 bytes acessadas através de seus índices

– Valores byte, char, short, int, ... ocupam uma única posição do array

– Valores long e double ocupam duas posições – Tem seu tamanho determinado em tempo de

compilação e informado no arquivo class

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• Pilha de operandos

– Estrutura FILO de onde as instruções buscam seus operandos e para onde retornam resultados

– Vazia quando o frame é criado

– Usada para preparar parâmetros para a chamada a um método, bem como para retornar valores

– Tamanho determinado em tempo de compilação – long e double ocupam dois espaços

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this _argu men tos var. loca is Pilha de Operandos

Ref. Constant Pool

0 <Class> “My Class”

1 <String> “Hello World” 2 <Integer> 1234567 ... ... 0 1 2 3 4 5 JVM Stack Frame 1 Frame 2 Frame 3 Frame 4 Frame 5

Frames

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Instruções

• O conjunto de instruções da JVM não é ortogonal, ou seja, instruções disponíveis para um tipo podem não possuir

instrução análoga para outro tipo.

– O tipo int é o que apresenta melhor suporte na JVM: 23 instruções

– O tipo boolean apresenta o pior suporte: 0 instruções

• Alguns tipos são operados como int:

– char, boolean: estendidos (para 32 bits) com zero – byte, short: estendidos com o sinal

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Instruções

• Instruções com opcodes de apenas 1 byte. • Algumas instruções vêm acompanhadas de

um ou mais operandos.

• A maioria das instruções da JVM opera apenas sobre um tipo específico.

• A maioria das instruções tem representado no seu mnemônico o tipo sobre o qual ela opera.

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Instruções

• Uma letra para representar cada tipo:

– i : operações sobre int – l : operações sobre long – s : operações sobre short – b : operações sobre byte – c : para char

– f : para float – d : para double

– a : para o tipo referência (classes, arrays, interfaces)

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Instruções

• Instruções de load/store:

– Para carregar uma variável local na pilha de operandos: iload, lload, dload, aload, etc. – Para armazenar uma valor da pillha de

operandos em uma variável local: istore,

lstore, fstore, dstore, astore, etc.

– Colocar uma constante na pilha de

operandos: bipush, sipush, ldc, aconst_null, etc.

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Instruções

• Instruções aritméticas:

– Soma: iadd, ladd, fadd, dadd.

– Multiplicação: imul, lmul, fmul, dmul. – Negação: ineg, lneg, fneg, dneg.

– Shift: ishl, ishr, lshl, lshr, etc. – AND bit-a-bit: iand, land.

– Comparação: dcmpg, dcmpl, fcmpg, lcmp, etc.

• Retornam –1 (menor), 0 (igual) ou +1 (maior)

– Incrementa variável local (sem colocar na pilha): iinc. – etc.

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Instruções

...

3 iload_2 4 bipush 10 6 iadd 7 istore_3

...

23 31 23

5

4

3

2

1

0

23 33

...

23 10 33

...

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Instruções

• Conversões de tipo:

– A primeira letra é o tipo origem, a última é o tipo destino.

– O número 2 tem o sentido de “to” (para).

– A JVM suporta diretamente as seguinte conversões de extensão (sem perdas significativas):

• int => long => float => double • i2l, i2f, l2f, f2d.

– As outras conversões suportadas podem resultar em perdas significativas do valor: i2b, i2c, l2i, ...

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Instruções

• Instruções para criação e manipulação de objetos:

– Criação de objetos: new, newarray, etc. – Acessar atributos: getfield, putfield, etc. – Acessar uma posição do array: baload,

caload, bastore, castore, etc.

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Instruções

• Checar propriedades dos objetos:

instanceof, checkcast.

• Instruções para manipulação da pilha e do array de variáveis: pop, pop2, dup, dup2,

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Instruções

• Instruções de controle (desvios):

– Desvios incondicionais: goto, goto_w, etc.

– Desvios condicionais: ifeq, iflt, ifle, ifnull, etc.

• Desvios condicionais sobre o tipo int realizam a

comparação automaticamente: if_icmplt, if_icmpeq,

if_icmpg, etc.

• Desvios condicionais sobre outros tipos precisam ser precedidos por uma instrução de comparação:

dcmpg

ifeq loop

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Instruções

...

5 fcmpg 6 ifeq 11 9 aconst_null 10 astore_2 11 fload_0

...

5

4

3

2

1

0

1.0 5.43 1.0 1.00

...

5.43

...

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Instruções

• Chamada e retorno de métodos:

– Chamada: invokevirtual, invokespecial,

invokestatic.

– Retorno: lreturn, freturn, ireturn.

– Ao chamar um método, os parâmetros devem ser colocados (na ordem da declaração) na pilha. Quando a execução termina, o valor de retorno, se houver, é colocado no topo da pilha do frame “pai”.

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Compilando para a JVM

• Arquivo “HelloWorld.java”:

public class HelloWorld {

public static void main(String args[]) { System.out.println(“Hello World!”); }

}

• javac HelloWorld.java

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Compilando para a JVM

• A ferramenta javap, distribuída junto com o JDK da Sun, permite decompilar:

> javap –c HelloWorld.class

Compiled from HelloWorld.java

public class HelloWorld extends java.lang.Object { public static void main(java.lang.String[]); }

Method void main(java.lang.String[])

0 getstatic #2 <Field java.io.PrintStream out> 3 ldc #3 <String "Hello World!">

5 invokevirtual #4 <Method void

println(java.lang.String)> 8 return

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Compilando para a JVM

• O código gerado pelo javap não pode ser alterado e recompilado.

• Para compilar uma arquivo com código assembler JVM é necessário usar alguma biblioteca.

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Jasmin

• Java Assembler Interface.

• Compilador de assembly JVM para arquivos

class.

• Recebe um arquivo texto como entrada. • A sintaxe do arquivo é parecida com a dos

arquivos gerados com o javap.

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Jasmin – Exemplos

• Exemplo de chamada de método

– Código Java original

int add12and13() {

return addTwo(12, 13); }

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Jasmin – Exemplos

• Exemplo de chamada de método

– Código Jasmin:

.method add12and13()I

aload_0 //coloca variável zero na pilha (this)

bipush 12 //coloca constante 12 na pilha bipush 13 //coloca constante 13 na pilha invokevirtual “Classe/addTwo(II)I”

//chama metodo addTwo da classe “Classe”

ireturn //retorna o inteiro do topo da pilha

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Jasmin – Exemplos

• Exemplo de uso de parâmetros e retorno de valores:

– Código Java:

double doubleLocals(double d1, double d2){ return d1 + d2;

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Jasmin – Exemplos

• Exemplo de uso de parâmetros e retorno de valores:

– Código Jasmin:

.method doubleLocals(DD)D

dload_1 //coloca variável d1 na pilha

dload_3 //coloca variável d2 na pilha

dadd //soma de double

dreturn //retorna o double do topo da pilha

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Jasmin – Exemplos

• Instanciando um novo objeto:

– Código Java:

Object create() {

return new Object(); }

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Jasmin – Exemplos

• Instanciando um novo objeto:

– Código Jasmin:

.method create()Ljava/lang/Object;

new “java/lang/Object” //aloca espaço no heap

dup //duplica o topo da pilha

invokespecial “java/lang/Object/<init>”

//chama o construtor (método “<init>”)

areturn //retorna a referência para o objeto

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Jasmin – Exemplos

• Laço for: – Código Java: void spin() { int i; for (i =0; i < 100; i ++) { ; } }

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Jasmin – Exemplos

• Laço for:

– Código Jasmin:

.method spin()V

iconst_0 // põe valor zero na pilha

istore_1 // armazena na variável 1 (i=0)

goto teste // desvia para o teste do laço

laco: // label do início do laco

iinc 1 1 // incrementa variável 1 (i) de 1

teste: // label do teste da condicao

iload_1 // põe variável i na pilha

bipush 100 // põe constante 100 na pilha

if_icmplt laco // compara os valores da pilha e desvia return

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Referências

• The Java Virtual Machine Specification (Lindholm & Yellin)

– http://java.sun.com (capítulos 3 a 7)

• WikiPedia – The Free Encyclopedia

– http://www.wikipedia.org/wiki/Virtual_machine

• The Core Of Information Technology

– http://cne.gmu.edu/itcore/virtualmachine/history.h

tm

• Jasmin