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。
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）。
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 rtdatype Object struct { // todo}
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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 rtdatype Thread struct { pc int stack *Stack}func NewThread() *Thread {...}func (self *Thread) PC() int { return self.pc } // getterfunc (self *Thread) SetPC(pc int) { self.pc = pc } // setterfunc (self *Thread) PushFrame(frame *Frame) {...}func (self *Thread) PopFrame() *Frame {...}func (self *Thread) CurrentFrame() *Frame {...}
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目前只定义了 pc 和 stack 两个字段。
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。
创建 Thread 实例的代码如下：
func NewThread() *Thread { return &Thread{ stack: newStack(1024), }}
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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()}
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CurrentFrame（）方法返回当前帧，代码如下：
func (self *Thread) CurrentFrame() *Frame { return self.stack.top()}
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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 rtdatype 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 {...}
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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, }}
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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++}
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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}
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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}
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3.3 栈帧
创建frame.go文件，在其中定义Frame结构体，代码如下：
package rtdatype 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 {...}
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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。
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), }}
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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)
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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}
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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 rtdaimport "math"type LocalVars []Slot
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定义newLocalVars（）函数， 代码如下：
func newLocalVars(maxLocals uint) LocalVars { if maxLocals > 0 { return make([]Slot, maxLocals) } return nil}
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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}
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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)}
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long 变量则需要拆成两个 int 变量。(用两个 slot 存储)
// long consumes two slotsfunc (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)}
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double 变量可以先转成 long 类型，然后按照 long 变量来处理。
// double consumes two slotsfunc (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)}
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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}
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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 rtdaimport "math"type OperandStack struct { size uint slots []Slot}
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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}
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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}
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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)}
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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soltfunc (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)}
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double 变量先转成 long 类型，然后按 long 变量处理。
// double consumes two slotsfunc (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)}
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// double consumes two slotsfunc (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)}
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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}
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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;}
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上面的方法会被javac编译器编译成如下字节码:
00 ldc #402 fstore_103 fconst_204 fload_105 fmul06 fload_007 fmul08 fstore_209 fload_210 return
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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())}
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文章转载自：橡皮筋儿
原文链接：https://www.cnblogs.com/Gao-yubo/p/17925207.html
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