jvm.go -- 設計和實現

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jvm.go

jvm.go是一個完全用Go語言實現的JVM，關於這個項目的發起原因和簡單介紹可以看這篇文章。

最新進展和下一步計劃

jvm.go的開發已經進行了一個半月了，除了HelloWorld和一些簡單的Java代碼以外，JUnit也可以正常運行了。下一步的計劃是在jvm.go上把Jetty跑起來。下面介紹一下jvm.go的一些關鍵區段的設計和實現。

目錄結構

• jvmgo jvm的go語言實現
  
  • cmdline 這個包用來解析java命令列參數
  • classfile 這個包把[]byte轉化成ClassFile結構
  • classpath 這個包實現了class檔案尋找
  • native rt.jar裡的本地方法實現
  • jvm jvm核心功能
    • instructions 指令集
    • rtda 運行時資料區（Runtime Data Area），線程、堆棧、棧幀等都在這個包裡
      • class 類和對象（以及數組）等在這個包裡
        
• testclasses 用來測試jvm的Java代碼，Gradle項目

核心JVM

實現核心JVM其實是相對比較簡單的，對照著JVM規範，把Thread、Frame、Operand Stack、Local Vars、Class、Object、Array、指令集等一一實現就可以了。下面以FrameStack和OperandStack為例，簡單介紹一下：

type Stack struct {maxSize uintsize    uint_top    *Frame // stack is implemented as linked list}

type OperandStack struct {size  uintslots []Any}

FrameStack是用鏈表（LinkedList）實現的，OperandStack內部其實用了Slice。

指令集

為了更好的代碼可讀性，每一個指令都實現成一了個struct，下面是iinc指令的完整代碼：

package instructionsimport "jvmgo/jvm/rtda"// Increment local variable by constanttype iinc struct {index  uint_const int32}func (self *iinc) fetchOperands(decoder *InstructionDecoder) {self.index = uint(decoder.readUint8())self._const = int32(decoder.readInt8())}func (self *iinc) Execute(frame *rtda.Frame) {localVars := frame.LocalVars()val := localVars.GetInt(self.index)val += self._constlocalVars.SetInt(self.index, val)}

因為大部分指令都是需要操作OperandStack和／或LocalVars的，所以指令的Execute方法參數設計接收為*Frame類型的參數：

type Instruction interface {fetchOperands(decoder *InstructionDecoder)Execute(frame *rtda.Frame)}

類庫和本地方法

最初開始寫jvm.go的時候，用的是OpenJDK的rt.jar。但是因為要經常查看rt.jar的Java代碼，用IDE可以直接跳進Oracle JDK的rt.jar代碼裡。所以為了方便，後來就改為針對Oracle的rt.jar進行開發。rt.jar裡有幾千個本地方法，目前為止，只實現了不到100個。下面是本地方法的類型定義：

type NativeMethod func(frame *rtda.Frame)

記憶體回收

Go本身就是記憶體回收語言，所以jvm.go沒有單獨實現記憶體回收機制。

線程

jvm.go把每個Java線程都映射為一個goroutine，下面是Thread.start0()本地方法的實現代碼：

// private native void start0();// ()Vfunc start0(frame *rtda.Frame) {vars := frame.LocalVars()this := vars.GetThis()newThread := rtda.NewThread(this)runMethod := this.Class().GetInstanceMethod("run", "()V")newFrame := newThread.NewFrame(runMethod)newFrame.LocalVars().SetRef(0, this)newThread.PushFrame(newFrame)this.LockState()this.SetExtra(newThread)this.UnlockState()go interpreter.Loop(newThread)}

總結

jvm.go已經有了很大的進展，但是離完整的JVM實現還差的很遠。希望對Java和JVM，或者Go語言感興趣的朋友可以review代碼，甚至貢獻代碼。希望jvm.go有朝一日能夠成為一個正真的jvm，一個有用的jvm