用Java实现JVM第四章《运行时数据区》

简介: 本案例初步实现运行时数据区里;线程、Java虚拟机栈、帧、操作数栈、局部变量表。

20.jpg

案例介绍

本案例初步实现运行时数据区里;线程、Java虚拟机栈、帧、操作数栈、局部变量表。

在运行Java程序时,Java虚拟机需要使用内存来存放各种各样的数据。Java虚拟机规范把这些内存区域叫作运行时数据区。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。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虚拟机推出时销毁。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。

线程私有的运行时数据区用于辅助执行Java字节码。每个线程都有自己的pc寄存器(Program Counter)和Java虚拟机栈(JVM Stack)。Java虚拟机栈又由栈帧(Stack Frame,后面简称帧)构成,帧中保存方法执行的状态,包括局部变量表(Local Variable)和操作数栈(Operand Stack)等。在任一时刻,某一线程肯定是在执行某个方法。这个方法叫作该线程的当前方法;执行该方法的帧叫作线程的当前帧;声明该方法的类叫作当前类。如果当前方法是Java方法,则pc寄存器中存放当前正在执行的Java虚拟机指令的地址,否则,当前方法是本地方法,pc寄存器中的值没有明确定义。

Run-Time Data Area
├── Thread
│   └── pc
│   └── Jvm Stack
│       └── Frame
│           ├── Local Variable
│           └── Operand Stack
└── Heap
    ├── Method Area
    │   └── Class
    │       ├── Run-Time
    │       └── Constant Pool
    └── Object

环境准备

1、jdk 1.8.0

2、IntelliJ IDEA Community Edition 2018.3.1 x64

配置信息

1、调试配置

2.1、配置位置:Run/Debug Configurations -> program arguments

2.2、配置内容:-Xjre "C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_161\jre" E:\itstack\git\istack-demo\itstack-demo-jvm\itstack-demo-jvm-04\target\test-classes\org\itstack\demo\test\HelloWorld

代码示例

itstack-demo-jvm-04
├── pom.xml
└── src
    └── main
    │    └── java
    │        └── org.itstack.demo.jvm
    │             ├── classfile
    │             │   ├── attributes   {BootstrapMethods/Code/ConstantValue...}
    │             │   ├── constantpool {CONSTANT_TAG_CLASS/CONSTANT_TAG_FIELDREF/CONSTANT_TAG_METHODREF...}
    │             │   ├── ClassFile.java
    │             │   ├── ClassReader.java
    │             │   └── MemberInfo.java
    │             ├── classpath
    │             │   ├── impl
    │             │   │   ├── CompositeEntry.java
    │             │   │   ├── DirEntry.java
    │             │   │   ├── WildcardEntry.java
    │             │   │   └── ZipEntry.java
    │             │   ├── Classpath.java
    │             │   └── Entry.java
    │             ├── rtda
    │             │   ├── Frame.java
    │             │   ├── JvmStack.java
    │             │   ├── LocalVars.java
    │             │   ├── OperandStack.java
    │             │   ├── Slot.java
    │             │   └── Thread.java
    │             ├── Cmd.java
    │             └── Main.java
    └── test
         └── java
             └── org.itstack.demo.test
                 └── HelloWorld.java

Frame.java

package org.itstack.demo.jvm.rtda;
/**
 * http://www.itstack.org
 * create by fuzhengwei on 2019/4/26
 * 栈帧
 */
public class Frame {
    //stack is implemented as linked list
    Frame lower;
    //局部变量表
    private LocalVars localVars;
    //操作数栈
    private OperandStack operandStack;
    public Frame(int maxLocals, int maxStack) {
        this.localVars = new LocalVars(maxLocals);
        this.operandStack = new OperandStack(maxStack);
    }
    public LocalVars localVars(){
        return localVars;
    }
    public OperandStack operandStack(){
        return operandStack;
    }
}

JvmStack.java

package org.itstack.demo.jvm.rtda;
/**
 * http://www.itstack.org
 * create by fuzhengwei on 2019/4/26
 * 虚拟机栈
 */
public class JvmStack {
    private int maxSize;
    private int size;
    private Frame _top;
    public JvmStack(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
    }
    public void push(Frame frame) {
        if (this.size > this.maxSize) {
            throw new StackOverflowError();
        }
        if (this._top != null) {
            frame.lower = this._top;
        }
        this._top = frame;
        this.size++;
    }
    public Frame pop() {
        if (this._top == null) {
            throw new RuntimeException("jvm stack is empty!");
        }
        Frame top = this._top;
        this._top = top.lower;
        top.lower = null;
        this.size--;
        return top;
    }
    public Frame top(){
        if (this._top == null){
            throw new RuntimeException("jvm stack is empty!");
        }
        return this._top;
    }
}

LocalVars.java

package org.itstack.demo.jvm.rtda;
/**
 * http://www.itstack.org
 * create by fuzhengwei on 2019/4/26
 * 局部变量表
 */
public class LocalVars {
    private Slot[] slots;
    public LocalVars(int maxLocals) {
        if (maxLocals > 0) {
            slots = new Slot[maxLocals];
            for (int i = 0; i < maxLocals; i++) {
                slots[i] = new Slot();
            }
        }
    }
    public void setInt(int idx, int val) {
        this.slots[idx].num = val;
    }
    public int getInt(int idx) {
        return slots[idx].num;
    }
    public void setFloat(int idx, float val) {
        this.slots[idx].num = (Float.valueOf(val)).intValue();
    }
    public Float getFloat(int idx) {
        int num = this.slots[idx].num;
        return (float) num;
    }
    public void setLong(int idx, long val) {
        this.slots[idx].num = (int) val;
        this.slots[idx + 1].num = (int) (val >> 32);
    }
    public Long getLong(int idx) {
        int low = this.slots[idx].num;
        int high = this.slots[idx + 1].num;
        return ((long) high << 32) | (long) low;
    }
    public void setDouble(int idx, double val) {
        setLong(idx, (long) val);
    }
    public Double getDouble(int idx) {
        return Double.valueOf(getLong(idx));
    }
    public void setRef(int idx, Object ref) {
        slots[idx].ref = ref;
    }
    public Object getRef(int idx) {
        return slots[idx].ref;
    }
}

OperandStack.java

package org.itstack.demo.jvm.rtda;
/**
 * http://www.itstack.org
 * create by fuzhengwei on 2019/4/26
 * 操作数栈
 */
public class OperandStack {
    private int size = 0;
    private Slot[] slots;
    public OperandStack(int maxStack) {
        if (maxStack > 0) {
            slots = new Slot[maxStack];
            for (int i = 0; i < maxStack; i++) {
                slots[i] = new Slot();
            }
        }
    }
    public void pushInt(int val) {
        slots[size].num = val;
        size++;
    }
    public int popInt(){
        size --;
        return slots[size].num;
    }
    public void pushRef(Object ref){
        slots[size].ref = ref;
        size++;
    }
    public Object popRef(){
        size --;
        Object ref = slots[size].ref;
        slots[size].ref = null;
        return ref;
    }
}

Slot.java

package org.itstack.demo.jvm.rtda;
/**
 * http://www.itstack.org
 * create by fuzhengwei on 2019/4/26
 * 数据槽
 */
public class Slot {
    int num;
    Object ref;
}

Thread.java

package org.itstack.demo.jvm.rtda;
/**
 * http://www.itstack.org
 * create by fuzhengwei on 2019/4/26
 * 线程
 */
public class Thread {
    //Program Counter 寄存器
    private int pc;
    //虚拟机栈
    private JvmStack stack;
    public Thread(){
        this.stack = new JvmStack(1024);
    }
    public int pc(){
        return this.pc;
    }
    public void setPC(int pc){
        this.pc = pc;
    }
    public void pushFrame(Frame frame){
        this.stack.push(frame);
    }
    public Frame popFrame(){
        return this.stack.pop();
    }
    public Frame currentFrame(){
        return this.stack.top();
    }
}

测试结果

100
-100
null
-100
目录
相关文章
|
7天前
|
Java PHP 数据安全/隐私保护
Java——IDEA如何运行单个文件
Java——IDEA如何运行单个文件
16 1
Java——IDEA如何运行单个文件
|
19天前
|
存储 安全 Java
JVM常见面试题(二):JVM是什么、由哪些部分组成、运行流程,JDK、JRE、JVM关系;程序计数器,堆,虚拟机栈,堆栈的区别是什么,方法区,直接内存
JVM常见面试题(二):JVM是什么、由哪些部分组成、运行流程是什么,JDK、JRE、JVM的联系与区别;什么是程序计数器,堆,虚拟机栈,栈内存溢出,堆栈的区别是什么,方法区,直接内存
JVM常见面试题(二):JVM是什么、由哪些部分组成、运行流程,JDK、JRE、JVM关系;程序计数器,堆,虚拟机栈,堆栈的区别是什么,方法区,直接内存
|
21天前
|
Java 编译器 程序员
JVM常见面试题(一):JVM是什么、由哪些部分组成、运行流程是什么,JDK、JRE、JVM的联系与区别
JVM常见面试题(一):JVM是什么、由哪些部分组成、运行流程是什么,JDK、JRE、JVM的联系与区别
JVM常见面试题(一):JVM是什么、由哪些部分组成、运行流程是什么,JDK、JRE、JVM的联系与区别
|
6天前
|
存储 算法 前端开发
JVM架构与主要组件:了解Java程序的运行环境
JVM的架构设计非常精妙,它确保了Java程序的跨平台性和高效执行。通过了解JVM的各个组件,我们可以更好地理解Java程序的运行机制,这对于编写高效且稳定的Java应用程序至关重要。
20 3
|
14天前
|
Java 编译器 测试技术
Java零基础教学(03):如何正确区别JDK、JRE和JVM??
【8月更文挑战第3天】Java零基础教学篇,手把手实践教学!
38 2
|
16天前
|
人工智能 Java 编译器
Java零基础(3) - 区别JDK、JRE和JVM
【8月更文挑战第3天】🏆本文收录于「滚雪球学Java」专栏,专业攻坚指数级提升,希望能够助你一臂之力,帮你早日登顶实现财富自由🚀;同时,欢迎大家关注&&收藏&&订阅!持续更新中,up!up!up!!
36 1
|
17天前
|
存储 Java 编译器
Java内存区域与内存溢出异常 - 运行时数据区
【8月更文挑战第2天】Java运行时数据区包括:1) 程序计数器:记录线程执行字节码的行号,线程私有;2) Java虚拟机栈:描述方法执行的内存模型,线程私有,深度过大抛出`StackOverflowError`;3) 本地方法栈:服务于Native方法,线程私有;4) Java堆:所有线程共享,对象实例在此分配内存;5) 方法区:存储类信息、常量等数据;6) 运行时常量池:方法区的一部分,存放字面量和符号引用。不当使用如无限创建对象或过度递归调用会导致各种内存溢出错误。
|
20天前
|
Arthas 监控 算法
JVM成神路终章:深入死磕Java虚拟机序列总纲
JVM成神路终章:深入死磕Java虚拟机序列总纲
|
20天前
|
监控 Oracle Java
(一)JVM成神路之初识虚拟机 - 探寻Java虚拟机的前世今生之秘
JVM(Java Virtual Machine)Java虚拟机的概念大家都不陌生,Java之所以可以做到“一次编译,到处运行”的跨平台性,其根本原因就在于JVM。JVM是建立在操作系统(OS)之上的,Java虚拟机屏蔽了开发人员与操作系统的直接接触,我们在通过Java编写程序时,只需要负责编写Java代码即可,关于具体的执行则会由JVM加载字节码后翻译成机械指令交给OS执行。
|
5天前
|
Oracle Java 关系型数据库
简单记录在Linux上安装JDK环境的步骤,以及解决运行Java程序时出现Error Could not find or load main class XXX问题
本文记录了在Linux系统上安装JDK环境的步骤,并提供了解决运行Java程序时出现的"Error Could not find or load main class XXX"问题的方案,主要是通过重新配置和刷新JDK环境变量来解决。
17 0