Байт-код Java

Байт-код Java — это набор инструкций виртуальной машины Java (JVM), языка, на котором и другой JVM-совместимый исходный код Java компилируется . ^[1] Каждая инструкция представлена одним байтом , отсюда и название байт-код , что делает ее компактной формой данных . ^[2]

Из-за природы байт-кода программу с байт-кодом Java можно запустить на любой машине с совместимой JVM; без длительного процесса компиляции из исходного кода.

Байт-код Java используется во время выполнения либо интерпретируется JVM, либо компилируется в машинный код посредством JIT -компиляции и запускается как собственное приложение.

Поскольку байт-код Java разработан с учетом кросс-платформенной совместимости и безопасности, приложение с байт-кодом Java имеет тенденцию одинаково работать в различных конфигурациях оборудования и программного обеспечения . ^[3]

Отношение к Java

В общем, Java- программисту не обязательно понимать байт-код Java или даже знать о нем. Однако, как говорится в журнале IBM DeveloperWorks: «Понимание байт-кода и того, какой байт-код может быть сгенерирован компилятором Java, помогает программисту Java так же, как знание ассемблера помогает программисту C или C++ ». ^[4]

Архитектура набора команд

Байт-код включает в себя различные типы инструкций, включая манипулирование данными, передачу управления, создание и манипулирование объектами, а также вызов методов, которые являются неотъемлемой частью модели объектно-ориентированного программирования Java. ^[1]

JVM является одновременно стековой машиной и регистровой машиной . Каждый кадр вызова метода имеет «стек операндов» и массив «локальных переменных». ^[5]^: 2.6 ^[2] Стек операндов используется для операндов вычислений и для получения возвращаемого значения вызываемого метода, а локальные переменные служат той же цели, что и регистры , а также используются для передачи аргументов метода. Максимальный размер стека операндов и массива локальных переменных, вычисленный компилятором, является частью атрибутов каждого метода. ^[5]^: 4.7.3 Каждый из них может иметь независимый размер от 0 до 65535 значений, где каждое значение имеет длину 32 бита. long и double типы, которые являются 64-битными, занимают две последовательные локальные переменные ^[5]^: 2.6.1 (которые не обязательно должны быть выровнены по 64 битам в массиве локальных переменных) или одно значение в стеке операндов (но считаются как две единицы глубины стека). ^[5]^: 2.6.2

Набор инструкций

Каждый байт-код состоит из одного байта, представляющего код операции , а также нуля или более байтов для операндов. ^[5]^: 2.11

Из 256 возможных кодов операций длиной в байт , по состоянию на 2015 год ^[update], 202 используются (~79%), 51 зарезервированы для использования в будущем (~20%) и 3 инструкции (~1%) постоянно зарезервированы для использования реализациями JVM. ^[5]^: 6.2 Два из них ( impdep1 и impdep2) должны предоставлять ловушки для программного и аппаратного обеспечения, специфичного для реализации, соответственно. Третий используется отладчиками для реализации точек останова.

Инструкции делятся на несколько широких групп:

Загрузите и сохраните (например, aload_0, istore)
Арифметика и логика (например, ladd, fcmpl)
Преобразование типов (например i2b, d2i)
Создание и манипулирование объектами ( new, putfield)
Управление стеком операндов (например, swap, dup2)
Передача управления (например, ifeq, goto)
Вызов метода и возврат (например, invokespecial, areturn)

Есть также несколько инструкций для ряда более специализированных задач, таких как выдача исключений, синхронизация и т. д.

Многие инструкции имеют префиксы и/или суффиксы, относящиеся к типам операндов, с которыми они работают. ^[5]^: 2.11.1 Они заключаются в следующем:

Префикс/суффикс	Тип операнда
`i`	целое число
`l`	длинный
`s`	короткий
`b`	байт
`c`	характер
`f`	плавать
`d`	двойной
`a`	ссылка

Например, iadd добавит два целых числа, а dadd добавит два дубля. const, load, и store инструкции также могут иметь суффикс формы _n, где n — число от 0 до 3 для load и store. Максимальное n для const различается по типу.

The const инструкции помещают значение указанного типа в стек. Например, iconst_5 поместит целое число (32-битное значение) со значением 5 в стек, а dconst_1 поместит в стек двойное значение (64-битное значение с плавающей запятой) со значением 1. Существует также aconst_null, что подталкивает null ссылка. n для load и store инструкции указывают индекс в массиве локальных переменных для загрузки или сохранения. aload_0 Инструкция помещает объект из локальной переменной 0 в стек (обычно это this объект). istore_1 сохраняет целое число на вершине стека в локальную переменную 1. Для локальных переменных после 3 суффикс отбрасывается и необходимо использовать операнды.

Пример

Рассмотрим следующий код Java:

outer:
for (int i = 2; i < 1000; i++) {
    for (int j = 2; j < i; j++) {
        if (i % j == 0)
            continue outer;
    }
    System.out.println (i);
}

Компилятор Java может преобразовать приведенный выше код Java в байт-код следующим образом, предполагая, что приведенное выше было помещено в метод:

0:   iconst_2
1:   istore_1
2:   iload_1
3:   sipush  1000
6:   if_icmpge       44
9:   iconst_2
10:  istore_2
11:  iload_2
12:  iload_1
13:  if_icmpge       31
16:  iload_1
17:  iload_2
18:  irem
19:  ifne    25
22:  goto    38
25:  iinc    2, 1
28:  goto    11
31:  getstatic       #84; // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
34:  iload_1
35:  invokevirtual   #85; // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
38:  iinc    1, 1
41:  goto    2
44:  return

Поколение

Наиболее распространенным языком, предназначенным для виртуальной машины Java для создания байт-кода Java, является Java. Первоначально существовал только один компилятор — компилятор javac от Sun Microsystems , который компилирует исходный код Java в байт-код Java; но поскольку все спецификации байт-кода Java теперь доступны, другие стороны предоставили компиляторы, которые создают байт-код Java. Примеры других компиляторов включают:

Компилятор Eclipse для Java (ECJ)
Jikes , компилирует из Java в байт-код Java (разработан IBM , реализован на C++ ).
Espresso, компилируется из Java в байт-код Java (только Java 1.0).
Компилятор GNU для Java (GCJ) компилирует из Java в байт-код Java; он также может компилироваться в собственный машинный код и был частью коллекции компиляторов GNU (GCC) до версии 6.

Некоторые проекты предоставляют ассемблеры Java, позволяющие писать байт-код Java вручную. Ассемблерный код также может быть сгенерирован машиной, например, компилятором, предназначенным для виртуальной машины Java . Известные ассемблеры Java включают:

Jasmin принимает текстовые описания классов Java, написанные с использованием простого синтаксиса, подобного ассемблеру, с использованием набора инструкций виртуальной машины Java, и генерирует файл класса Java. ^[6]
Ямайка — макросов язык на ассемблере для виртуальной машины Java . Синтаксис Java используется для определения класса или интерфейса. Тела методов указываются с помощью инструкций байт-кода. ^[7]
Krakatau Bytecode Tools в настоящее время содержит три инструмента: декомпилятор и дизассемблер для файлов классов Java и ассемблер для создания файлов классов. ^[8]
Lilac — ассемблер и дизассемблер виртуальной машины Java . ^[9]

Другие разработали компиляторы для разных языков программирования для виртуальной машины Java, например:

КолдФьюжн
JRuby и Jython , два языка сценариев, основанные на Ruby и Python.
Apache Groovy , опционально типизированный и динамический язык общего назначения с возможностями статической типизации и статической компиляции.
Scala — типизированный язык программирования общего назначения, поддерживающий объектно-ориентированное и функциональное программирование.
JGNAT и AppletMagic, компилируют язык Ada в байт-код Java.
Компиляторы байт-кода C в Java ^{[ мертвая ссылка ]}
Clojure — функциональный, неизменяемый язык программирования общего назначения из семейства Lisp с сильным упором на параллелизм.
Kawa — реализация языка программирования Scheme , также диалекта Lisp .
МидлетПаскаль
Код JavaFX Script компилируется в байт-код Java.
Kotlin — статически типизированный язык программирования общего назначения с выводом типа.
Исходный код Object Pascal компилируется в байт-код Java с помощью компилятора Free Pascal 3.0+. ^[10]^[11]

Исполнение

Сегодня доступно несколько виртуальных машин Java для выполнения байт-кода Java, как бесплатных, так и коммерческих продуктов. Если выполнение байт-кода на виртуальной машине нежелательно, разработчик может также скомпилировать исходный код Java или байт-код непосредственно в машинный код с помощью таких инструментов, как компилятор GNU для Java (GCJ). Некоторые процессоры могут самостоятельно выполнять байт-код Java. Такие процессоры называются процессорами Java .

Поддержка динамических языков

Виртуальная машина Java обеспечивает некоторую поддержку динамически типизированных языков . Большая часть существующего набора инструкций JVM статически типизирована - в том смысле, что сигнатуры вызовов методов проверяются по типу во время компиляции , без механизма, позволяющего отложить это решение до времени выполнения или выбрать отправку метода альтернативным подходом. ^[12]

JSR 292 ( Поддержка динамически типизированных языков на платформе Java ) ^[13] добавил новый invokedynamic инструкции на уровне JVM, чтобы разрешить вызов метода, основанный на динамической проверке типа (вместо существующей статической проверки типа). invokevirtual инструкция). Da Vinci Machine — это реализация прототипа виртуальной машины, на которой размещены расширения JVM, предназначенные для поддержки динамических языков. Все JVM, поддерживающие JSE 7, также включают в себя invokedynamic код операции.

См. также

Инженерная библиотека байт-кода
Common Intermediate Language (CIL), конкурент Microsoft байт-коду Java.
Инструменты резервного копирования Java
Файл класса Java
виртуальная машина Java
ДжейСтик
ОбъектВеб ASM

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б «Спецификация виртуальной машины Java» . Оракул . Проверено 14 ноября 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б Линдхольм, Тим (2015). Спецификация виртуальной машины Java . Оракул. ISBN 978-0133905908 .
^ Арнольд, Кен (1996). «Язык программирования Java». Сан Микросистемс . 1 (1): 30–40.
^ «Разработчик IBM» . разработчик.ibm.com . Проверено 20 февраля 2006 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Линдхольм, Тим; Йеллин, Фрэнк; Браха, Гилад; Бакли, Алекс (13 февраля 2015 г.). Спецификация виртуальной машины Java (Java SE 8-е изд.).
^ «Домашняя страница Жасмин» . jasmin.sourceforge.net . Проверено 2 июня 2024 г.
^ «Ямайка: ассемблер макросов виртуальной машины Java (JVM)» . Проверено 2 июня 2024 г.
^ «Сказочник/Кракатау» . 1 июня 2024 г. Получено 2 июня 2024 г. - через GitHub.
^ «Сирень — ассемблер Java» . lilac.sourceforge.net . Проверено 2 июня 2024 г.
^ «Новые возможности FPC 3.0.0 — бесплатная вики по Pascal» . wiki.freepascal.org . Проверено 2 июня 2024 г.
^ «FPC JVM — Free Pascal wiki» . wiki.freepascal.org . Проверено 2 июня 2024 г.
^ Наттер, Чарльз (3 января 2007 г.). «InvokeDynamic: действительно полезно?» . Проверено 25 января 2008 г.
^ «Программа Java Community Process (SM) — JSR: запросы спецификаций Java — подробно JSR № 292» . www.jcp.org . Проверено 2 июня 2024 г.

Внешние ссылки

[oracle_jvm_spec-1] Jump up to: ^а ^б «Спецификация виртуальной машины Java» . Оракул . Проверено 14 ноября 2023 г.

[JVM_Book-2] Jump up to: ^а ^б Линдхольм, Тим (2015). Спецификация виртуальной машины Java . Оракул. ISBN 978-0133905908 .

[3] Арнольд, Кен (1996). «Язык программирования Java». Сан Микросистемс . 1 (1): 30–40.

[4] «Разработчик IBM» . разработчик.ibm.com . Проверено 20 февраля 2006 г.

[jvm-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Линдхольм, Тим; Йеллин, Фрэнк; Браха, Гилад; Бакли, Алекс (13 февраля 2015 г.). Спецификация виртуальной машины Java (Java SE 8-е изд.).

[6] «Домашняя страница Жасмин» . jasmin.sourceforge.net . Проверено 2 июня 2024 г.

[7] «Ямайка: ассемблер макросов виртуальной машины Java (JVM)» . Проверено 2 июня 2024 г.

[8] «Сказочник/Кракатау» . 1 июня 2024 г. Получено 2 июня 2024 г. - через GitHub.

[9] «Сирень — ассемблер Java» . lilac.sourceforge.net . Проверено 2 июня 2024 г.

[10] «Новые возможности FPC 3.0.0 — бесплатная вики по Pascal» . wiki.freepascal.org . Проверено 2 июня 2024 г.

[11] «FPC JVM — Free Pascal wiki» . wiki.freepascal.org . Проверено 2 июня 2024 г.

[12] Наттер, Чарльз (3 января 2007 г.). «InvokeDynamic: действительно полезно?» . Проверено 25 января 2008 г.

[13] «Программа Java Community Process (SM) — JSR: запросы спецификаций Java — подробно JSR № 292» . www.jcp.org . Проверено 2 июня 2024 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]