Java 实现可 GC 的 JVM(每个模块有运行样例)

[tzh476]

Java 实现简易 JVM
github 地址

主要模块和样例(github 有每个模块样例)：

1. 读取并解析 class 文件，如 String、Thread 等类(支持 jdk8 及以下)
2. 取 opcode，解释执行程序。循环运算，入栈出栈
3. 方法调用(静态方法、构造方法、实例方法(支持继承多态))
4. 数组
5. 字符串和字符串数组
6. 调用本地方法
7. gc(标记清除算法)

目录结构

com\zvm
    basestruct\                 #读取字节码为内存中 ClassFile 时的基本数据结构
    classfile\                  #类解析相关
       attribute\               #属性表：jdk8 中的 23 种属性
       constantpool\            #常量池：jdk8 中 10 种常量类型
       ClassFile.java           #解析后的 class 文件
       cp_info.java             #ClassFile 中的常量池表示
       field_info.java          #ClassFile 中的字段表示
       IOUtils.java             #解析字节码的工具类
       method_info.java         #ClassFile 中的方法表示
       ZvmClassLoader.java      #待重构
    draft\
    gc\
       GC.java                  #GC 类，目前只有标记清除算法
    interpreter\                
       CallSite.java            #调用方法时的入口
       CodeUtils.java           #控制 pc 的工具类
       Descriptor.java          #方法调用时，表示返回数据和入参结构
       Interpreter.java         #取 opcode 并执行的类
       Opcode.java              #指令
       Ref.java                 #表示 methodRef 或 fieldRef:含类名、描述符、方法名 /字段名
    jnative\java\lang\           #预留实现本地方法
    memory\
       ArrayFields.java         #保存堆中的数组
       JavaHeap.java            #表示堆，对象和数组都分配在这
       MethodArea.java          #方法区
       ObjectFields.java        #表示堆中的对象
    runtime\                    #运行时数据
       struct\                  #一些基本数据结构
       JavaClass.java           #运行时表示：ClassFile 的入口，加一些类的信息
       JavaFrame.java           #运行时表示：一个方法所用的帧
       JThread.java             #运行时表示：一个线程(目前未实现多线程)
       LocalVars.java           #运行时表示：帧中的局部变量表
       OperandStack.java        #运行时表示：帧中的操作数栈
       RunTimeEnv.java          #运行时的环境，包括 JavaHeap、MethodMrea 等
       StaticVars.java          #JavaClass 中的静态字段分配内存
       ThreadStack.java         #线程栈：运行时，方法调用帧由底至上组成线程栈
    utils\
       TypeUtils.java           #类型转换工具类
       Vars.java                #供 LocalVars、LocalVars、ObjectFields 继承使用
    Cmd.java                    #解析命令行
    JavaMain.java               #启动入口类，含 main 方法
    ZVM.java                    #表示虚拟机

已实现指令(绝大部分实现了)

1. 加载(load)、存储(store)指令,将数据在局部变量表和操作数栈中来回传输
2. 运算指令
3. 类型转换指令
4. 对象创建和操作
5. 操作数栈管理
6. 控制转移
7. 方法调用和返回

引用和参考

文档、书籍参考

• java 虚拟机规范
• 《自己动手写 Java 虚拟机》
• java 虚拟机规范(java se7)中文版
• java 虚拟机规范(java se8)中文版
• 周志明的《深入理解 java 虚拟机》

代码参考

• go 实现 jvm
• c++实现的 java 虚拟机
• Hotspot 源码

工具

• 类解析工具

[blindpirate]

虽然实践中没什么意义，但是对于学习还是非常有帮助的，对楼主表示钦佩。

[tzh476]

@blindpirate 谢谢~，主要是加深对 JVM 的理解。

[fpure]

有人用 go 实现过 jvm，楼主不如用 rust 试试，更有实际价值

[tzh476]

@fpure 好建议。看下后面有没有机会，现在我对 java 并发本质这些还没理解，正想读写 diy os 的书模仿写一个 diy os 来理解。我写的这个参考了用 go 实现的大神，还有个用 c++实现的大神，引用中有写。

[solupro]

已 star，学习

[guxingke]

已 star , 互相学习了, 跟我实现的应该是同期开工的. 2 个月前 .

https://github.com/guxingke/mini-jvm

主要出于学习目的, 功能完备上目前应该还是楼主稍优.

[FrankHB]

一般意义上的 GC 是包含 allocator 的，看了下这里 GC 就只是 collect 算法的实现？

[tzh476]

@guxingke 昨天就 star 你了。比我写得好特别多，向你学习

[tzh476]

@FrankHB 这样子呀。我看 hotspot 的源码是有 allocator，Java 还不知道怎么实现或者体现，先学习学习，我改下 github 说明，v2 好像改不了。是只有算法的体现，分配对象判断有没有达到堆内存的最大值，达到就执行算法移除对象。

[FrankHB]

@tzh476 因为不像 C#这样有提供 unsafe 之类的，我也不太清楚纯 Java 怎么有意义地（类似实际的 JVM 实现的行为地）允许实现包含分配的自举 GC。理论上也许可以 NIO ByteBuffer 之类的对象分配好 pin 住或者干脆 JNI 直接搞 heap……不过这样多此一举大概还不如直接整个模块用 C++实现了。