用Java实现JVM（二）：支持接口、类和对象

1. 概述

接上篇《用Java实现JVM（一）：刚好够运行 HelloWorld》

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我的 JVM 已经能够运行HelloWorld了，并且有了基本的 JVM 骨架，包括运行时数据结构的定义（栈、栈帧、操作数栈等），运行时的逻辑控制等。但它还没有类和对象的概念，比如无法运行下面这更复杂的HelloWorld：

public interface SpeakerInterface {
    public void helloTo(String somebody);
}

public class Speaker implements SpeakerInterface{
    private String hello = "";
    Speaker(String hello){
        this.hello = hello;
    }
    public void helloTo(String somebody){
        System.out.println(this.hello +" "+ somebody);
    }
}

public class Main{
    private final static SpeakerInterface speaker = new Speaker("Hello");
    public static void main(String[] args){
        speaker.helloTo(args[0]);
    }
}

要让上述代码工作，将涉及到了：

1. 类的初始化

   类静态成员的初始化，如类成员Main.speaker在何时初始化。

2. 对象初始化（实例化）

   如new Speaker("Hello")如何执行，对象的成员（如private String hello = "";）如何初始化。注意String在JJvm 中被当做 Native 类，那么 Native 类又如何初始化。

3. 对象属性的操作

   包括 Native 类和非 Native 类实例的属性的操作，如访问Speaker.hello。

4. 方法调用

   包括实例方法、类方法、接口方法的调用。

2. 抽象

为了支持类和对象的概念，我在 JVM 层做了抽象，如下图：

Java 类和对象

Native 类和对象

我定义了类和对象的基本形态（这里只列出了接口的主要方法）：

• JvmClass

  表示“类”，类提供实例化（newInstance）、获取方法(getMethod)、获取属性(getField)和获取父类(getSuperClass)的方法。注意这里的“实例化”指创建对象，但不调用对象的构造函数。对象的构造函数是在字节码指令中显式调用的。

• JvmField

  表示“属性”， 提供获取(set)和设置(get)属性的方法。

• JvmMethod

  表示“方法”，提供方法调用（call）和获取参数数量(getParameterCount)方法。这里会什么会有“获取参数数量”的方法？因为运行时，需要知道从操作数栈中推出几个元素，作为方法调用的参数。

• JvmObject

  表示“对象”，提供获取父类对象（getSuper）和获取当前类（getClazz）的方法。如果一个类有多级继承， 则这个类的实例中会包含多个 JvmObject 实例。如 A --|> B --|> Object, 那么A的实例 a，其内部有三个JvmObject实例, 每一个JvmObject实例维护自己所表示的类的属性。

你可能注意到一点，这里没有提到接口interface的概念。原因是 JVM 中并不需要太多关注接口，实际上为了让示例能运行，和接口有关的就是操作码 invokeinterface。关于invokeinterface将在后面说明。

3. 实现

基于前面定义的接口，再编写两套实现，分别表示原生类（JvmNative*）和Java 类（JvmOpcode*）。下面将以Java 类的实现为例，进行说明。

3.1. 类的初始化

类的初始化即调用类的方法， 如下面是示例Main类的初始化方法的字节码：

  static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=3, locals=0, args_size=0
         0: new           #4                  // class org/caoym/samples/sample2/Speaker
         3: dup
         4: ldc           #5                  // String Hello
         6: invokespecial #6                  // Method org/caoym/samples/sample2/Speaker."":(Ljava/lang/String;)V
         9: putstatic     #2                  // Field speaker:Lorg/caoym/samples/sample2/SpeakerInterface;
        12: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0

这段代码先实例化了Speaker对象，然后将对象设置给类的静态变量speaker。关于对象的实例化过程，将在后面介绍。这里我们先关注类的初始化。我为类JvmOpcodeClass 实现初始化代码：

public void clinit(Env env) throws Exception {
        if(inited) return;
        synchronized(this){ //类初始化方法需要保证线程安全
            if(inited) return;
            inited = true;
            JvmOpcodeMethod method = methods.get(new AbstractMap.SimpleEntry<>("", "()V"));
            if(method != null){
                method.call(env, null);
            }
        }
    }

也就是找到方法，然后按正常方法的形式执行。关于类的初始化方法何时被执行，这里摘录了《Java 虚拟机规范 (Java SE 7 版)》中的描述：

• 在执行下列需要引用类或接口的Java虚拟机指令时:new，getstatic，putstatic 或 invokestatic。这些指令通过字段或方法引用来直接或间接地引用其它类。执行上 面所述的 new 指令，在类或接口没有被初始化过时就初始化它。执行上面的 getstatic， putstatic 或 invokestatic 指令时，那些解析好的字段或方法中的类或接口如果还 没有被初始化那就初始化它。
• 在初次调用java.lang.invoke.MethodHandle实例时，它的执行结果为通过Java 虚拟机解析出类型是 2(REF_getStatic)、4(REF_putStatic)或者 6 (REF_invokeStatic)的方法句柄(§5.4.3.5)。
• 在调用JDK核心类库中的反射方法时，例如，Class类或java.lang.reflect包。
• 在对于类的某个子类的初始化时。
• 在它被选定为Java虚拟机启动时的初始类(§5.2)时。

简单说就是实例化、访问属性、调用方法、使用反射前，被初始化。

3.2. 对象初始化

还是先看示例Main类的初始化方法的字节码

0: new           #4                  // class org/caoym/samples/sample2/Speaker
3: dup
4: ldc           #5                  // String Hello
6: invokespecial #6                  // Method org/caoym/samples/sample2/Speaker."":(Ljava/lang/String;)V

上述字节码对应的代码是

new Speaker("Hello");

为了让字节码能够执行，需要实现这些指令：

• new

  分配对象，也就创建我们的 JvmOpcodeObject。指令实现如下：

  /**
   * 创建一个对象，并将其引用值压入栈顶。
   */
  NEW(Constants.NEW){
      @Override
      public void invoke(Env env, StackFrame frame, byte[] operands) throws Exception {
          // 获取类信息
          int index = (operands[0] << 8)| operands[1];
          ConstantPool.CONSTANT_Class_info info
                  = (ConstantPool.CONSTANT_Class_info)frame.getConstantPool().get(index);
          // 根据类名加载类
          JvmClass clazz = env.getVm().getClass(info.getName());
          // 创建对象，并推入操作数栈 
          frame.getOperandStack().push(clazz.newInstance(env));
      }
  },
  

• ldc

  将 int，float 或 String 型常量值从常量池中推送至栈顶。此处将常量“Hello”推入栈顶。

• dup

  复制栈顶数值并将复制值压入栈顶。复制的目的是因为构造函数本身没有返回值，invokespecial调用构造函数后将消耗掉操作数栈上的引用，所以需要事先备份一个。代码略。

• invokespecial

  该指令用于调用超类构造方法、实例初始化方法或者私有方法。此处调用的是构造方法。

  /**
   * 调用超类构造方法、实例初始化方法或者私有方法。
   */
  INVOKESPECIAL(Constants.INVOKESPECIAL){
      @Override
      public void invoke(Env env, StackFrame frame, byte[] operands) throws Exception {
          // 获取类和方法信息
          int arg = (operands[0]<<8)|operands[1];
          ConstantPool.CONSTANT_Methodref_info info
                  = (ConstantPool.CONSTANT_Methodref_info)frame.getConstantPool().get(arg);
          // 根据类名加载类
          JvmClass clazz  = env.getVm().getClass(info.getClassName());
          // 根据方法名找到方法
          JvmMethod method = clazz.getMethod(
                  info.getNameAndTypeInfo().getName(),
                  info.getNameAndTypeInfo().getType()
          );
          // 从操作数栈中推出方法的参数
          ArrayList