Java虚拟机的研究与实现

2、及时编译器

　　任何Java虚拟机实现的核心都是它的执行引擎。在由软件实现的虚拟机中，执行引擎主要有一次性解释字节码、及时编译器、自适应优化编译器三种方式。本实现采用了及时编译的方式，它的特点是第一次被执行的机器码会被编译成本地机器码。及时编译器将引入的字节码翻译成本地机器码，然后直接执行机器码指令而不是解释字节码。机器码指令保存在内存中，由于在运行过程中编译的结果不被保存， 所以程序下一次运行时，字节码将再一次被翻译成机器码。

　　如果一装载完字节码文件中的Java方法后，就对其进行编译，则有点处理不恰当，因为还不清楚是否需要执行该方法。编译一个不需要执行的方法，将带来不必要的空间和时间上的损失。 因此虚拟机设计者需要采用一种优化方案，即只有需要被执行的方法才能被JIT编译，这个问题可以参照kaffe虚拟机中的trampoline来解决。

　　JIT实现步骤:(1)对字节码进行验证并且划分基本块;(2)产生四元式;(3)根据四元式生成本地机器码;(4)操作数地址回填。

　　
　　图3及时编译器的流程图

　　在字节码指令模拟操作的时候，按其语义动作生成指令属性四元式序列，指令属性四元式的结构为: (目的操作数， 源操作数1，源操作数2，语义动作)，四元式数据结构如下:

typedef struct Sequence{ 　void (*func)(struct Sequence*); //语义动作 　union{ 　 jvalue value; 　 struct _label_ *labconst; //标号类型操作数 　 Method *methconst; //方法地址操作数 　 struct slotData **smask; 　 struct slotData *slot; //槽操作数 　}u[3]; 　uint8 type; //Sequence类型 　uint8 refered; //该四元式的引用 　struct Sequence *next; //下一个四元式 }Sequence;

　　其中目的操作数为Sequence.u[0]，源操作数1为Sequence.u[1]，源操作数2为Sequence.u[2]。 Sequence.func则代表语义动作，它主要用于生成该Sequence语义的本地机器码。

　　指令属性四元组建立后就进入代码生成阶段，属性四元组在形式上已经非常接近本地机器指令，只需要遍历该属性序列，执行相应的语义动作函数，即可生成机器指令。语义动作函数的功能包括操作数寻址、寄存器分配、建立指令连接以及本地机器码生成等。

　　在及时编译过程中要经常使用到操作数栈，虚拟机把操作数栈作为它的工作区。大多数指令都要从这里弹出数据，执行运算，然后把结果压回操作数栈。而操作数栈区，局部变量区和帧数据区被包含在方法帧中。方法帧的数据结构如下:

typedef struct Frame{ 　struct Frame *prev; // 上一帧 　struct Frame *next; // 下一帧 　value_t *sp; // 栈槽指针 　uint8 *pc; // 程序计数器 　method_t *method; //指向正在被执行的方法 　class_t *class_ptr; // 指向包含该方法的类 　value_t locals[1]; //方法的局部变量的起始 }Frame;

　　本实现中的及时编译器的优点表现在:(1)大大提高了Java应用程序运行的速度;(2)编译过程只在运行时进行，不会改动Java字节码，不会影响Java程序的可移植性;(3)对字节码的编译，使得许多优化手段的采用成为可能。缺点表现在:(1)如果对所有方法进行编译，则会占用大量的内存空间;(2)及时编译的结果在虚拟机终止运行时不被保存，这意味着下一次运行同样的程序仍需要重复编译。