die architektur der java-vm von christian schwarzbauer
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Die Architektur der Java-VM
von Christian Schwarzbauer
Die Architektur der Java-VM 2
Was versteht man unter JVM ?
3 unterschiedliche Bedeutungen:eine abstrakte Computer-Spezifikation
siehe JVM-Specification
eine konkrete Implementierung z.B. von Sun, MS, IBM, …
eine Laufzeit-Instanz Host für eine Java-Applikation
Die Architektur der Java-VM 3
Architektur der Java-VM
Die Architektur der Java-VM 4
Datentypen der Java-VM (1)
Die Architektur der Java-VM 5
Datentypen der Java-VM (2)
Die Architektur der Java-VM 6
Wort-Grösse
wird in der Spezifikation der Java-VM gebraucht (z.B. Stack)
die Grösse eines Wortes wird nicht genau vorgeschrieben, nur: ein Wort muss groß genug sein, um einen Wert vom
Typ byte, short, int, char, float, returnAddress oder reference zu beinhalten
zwei Wörter müssen groß genug sein, um einen Wert vom Typ long oder double zu beinhalten
→ Wort muss mindestens 32 Bit groß sein→ richtet sich meist nach Ziel-Plattform
Die Architektur der Java-VM 7
Class Loader Subsystem (1)
Aufgaben eines Class Loaders:1. Loading: finden und importieren von
Klasseninformationen2. Linking: wird unterteilt in:
1. Verifizierung: überprüfen der Korrektheit2. Vorbereitung: reservieren & initialisieren von
Speicher für Klassenvariablen3. Resolution: transformieren von symbolischen
Referenzen in direkte Referenzen
3. Initialization: initialisieren von Klassenvariablen
Die Architektur der Java-VM 8
Class Loader Subsystem (2) 2 verschiedene Arten:
Bootstrap Class Loader: Teil der JVM muss class-Files finden und lesen können Standard - CL (ab JDK 1.2 zusätzl. System CL)
User-Defined Class Loader: Teil einer Applikation
(java.lang.ClassLoader) kann auf Class Loader Subsystem der JVM
zugreifen (defineClass(), findSystemClass(), resolveClass())
Die Architektur der Java-VM 9
Method Area (1)
hier stehen alle Klassen-Informationen zu jeder geladenen Klasse:
Basis-Informationen (z.B. Klasse String) voll qualifizierter Name (java.lang.String) Superklasse (java.lang.Object) Klasse oder Interface (Klasse) Modifiers (public, final) Superinterfaces (Serializable, Comparable, CharSequence)
Die Architektur der Java-VM 10
Method Area (2)
zu jeder geladenen Klasse:erweiterte Informationen
Constant Pool für die Klasse Konstanten der Klasse symbolische Referenzen zu Klassen, Feldern & Methoden
Felder-Informationen & -Reihenfolge Methoden-Informationen, -Reihenfolge & Bytecode Exception Table für jede Methode statische Variablen Referenz auf Instanz von ClassLoader Referenz auf Instanz von Class
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Method Area: Beispiel (1)
class Lava { private int speed = 5;
void flow() {}}
class Volcano {
public static void main (String[] args) { Lava lava = new Lava(); lava.flow(); }
}
Die Architektur der Java-VM 12
Method Area: Beispiel (2) möglicher Ablauf:
1. finde und lese Datei Volcano.class2. speichere Informationen in Method Area3. erzeuge Zeiger zum Constant Pool von Volcano4. arbeite Bytecodes in MA für main() ab
1. reserviere Speicher für Klasse an Stelle 1 im Constant Pool1. Constant Pool → symbolische Referenz auf Lava2. wurde Lava bereits in Method Area geladen ? Nein !3. lade Lava.class in Method Area4. CP Eintrag 1 → Zeiger auf Klassendaten von Lava (CP Resolution)5. suche Objektgröße von Lava aus den Klassendaten6. reserviere Speicher für Lava-Objekt auf dem Heap
2. initialisiere Instanzvariablen auf Default-Werte (0, null)3. gib Referenz auf Lava-Objekt auf den Stack4. …
Die Architektur der Java-VM 13
Heap
alle Objekt-Instanzen werden hier erzeugt (auch Arrays)
Bytecode-Instruktionen können Speicher für Objekte erzeugen, aber nicht wieder freigeben
→ meist wird Garbage Collection
verwendet, ist aber nicht vorgeschrieben
Die Architektur der Java-VM 14
Heap: Objekt-Darstellung (1)
Daten eines Objekts: Instanzvariablen
der Klasse des Objekts und aller Superklassen des Objekts
Zeiger auf Klassendaten ist nicht vorgeschrieben aber sehr sinnvoll !
Im folgenden 2 Möglichkeiten …
Die Architektur der Java-VM 15
Heap: Objekt-Darstellung (2)
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Heap: Objekt-Darstellung (3)
Die Architektur der Java-VM 17
Heap: Array-Darstellung (1)
Arrays sind in Java Objekte ! Klassenname eines Arrays besteht aus:
eine offene eckige Klammer „[“ für jede Dimension Buchstabe oder String für Typbezeichnung
„I“ für int, „B“ für byte, … „Ljava.lang.Object“, …
z.B. 3-dim. int-Array: „[[[I“2-dim. Object-Array: „[[Ljava.lang.Object“
Mehrdimensionale Arrays werden als Arrays von Arrays dargestellt
Die Architektur der Java-VM 18
Heap: Array-Darstellung (2)
Die Architektur der Java-VM 19
Program Counter
jeder Thread hat eigenes PC Register PC Register ist ein Wort groß 2 Möglichkeiten:
Thread führt eine Java-Methode aus
→ PC enthält Adresse der aktuellen InstruktionThread führt eine native Methode aus
→ PC Inhalt ist undefiniert
Die Architektur der Java-VM 20
Java Stack
jeder Thread hat seinen eigenen Stack nur 2 Operationen: push und pop Stack besteht aus einzelnen Stack Frames
zu jeder Methode gibt es einen Frame immer genau ein Frame ist aktuell (aktuelle Methode) bei Methodenaufruf wird ein Frame erzeugt und zum
neuen aktuelle Frame am Stack (push) bei Methodenende (return oder Exception) wird
der aktuelle Frame verworfen und der vorherige Frame wird zum aktuellen Frame (pop)
ein Thread kann nur auf seinen Stack zugreifen !
Die Architektur der Java-VM 21
Stack Frames
bestehen aus 3 Teilen (Größe wird jeweils in Wörtern angegeben): lokalen Variablen
Größe von Methode abhängig (class-File)Operandenstack
Größe von Methode abhängig (class-File)Frame Daten
Größe von Implementierung abhängig
Die Architektur der Java-VM 22
lokale Variablen
als 0-basiertes Array aus Wörtern organisiert enthalten Parameter (in deklarierter
Reihenfolge) und lokale Variablen einer Methode
Datentypen: byte, short, char und boolean werden in int
konvertiert 1 Eintrag: int, float, reference, returnAddress
2 Einträge: long und double (werden über 1. Index angesprochen)
Die Architektur der Java-VM 23
lokale Variablen: Beispiel (1)
class Example {
public static int runClassMethod(int i, long l, float f, double d, Object o, byte b) {
return 0; }
public int runInstanceMethod(char c, double d, short s, boolean b) {
return 0 }
}
Die Architektur der Java-VM 24
lokale Variablen: Beispiel (2)
Die Architektur der Java-VM 25
Operandenstack
ebenfalls als Array aus Wörtern organisiert nur push und pop erlaubt Datentypen wie bei lokalen Variablen JVM ist Stack-Maschine (keine Register)
Instruktionen holen Operanden von: Operandenstack (fast immer) Opcode im Bytecode Constant Pool
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Operandenstack: Beispiel
Die Architektur der Java-VM 27
Frame Daten
enthält Daten fürConstant Pool Resolution
Zeiger auf Constant Poolnormales Methodenende
Informationen über den vorherigen Stack FrameException-Behandlung
Referenz auf Exception Table der Methodeeventuell auch andere Daten …
Die Architektur der Java-VM 28
Stack Implementierung: Beispiel (1)
class Example {
public static void addAndPrint(){ double result = addTwoTypes(1, 88.88); System.out.println(result); }
public static double addTwoTypes(int i, double d) {
return i + d; }
}
Die Architektur der Java-VM 29
Stack Implementierung: Beispiel (2)
Die Architektur der Java-VM 30
Stack Implementierung: Beispiel (3)
Die Architektur der Java-VM 31
Execution Engine
wieder einmal die 3 unterschiedlichen Bedeutungen: eine abstrakte Spezifikation
für jede Bytecode-Instruktion wird spezifiziert, was gemacht werden soll, aber nicht wie
eine konkrete Implementierung Interpretation, Just-in-Time Kompilation, …
eine Laufzeit-Instanz jeder Thread ist eine Instanz einer Execution Engine
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Execution Engine: Techniken
Interpretation sehr einfach (1. Generation der VMs)
Just-in-Time Kompilation 1. Ausführung einer Methode → nativer Code
adaptive Optimization Mischung aus Interpretation und JIT Kompilation Code-Ausführung wird beobachtet 80 - 90 % der Zeit → 10 - 20 % des Codes wird z.B. in Suns HotSpot VM verwendet
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Literatur
The JavaTM Virtual Machine Specification, 2nd Editionhttp://java.sun.com/docs/books/vmspec/
Inside the Java 2 Virtual Machinehttp://www.artima.com/insidejvm/ed2/
The Java HotSpot Virtual Machine v1.4.1 White Paper
http://java.sun.com/products/hotspot/docs/whitepaper/Java_Hotspot_v1.4.1/Java_HSpot_WP_v1.4.1_1002_1.html