1. 概述

我的 JVM 已經能夠執行HelloWorld了，並且有了基本的 JVM 骨架，包括執行時資料結構的定義（棧、棧幀、運算元棧等），執行時的邏輯控制等。但它還沒有類和物件的概念，比如無法執行下面這更復雜的HelloWorld：

public interface SpeakerInterface {
    public void helloTo(String somebody);
}

public class Speaker implements SpeakerInterface{
    private String hello = "";
    Speaker(String hello){
        this
 
.hello = hello;
    }
    public void helloTo(String somebody){
        System.out.println(this.hello +" "+ somebody);
    }
}

public class Main{
    private final static SpeakerInterface speaker = new Speaker("Hello");
    public static void main(String[] args){
        speaker.helloTo(args[0]);
    }
}
 

要讓上述程式碼工作，將涉及到了：

1. 類的初始化

   類靜態成員的初始化，如類成員Main.speaker在何時初始化。

2. 物件初始化（例項化）

   如new Speaker("Hello")如何執行，物件的成員（如private String hello = "";）如何初始化。注意String在JJvm 中被當做 Native 類，那麼 Native 類又如何初始化。

3. 物件屬性的操作

   包括 Native 類和非 Native 類例項的屬性的操作，如訪問Speaker.hello。

4. 方法呼叫

   包括例項方法、類方法、介面方法的呼叫。

2. 抽象

為了支援類和物件的概念，我在 JVM 層做了抽象，如下圖：

我定義了類和物件的基本形態（這裡只列出了介面的主要方法）：

• JvmClass

  表示“類”，類提供例項化（newInstance）、獲取方法(getMethod)、獲取屬性(getField)和獲取父類(getSuperClass)的方法。注意這裡的“例項化”指建立物件，但不呼叫物件的建構函式。物件的建構函式是在位元組碼指令中顯式呼叫的。

• JvmField

  表示“屬性”， 提供獲取(set)和設定(get)屬性的方法。

• JvmMethod

  表示“方法”，提供方法呼叫（call）和獲取引數數量(getParameterCount)方法。這裡會什麼會有“獲取引數數量”的方法？因為執行時，需要知道從運算元棧中推出幾個元素，作為方法呼叫的引數。

• JvmObject

  表示“物件”，提供獲取父類物件（getSuper）和獲取當前類（getClazz）的方法。如果一個類有多級繼承， 則這個類的例項中會包含多個 JvmObject 例項。如 A --|> B --|> Object, 那麼A的例項 a，其內部有三個JvmObject例項, 每一個JvmObject例項維護自己所表示的類的屬性。

你可能注意到一點，這裡沒有提到介面interface的概念。原因是 JVM 中並不需要太多關注介面，實際上為了讓示例能執行，和介面有關的就是操作碼 invokeinterface。關於invokeinterface將在後面說明。

3. 實現

基於前面定義的介面，再編寫兩套實現，分別表示原生類（JvmNative*）和Java 類（JvmOpcode*）。下面將以Java 類的實現為例，進行說明。

3.1. 類的初始化

類的初始化即呼叫類的<clinit>方法， 如下面是示例Main類的初始化方法的位元組碼：

  static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=3, locals=0, args_size=0
         0: new           #4                  // class org/caoym/samples/sample2/Speaker
         3: dup
         4: ldc           #5                  // String Hello
         6: invokespecial #6                  // Method org/caoym/samples/sample2/Speaker."<init>":(Ljava/lang/String;)V
         9: putstatic     #2                  // Field speaker:Lorg/caoym/samples/sample2/SpeakerInterface;
        12: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0

這段程式碼先例項化了Speaker物件，然後將物件設定給類的靜態變數speaker。關於物件的例項化過程，將在後面介紹。這裡我們先關注類的初始化。我為類JvmOpcodeClass 實現初始化程式碼：

public void clinit(Env env) throws Exception {
        if(inited) return;
        synchronized(this){ //類初始化方法需要保證執行緒安全
            if(inited) return;
            inited = true;
            JvmOpcodeMethod method = methods.get(new AbstractMap.SimpleEntry<>("<clinit>", "()V"));
            if(method != null){
                method.call(env, null);
            }
        }
    }

也就是找到<clinit>方法，然後按正常方法的形式執行。關於類的初始化方法何時被執行，這裡摘錄了《Java 虛擬機器規範 (Java SE 7 版)》中的描述：

• 在執行下列需要引用類或介面的Java虛擬機器指令時:new，getstatic，putstatic 或 invokestatic。這些指令通過欄位或方法引用來直接或間接地引用其它類。執行上 面所述的 new 指令，在類或介面沒有被初始化過時就初始化它。執行上面的 getstatic， putstatic 或 invokestatic 指令時，那些解析好的欄位或方法中的類或介面如果還 沒有被初始化那就初始化它。
• 在初次呼叫java.lang.invoke.MethodHandle例項時，它的執行結果為通過Java 虛擬機器解析出型別是 2(REF_getStatic)、4(REF_putStatic)或者 6 (REF_invokeStatic)的方法控制代碼(§5.4.3.5)。
• 在呼叫JDK核心類庫中的反射方法時，例如，Class類或java.lang.reflect包。
• 在對於類的某個子類的初始化時。
• 在它被選定為Java虛擬機器啟動時的初始類(§5.2)時。

簡單說就是例項化、訪問屬性、呼叫方法、使用反射前，被初始化。

3.2. 物件初始化

還是先看示例Main類的初始化方法的位元組碼

0: new           #4                  // class org/caoym/samples/sample2/Speaker
3: dup
4: ldc           #5                  // String Hello
6: invokespecial #6                  // Method org/caoym/samples/sample2/Speaker."<init>":(Ljava/lang/String;)V

上述位元組碼對應的程式碼是

new Speaker("Hello");

為了讓位元組碼能夠執行，需要實現這些指令：

• new

  分配物件，也就建立我們的 JvmOpcodeObject。指令實現如下：

  /**
   * 建立一個物件，並將其引用值壓入棧頂。
   */
  NEW(Constants.NEW){
      @Override
      public void invoke(Env env, StackFrame frame, byte[] operands) throws Exception {
          // 獲取類資訊
          int index = (operands[0] << 8)| operands[1];
          ConstantPool.CONSTANT_Class_info info
                  = (ConstantPool.CONSTANT_Class_info)frame.getConstantPool().get(index);
          // 根據類名載入類
          JvmClass clazz = env.getVm().getClass(info.getName());
          // 建立物件，並推入運算元棧 
          frame.getOperandStack().push(clazz.newInstance(env));
      }
  },
  

• ldc

  將 int，float 或 String 型常量值從常量池中推送至棧頂。此處將常量“Hello”推入棧頂。

• dup

  複製棧頂數值並將複製值壓入棧頂。複製的目的是因為建構函式本身沒有返回值，invokespecial呼叫建構函式後將消耗掉運算元棧上的引用，所以需要事先備份一個。程式碼略。

• invokespecial

  該指令用於呼叫超類構造方法、例項初始化方法或者私有方法。此處呼叫的是構造方法<init>。

  /**
   * 呼叫超類構造方法、例項初始化方法或者私有方法。
   */
  INVOKESPECIAL(Constants.INVOKESPECIAL){
      @Override
      public void invoke(Env env, StackFrame frame, byte[] operands) throws Exception {
          // 獲取類和方法資訊
          int arg = (operands[0]<<8)|operands[1];
          ConstantPool.CONSTANT_Methodref_info info
                  = (ConstantPool.CONSTANT_Methodref_info)frame.getConstantPool().get(arg);
          // 根據類名載入類
          JvmClass clazz  = env.getVm().getClass(info.getClassName());
          // 根據方法名找到方法
          JvmMethod method = clazz.getMethod(
                  info.getNameAndTypeInfo().getName(),
                  info.getNameAndTypeInfo().getType()
          );
          // 從運算元棧中推出方法的引數
          ArrayList<Object> args = frame.getOperandStack().multiPop(method.getParameterCount() + 1);
          Collections.reverse(args);
          Object[] argsArr = args.toArray();
          JvmObject thiz = (JvmObject) argsArr[0];
  
          // 根據類名確定是呼叫父類還是子類
          while (!thiz.getClazz().getName().equals(clazz.getName())){
              thiz = thiz.getSuper();
          }
          method.call(env, thiz, Arrays.copyOfRange(argsArr,1, argsArr.length));
      }
  }
  

再看Speaker建構函式<init>的位元組碼：

0: aload_0
1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: ldc           #2                  // String
7: putfield      #3                  // Field hello:Ljava/lang/String;
10: aload_0
11: aload_1
12: putfield      #3                  // Field hello:Ljava/lang/String;
15: return

這裡比較特別的是Speaker的建構函式中又呼叫了父類Object的建構函式。

可以回過頭再看下invokespecial指令的實現， 指令執行時，方法對應的類是確定的，比如此處是Speaker的父類Object，而不是Speaker。執行過程中需要找到對應的類和例項，並呼叫其方法。前面介紹JvmObject的時候，已經介紹過繼承的實現方式。以下為 JvmOpcodeObject中表示繼承的實現：

private final JvmObject superObject;
public JvmOpcodeObject(Env env, JvmOpcodeClass clazz) throws IllegalAccessException, InstantiationException {
        this.clazz = clazz;
        JvmClass superClass = null;
        try {
            superClass = clazz.getSuperClass();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            throw new InstantiationException(e.getMessage());
        }
        superObject = superClass.newInstance(env);
        ...
}

另外Object在 JJvm 中被視作原生類，所以我們又實現了一組JvmNative*，用於操作原生類。

3.3. 類和物件屬性的操作

類的屬性儲存在 JvmOpcodeStaticField中；物件的屬性儲存在JvmOpcodeObject中，並通過JvmOpcodeObjectField操作。

3.4. 方法呼叫

除了前面已經說明過的invokespecial指令，還有invokestatic：用於靜態方法呼叫；invokevirtual：用於例項方法呼叫；invokeinterfac：用於介面方法呼叫。除了invokeinterface，其他指令實現與invokespecial類似。

關於invokeinterface，比如：

6: invokeinterface #3,  2            // InterfaceMethod org/caoym/samples/sample2/SpeakerInterface.helloTo:(Ljava/lang/String;)V

操作碼的第一個引數指定了介面方法， 第二個指定方法的引數個數。有了引數個數，就可以從操作棧中推出所有引數和方法對應的物件。然後根據繼承關係，遞迴查詢物件的類，直到找到匹配的方法。也就是說執行時可以不需要任何 interface 的資訊。

下面為invokeinterface指令的實現：

INVOKEINTERFACE(Constants.INVOKEINTERFACE){
@Override
public void invoke(Env env, StackFrame frame, byte[] operands) throws Exception {
    // 獲取介面和方法資訊
    int arg = (operands[0]<<8)|operands[1];
    ConstantPool.CONSTANT_InterfaceMethodref_info info
            = (ConstantPool.CONSTANT_InterfaceMethodref_info)frame.getConstantPool().get(arg);

    String interfaceName = info.getClassName();
    String name = info.getNameAndTypeInfo().getName();
    String type = info.getNameAndTypeInfo().getType();
    // 獲取介面的引數數量
    int count = 0xff&operands[2]; //TODO count代表引數個數，還是引數所佔的槽位數？
    //從運算元棧中推出方法的引數
    ArrayList<Object> args = frame.getOperandStack().multiPop(count + 1);
    Collections.reverse(args);
    Object[] argsArr = args.toArray();

    JvmObject thiz = (JvmObject)argsArr[0];
    JvmMethod method = null;
    //遞迴搜尋介面方法
    while(thiz != null){
        if(thiz.getClazz().hasMethod(name, type)){
            method = thiz.getClazz().getMethod(name, type);
            break;
        }else{
            thiz = thiz.getSuper();
        }
    }
    if(method == null){
        throw new AbstractMethodError(info.toString());
    }
    // 執行介面方法
    method.call(env, thiz, Arrays.copyOfRange(argsArr,1, argsArr.length));
}

4. 結束

使用新的 JJvm 執行文章開始處的示例，將得到以下輸出：

> org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@0:NEW
> org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@1:DUP
> org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@2:LDC
> org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@3:INVOKESPECIAL
> org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@0:ALOAD_0
> org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@1:INVOKESPECIAL
> org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@2:ALOAD_0
> org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@3:LDC
> org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@4:PUTFIELD
> org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@5:ALOAD_0
> org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@6:ALOAD_1
> org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@7:PUTFIELD
> org/caoym/samples/sample2/Speaker.<init>@8:RETURN
> org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@4:PUTSTATIC
> org/caoym/samples/sample2/Main.<clinit>@5:RETURN
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:GETSTATIC
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:ALOAD_0
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:ICONST_0
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:AALOAD
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:INVOKEINTERFACE
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:GETSTATIC
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:NEW
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:DUP
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:INVOKESPECIAL
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:ALOAD_0
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:GETFIELD
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:INVOKEVIRTUAL
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:LDC
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:INVOKEVIRTUAL
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:ALOAD_1
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:INVOKEVIRTUAL
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:INVOKEVIRTUAL
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:INVOKEVIRTUAL
Hello World
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:RETURN
> org/caoym/samples/sample2/[email protected]:RETURN

符號“>”開始的行是執行日誌，日誌記錄了指令的執行步驟。