一、运行时数据区概述
JVM学习： JVM-运行时数据区
运行时数据区可以分为两类：一类是多线程共享的，另一类则是线程私有的。
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多线程共享的运行时数据区需要在Java虚拟机启动时创建好，在Java虚拟机退出时销毁。对象实例存储在**
堆区** 类信息数据存储在**方法区**从逻辑上来讲，方法区其实也是堆的一部分。 -
线程私有的运行时数据区则在创建线程时才创建，线程退出时销毁。pc寄存器（Program Counter）：执行java方法表示：正在执行的Java虚拟机指令的地址；执行本地方法：pc寄存器无意义Java虚拟机栈（JVM Stack）。栈帧（Stack Frame），帧中保存方法执行的状态局部变量表（Local Variable）:存放方法参数和方法内定义的局部变量。操作数栈（Operand Stack）等。
虚拟机实现者可以使用任何垃圾回收算 法管理堆，甚至完全不进行垃圾收集也是可以的。
由于Go本身也有垃圾回收功能，所以可以直接使用Go的**堆** 和**垃圾收集器**，这大大简化了工作
二、数据类型概述
Java虚拟机可以操作两类数据：基本类型（primitive type）和引用类型（reference type）。
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基本类型的变量存放的就是数据本身**
布尔** 类型（boolean type）数字类型 （numeric type）整数类型（integral type）**浮点数**类型（floating-point type）。 -
引用类型的变量存放的是对象引用，真正的对象数据是在堆里分配的。
类类型：指向类实例**接口** 类型：用指向实现了该接口的类或数组实例**数组** 类型： 指向数组实例**null**：表示该引用不指向任何对 象。
对于基本类型，可以直接在Go和Java之间建立映射关系。对于引用类型，自然的选择是使用指针。Go提供了nil，表示空指针，正好可以用来表示null。
三、实现运行时数据区
创建**\rtda**目录(run-time data area)，创建object.go文件， 在其中定义Object结构体，代码如下：
package rtda
type Object struct {
// todo
}
本节将实现线程私有的运行时数据区，如下图。下面先从线程开始。
3.1线程
下创建**thread.go** 文件，在其中定义**Thread结构体**，代码如下：
package rtda
type Thread struct {
pc int
stack *Stack
}
func NewThread() *Thread {...}
func (self *Thread) PC() int { return self.pc } // getter
func (self *Thread) SetPC(pc int) { self.pc = pc } // setter
func (self *Thread) PushFrame(frame *Frame) {...}
func (self *Thread) PopFrame() *Frame {...}
func (self *Thread) CurrentFrame() *Frame {...}
目前只定义了pc和stack两个字段。
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pc字段代表（pc寄存器）
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stack字段是Stack结构体（Java虚拟机栈）指针
和堆一样，Java虚拟机规范对Java虚拟机栈的约束也相当宽松。Java虚拟机栈可以是：连续的空间，也可以不连续；可以是固定大小，也可以在运行时动态扩展。
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如果Java虚拟机栈有大小限制， 且执行线程所需的栈空间超出了这个限制，会导致 **
StackOverflowError**异常抛出。 -
如果Java虚拟机栈可以动态扩展，但 是内存已经耗尽，会导致**
OutOfMemoryError**异常抛出。
创建Thread实例的代码如下：
func NewThread() *Thread {
return &Thread{
stack: newStack(1024),
}
}
newStack（） 函数创建Stack结构体实例，它的参数表示要创建的Stack最多可以容纳多少帧
PushFrame（） 和**PopFrame（）**方法只是调用Stack结构体的相应方法而已，代码如下：
func (self *Thread) PushFrame(frame *Frame) {
self.stack.push(frame)
}
func (self *Thread) PopFrame() *Frame {
return self.stack.pop()
}
**CurrentFrame（）**方法返回当前帧，代码如下：
func (self *Thread) CurrentFrame() *Frame {
return self.stack.top()
}
3.2虚拟机栈
用经典的**链表（linked list）** 数据结构来实现Java虚拟机栈，这样**栈** 就可以按需使用内存空间，而且弹出的**帧**也可以及时被Go的垃圾收集器回收。
创建**jvm_stack.go**文件，在其中定义Stack结构体，代码如下：
package rtda
type Stack struct {
maxSize uint
size uint
_top *Frame
}
func newStack(maxSize uint) *Stack {...}
func (self *Stack) push(frame *Frame) {...}
func (self *Stack) pop() *Frame {...}
func (self *Stack) top() *Frame {...}
maxSize字段 保存栈的容量（最多可以容纳多少帧），size字段 保存栈的当前大小，_top字段 保存栈顶指针。**newStack（）**函数的代码 如下：
func newStack(maxSize uint) *Stack {
return &Stack{
maxSize: maxSize,
}
}
**push（）**方法把帧推入栈顶，目前没有实现异常处理，采用panic代替，代码如下：
func (self *Stack) push(frame *Frame) {
if self.size >= self.maxSize {
panic("java.lang.StackOverflowError")
}
if self._top != nil {
//连接链表
frame.lower = self._top
}
self._top = frame
self.size++
}
pop（）方法把栈顶帧弹出:
func (self *Stack) pop() *Frame {
if self._top == nil {
panic("jvm stack is empty!")
}
//取出栈顶元素
top := self._top
//将当前栈顶的下一个栈帧作为栈顶元素
self._top = top.lower
//取消链表链接，将栈顶元素分离
top.lower = nil
self.size--
return top
}
top（）方法查看栈顶栈帧，代码如下：
// 查看栈顶元素
func (self *Stack) top() *Frame {
if self._top == nil {
panic("jvm stack is empty!")
}
return self._top
}
3.3栈帧
创建**frame.go** 文件，在其中定义**Frame结构体**，代码如下：
package rtda
type Frame struct {
lower *Frame //指向下一栈帧
localVars LocalVars // 局部变量表
operandStack *OperandStack //操作数栈
}
func newFrame(maxLocals, maxStack uint) *Frame {...}
Frame结构体暂时也比较简单，只有三个字段，后续还会继续完善它。
-
**
lower字段**用来实现链表数据结构 -
**
localVars字段**保存局部变量表指针 -
**
operandStack**字段保存操作数栈指针
**NewFrame（）**函数创建Frame实例，代码如下：
func NewFrame(maxLocals, maxStack uint) *Frame {
return &Frame{
localVars: newLocalVars(maxLocals),
operandStack: newOperandStack(maxStack),
}
}
目前结构如下图：
3.4局部变量表
局部变量表的容量以变量槽(Variable Slot)为最小单位，Java虚拟机规范并没有定义一个槽所应该占用内存空间的大小，但是规定了一个槽应该可以存放一个32位以内的数据类型。
在Java程序编译为Class文件时,就在方法的Code属性中的max_locals数据项中确定了该方法所需分配的局部变量表的最大容量。(最大Slot数量)
局部变量表是按索引访问的，所以很自然，可以把它想象成一 个数组。
根据Java虚拟机规范，这个数组的每个元素至少可以容纳 一个int或引用值，两个连续的元素可以容纳一个long或double值。 那么使用哪种Go语言数据类型来表示这个数组呢？最容易想到的是[]int。Go的int类型因平台而异，在64位系统上是int64，在32 位系统上是int32，总之足够容纳Java的int类型。另外它和内置的**uintptr**类型宽度一样，所以也足够放下一个内存地址。
通过**unsafe包**可以拿到结构体实例的地址，如下所示:
obj := &Object{}
ptr := uintptr(unsafe.Pointer(obj))
ref := int(ptr)
但Go的垃圾回收机制并不能有效处理**uintptr** 指针。 也就是说，如果一个结构体实例，除了**uintptr**类型指针保存它的地址之外，其他地方都没有引用这个实例，它就会被当作垃圾回收。
另外一个方案是用**[]interface{}**类型，这个方案在实现上没有问题，只是写出来的代码可读性太差。
第三种方案是定义一个结构体，让它可以同时容纳一个int值和一个引用值。
这里将使用第三种方案。创建**slot.go** 文件，在其中定义**Slot结构体**， 代码如下：
package rtda
type Slot struct {
num int32
ref *Object
}
num字段 存放整数，**ref字段**存放引用，刚好满足我们的需求。
用它来实现局部变量表。创建**local_vars.go** 文件，在其中定义**LocalVars**类型，代码如下：
package rtda
import "math"
type LocalVars []Slot
定义**newLocalVars（）**函数， 代码如下：
func newLocalVars(maxLocals uint) LocalVars {
if maxLocals > 0 {
return make([]Slot, maxLocals)
}
return nil
}
操作局部变量表和操作数栈的指令都是隐含类型信息的。下面给**LocalVars**类型定义一些方法，用来存取不同类型的变量。int变量最简单，直接存取即可
func (self LocalVars) SetInt(index uint, val int32) {
self[index].num = val
}
func (self LocalVars) GetInt(index uint) int32 {
return self[index].num
}
float变量可以先转成int类型，然后按int变量来处理。
func (self LocalVars) SetFloat(index uint, val float32) {
bits := math.Float32bits(val)
self[index].num = int32(bits)
}
func (self LocalVars) GetFloat(index uint) float32 {
bits := uint32(self[index].num)
return math.Float32frombits(bits)
}
long变量则需要拆成两个int变量。(用两个slot存储)
// long consumes two slots
func (self LocalVars) SetLong(index uint, val int64) {
//后32位
self[index].num = int32(val)
//前32位
self[index+1].num = int32(val >> 32)
}
func (self LocalVars) GetLong(index uint) int64 {
low := uint32(self[index].num)
high := uint32(self[index+1].num)
//拼在一起
return int64(high)<<32 | int64(low)
}
double变量可以先转成long类型，然后按照long变量来处理。
// double consumes two slots
func (self LocalVars) SetDouble(index uint, val float64) {
bits := math.Float64bits(val)
self.SetLong(index, int64(bits))
}
func (self LocalVars) GetDouble(index uint) float64 {
bits := uint64(self.GetLong(index))
return math.Float64frombits(bits)
}
最后是引用值，也比较简单，直接存取即可。
func (self LocalVars) SetRef(index uint, ref *Object) {
self[index].ref = ref
}
func (self LocalVars) GetRef(index uint) *Object {
return self[index].ref
}
注意，并没有真的对boolean、byte、short和char类型定义存取方法，这些类型的值都可以转换成int值类来处理。
下面我们来实现操作数栈。
3.5操作数栈
操作数栈的实现方式和局部变量表类似。创建**operand_stack.go** 文件，在其中定义**OperandStack结构体**，代码如下：
package rtda
import "math"
type OperandStack struct {
size uint
slots []Slot
}
操作数栈的大小是编译器已经确定的，所以可以用**[]Slot** 实现。 size字段 用于记录栈顶位置。实现**newOperandStack（）**函数，代码如下：
func newOperandStack(maxStack uint) *OperandStack {
if maxStack > 0 {
return &OperandStack{
slots: make([]Slot, maxStack),
}
}
return nil
}
需要定义一些方法从操作数栈中弹出，或者往其中推入各种类型的变 量。首先实现最简单的int变量。
func (self *OperandStack) PushInt(val int32) {
self.slots[self.size].num = val
self.size++
}
func (self *OperandStack) PopInt() int32 {
self.size--
return self.slots[self.size].num
}
**PushInt（）**方法往栈顶放一个int变量，然后把size加1。
PopInt（） 方法则恰好相反，先把size减1，然后返回变量值。
float变量还是先转成int类型，然后按int变量处理。
func (self *OperandStack) PushFloat(val float32) {
bits := math.Float32bits(val)
self.slots[self.size].num = int32(bits)
self.size++
}
func (self *OperandStack) PopFloat() float32 {
self.size--
bits := uint32(self.slots[self.size].num)
return math.Float32frombits(bits)
}
把long变量推入栈顶时，要拆成两个int变量。
弹出时，先弹出 两个int变量，然后组装成一个long变量。
// long 占两个solt
func (self *OperandStack) PushLong(val int64) {
self.slots[self.size].num = int32(val)
self.slots[self.size+1].num = int32(val >> 32)
self.size += 2
}
func (self *OperandStack) PopLong() int64 {
self.size -= 2
low := uint32(self.slots[self.size].num)
high := uint32(self.slots[self.size+1].num)
return int64(high)<<32 | int64(low)
}
double变量先转成long类型，然后按long变量处理。
// double consumes two slots
func (self *OperandStack) PushDouble(val float64) {
bits := math.Float64bits(val)
self.PushLong(int64(bits))
}
func (self *OperandStack) PopDouble() float64 {
bits := uint64(self.PopLong())
return math.Float64frombits(bits)
}
// double consumes two slots
func (self *OperandStack) PushDouble(val float64) {
bits := math.Float64bits(val)
self.PushLong(int64(bits))
}
func (self *OperandStack) PopDouble() float64 {
bits := uint64(self.PopLong())
return math.Float64frombits(bits)
}
弹出引用后，把Slot结构体的ref字段设置成nil，这样做是为了帮助Go的垃圾收集器回收Object结构体实例。
func (self *OperandStack) PushRef(ref *Object) {
self.slots[self.size].ref = ref
self.size++
}
func (self *OperandStack) PopRef() *Object {
self.size--
ref := self.slots[self.size].ref
//实现垃圾回收
self.slots[self.size].ref = nil
return ref
}
四、局部变量表和操作数栈实例分析
以圆形的周长公式为例进行分析，下面是Java方法的代码。
public static float circumference(float r) {
float pi = 3.14f;
float area = 2 * pi * r;
return area;
}
上面的方法会被**javac**编译器编译成如下字节码:
00 ldc #4
02 fstore_1
03 fconst_2
04 fload_1
05 fmul
06 fload_0
07 fmul
08 fstore_2
09 fload_2
10 return
下面分析这段字节码的执行。
circumference（）方法的局部变量表大小是3，操作数栈深度是2。假设调用方法时，传递给它的参数 是1.6f，方法开始执行前，帧的状态如图4-3所示。
第一条指令是**ldc**，它把3.14f推入栈顶
上面是局部变量表和操作数栈过去的状态，最下面是当前状态。
接着是**fstore_1**指令，它把栈顶的3.14f弹出，放到#1号局部变量中
**fconst_2**指令把2.0f推到栈顶
**fload_1**指令把#1号局部变量推入栈顶
**fmul**指令执行浮点数乘法。它把栈顶的两个浮点数弹出，相乘，然后把结果推入栈顶
**fload_0**指令把#0号局部变量推入栈顶
**fmul**继续乘法计算
**fstore_2**指令把操作数栈顶的float值弹出，放入#2号局部变量表
最后**freturn**指令把操作数栈顶的float变量弹出，返回给方法调 用者
五、测试
main()方法中修改startJVM:
func startJVM(cmd *Cmd) {
frame := rtda.NewFrame(100, 100)
testLocalVars(frame.LocalVars())
testOperandStack(frame.OperandStack())
}
func testLocalVars(vars rtda.LocalVars) {
vars.SetInt(0, 100)
vars.SetInt(1, -100)
vars.SetLong(2, 2997924580)
vars.SetLong(4, -2997924580)
vars.SetFloat(6, 3.1415926)
vars.SetDouble(7, 2.71828182845)
vars.SetRef(9, nil)
println(vars.GetInt(0))
println(vars.GetInt(1))
println(vars.GetLong(2))
println(vars.GetLong(4))
println(vars.GetFloat(6))
println(vars.GetDouble(7))
println(vars.GetRef(9))
}
func testOperandStack(ops *rtda.OperandStack) {
ops.PushInt(100)
ops.PushInt(-100)
ops.PushLong(2997924580)
ops.PushLong(-2997924580)
ops.PushFloat(3.1415926)
ops.PushDouble(2.71828182845)
ops.PushRef(nil)
println(ops.PopRef())
println(ops.PopDouble())
println(ops.PopFloat())
println(ops.PopLong())
println(ops.PopLong())
println(ops.PopInt())
println(ops.PopInt())
}
文章转载自： 橡皮筋儿