java开发C语言编译器： JVM的基本原理

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用java开发C语言编译器

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上一节，我们把C语言编译成了可以被java虚拟机加载执行的java汇编语言。这节，我们就jvm的基本机制进行深入了解，如果不理解java虚拟机的体系结构，那么我们不可能把C语言转换成能顺利在虚拟机上执行的字节码。

把握java虚拟机，必须把握一点，那就是java虚拟机的运行是以栈为基础的。理解了这点，对jvm的理解就掌握了一大半。java程序运行时，当某个函数被调用是，jvm会创建一个执行环境，这个环境叫stack frame, 这个环境有三个需要理解的要点，第一是，stack frame 含有一个执行堆栈，任何指令的执行，都会围绕这个堆栈来进行。第二是局部变量数组，函数的输入参数和局部变量就存储在这个数组中。第三个是指令指针PC，它指向下一条要执行的指令。

举个例子，假设java 代码中有一个函数:

int f(int a, int b) {    return a+b;}

上面代码编译后,jvm会产生的stack frame 如下：
stack:
local_array: a, b
PC-> 把变量a 从local_array 取出，然后压入堆栈
把变量b 从local_array 取出，然后压入堆栈
把堆栈顶部两个元素弹出后相加，把结果压入堆栈
把堆栈顶部的元素弹出后返回。

假设函数的调用方式为 f(1,2) 那么stack frame 形式如下：
stack:
local_array: 1, 2
PC-> 把变量a 从local_array 取出，然后压入堆栈
把变量b 从local_array 取出，然后压入堆栈
把堆栈顶部两个元素弹出后相加，把结果压入堆栈
把堆栈顶部的元素弹出后返回。

执行第一条语句后，stack frame 如下：
stack: 1
local_array: 2
把变量a 从local_array 取出，然后压入堆栈
PC-> 把变量b 从local_array 取出，然后压入堆栈
把堆栈顶部两个元素弹出后相加，把结果压入堆栈
把堆栈顶部的元素弹出后返回。

继续执行当前PC指针指向的语句后，情况如下：
stack: 2， 1
local_array:
把变量a 从local_array 取出，然后压入堆栈
把变量b 从local_array 取出，然后压入堆栈
PC-> 把堆栈顶部两个元素弹出后相加，把结果压入堆栈
把堆栈顶部的元素弹出后返回。

继续执行后情况如下：
stack: 3
local_array:
把变量a 从local_array 取出，然后压入堆栈
把变量b 从local_array 取出，然后压入堆栈
把堆栈顶部两个元素弹出后相加，把结果压入堆栈
PC-> 把堆栈顶部的元素弹出后返回。

依次类推。

你可以看到，java指令运行时，必须确保指令需要的参数全部放在栈上，指令执行后如果有结果，结果也同样会存在在堆栈上。

有了上面的基本理论，我们可以看看上一节程序生成的java汇编代码：

.class public CSourceToJava.super java/lang/Object.method public static main([Ljava/lang/String;)V    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;    ldc "Hello java virtual machine!"    invokevirtual   java/io/PrintStream/println(Ljava/lang/String;)V    return.end method.end class

指令getstatic 的作用就是把out对象压入前面所说的堆栈中。ldc 的作用是把字符串压入到前面所说的堆栈中，这两句执行后，堆栈情况如下：
stack:
“Hello java virtual machine!”
out

invokevirtual 指令执行时，它会从堆栈顶部取出两个元素，接着从第二个元素，也就是out对象中，找到要调用的方法,也就是println, 然后把堆栈第一个元素作为参数，调用println方法，执行完毕后，如果有返回值，则把返回值给压入堆栈。

理解了指令的执行原理后，其他语句完全可以跟下面的代码对应起来：

public class CSourceToJava {    public static void main(String[] args) {        System.out.println("Hello java virtual machine!");    }}

由此语句.class public CSourceToJava对应的就是java代码中类的声明部分：
public class CSourceToJava, 指令.method public static main 对应的就是静态函数main 的声明：public static void main。

语句Ljava/io/PrintStream; 表示对象的类型，例如对象out 的类型是java.io.PrintStream。前面的L表示该对象是一个类，如果前面还有一个左中括号，那表示该对象是一个数组，例如[Ljava/lang/String; 表示的是String[].

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