自己动手写JVM十一【运行时数据区（一）】

到目前为止，已经实现了搜索、解析class文件，本章节就来讨论下如何初步实现运行时数据区。

运行时数据区概述

在运行Java程序时，Java虚拟机需要使用内存在存放各式各样的数据。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成两类：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去需要在Java虚拟机启动时创建浩，在Java虚拟机退出时销毁。线程私有的运行时数据区则是在线程创建时才创建，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。每个线程有自己的pc寄存器和Java虚拟机栈。Java虚拟机栈又由栈帧构成，栈帧中保存方法执行的状态，包括局部变量表和操作数栈等。本章节将开始学习如何初步实现线程私有的运行时数据区。

数据类型

Java虚拟机可以操作两类数据：基本类型和引用类型。基本类型存放的就是数据本身，引用类型的变量存放的是对象引用，真正的对象数据是在堆里分配的。基本类型可以进一步分为布尔类型和数字类型，数字类型又可以进一步分为整数类型和浮点数类型。引用类型可以进一步分为3种：类类型、接口类型和数组类型。类类型引用指向类实例，数组类型引用指向数组实例，接口类型引用指向实现了该接口的类或数组实例。引用类型有一个特殊的值–null，表示该引用不指向任何对象。
之前的章节已经说过了，Go语言提供了非常丰富的数据类型，可以对应Java的基本数据类型。对于引用类型，自然是选择使用指针，Go提供了nil，表示空指针，正好可以用来表示null。而且Go本身也有垃圾回收功能，所以可以直接使用Go的垃圾收集器。

实现运行时数据区

下面将开始实现线程私有的运行时数据区，相关代码位于rtdata包下。

线程

JVM中线程的构成如下：

JVM
  Thread
    pc
    Stack
      Frame
        LocalVars
        OperandStack

我们首先就来定义线程结构体，代码位于thread.go文件中：

// Thread结构体
type Thread struct {
	// pc寄存器，存放当前正在执行的Java虚拟机指令的地址
	pc    int
	// 虚拟机栈结构体指针
	stack *Stack
}
// pc寄存器的Get、Set方法
func (self *Thread) PC() int {
	return self.pc
}
func (self *Thread) SetPC(pc int) {
	self.pc = pc
}

注：本章代码基本上都会引用到还没有讲到的数据结构，比如Stack结构体还没有定义，*Stack会编译不过，后面讲到的时候会补上，最终会编译通过。

Java虚拟机栈

Java虚拟机规范对Java虚拟机栈的约束相当宽松，Java虚拟机栈可以是连续的空间，也可以时不连续的；可以时固定大小的，也可以是运行时动态扩展的。如果Java虚拟机栈有大小限制，且执行线程所需要的栈空间超出了这个限制，会导致StackOverflowError异常抛出。如果Java虚拟机栈可以动态扩展，但是内存已经耗尽，会导致OutOfMemoryError异常抛出。我们用经典的链表数据结构来实现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。下面定义Stack结构体，相关代码位于jvm_stack.go文件中：

// 虚拟机栈结构体
type Stack struct {
	// 栈的容量(最多可以容纳多少帧)
	maxSize uint
	// 当前栈的大小
	size    uint
	// 栈顶指针
	_top    *Frame
}
// 初始化虚拟机栈
func newStack(maxSize uint) *Stack {
	return &Stack{maxSize:maxSize}
}

完善thread.go文件，添加初始化线程的方法，newStack()函数创建Stack结构体实例，参数表明Stack最多可以容纳多少栈帧。

// 初始化线程
func NewThread() *Thread {
	return &Thread{
		stack: newStack(1024),
	}
}

栈帧

栈帧结构体位于frame.go文件中：

type Frame struct {
	// 实现链表数据结构
	lower        *Frame
	// 局部变量
	localVars    LocalVars
	// 操作数栈指针
	operandStack *OperandStack
}
// localVars和operandStackGet方法
func (self *Frame) LocalVars() LocalVars {
	return self.localVars
}
func (self *Frame) OperandStack() *OperandStack {
	return self.operandStack
}

由Thread、Stack和Frame的结构可以看出，Java虚拟机栈的链表结构如下图所示：

局部变量表

局部变量表时按索引访问的，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或引用之，两个连续的元素可以容纳一个long或double值。这里采用定义一个结构体来存放局部变量表，其结构体位于slot.go文件中：

type Slot struct {
	// 整数
	num int32
	// 引用
	ref *Object
}

num字段存放整数，ref字段存放引用，刚好满足需求。其中Object位于object.go文件中，暂时结构体中没有内容，其结构如下：

1
2
3

type Object struct {
}

下面就可以新建局部变量表结构体了，位于local_vars.go文件中：


// 局部变量表结构体
type LocalVars []Slot
// 创建LocalVars实例
func newLocalVars(maxLocals uint) LocalVars {
	if maxLocals > 0 {
		return make([]Slot, maxLocals)
	}
	return nil
}

继续编辑local_vars.go文件，给LocalVars类型定义一些方法，用来存取不同类型的变量。代码这里就不贴出来了，参照项目。顺便说一下，代码中没有给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来处理。

操作数栈

操作数栈的实现方式和局部变量表雷系，其结构体位于operand_stack.go文件中：

type OperandStack struct {
	// 记录栈顶位置
	size  uint
	// 操作数栈的大小时编译器已经确定的，所以可以用[]Slot实现
	slots []Slot
}
// 创建OperandStack实例
func newOperandStack(maxStack uint) *OperandStack {
	if maxStack > 0 {
		return &OperandStack{
			slots: make([]Slot, maxStack),
		}
	}
	return nil
}

和局部变量表类似，需要定义一些方法从操作数栈中弹出或者推入各种类型的变量，这里依然不贴出代码了。

完善代码

至此，本章最基础单位的代码已经写完，下面来完善下之前没完成的代码。

完善栈帧

// 实例化栈帧
   func NewFrame(maxLocals, maxStack uint) *Frame {
       return &Frame{
           localVars:    newLocalVars(maxLocals),
           operandStack: newOperandStack(maxStack),
       }
   }

完善虚拟机栈

// 返回栈顶指针
func (self *Stack) top() *Frame {
    if self._top == nil {
        // 若栈时空的，肯定是有bug，需要panic
        panic("jvm stack is empty!")
    }
    return self._top
}
// 入栈
func (self *Stack) push(frame *Frame) {
    // 超过栈最大深度报错
    if self.size > self.maxSize {
        panic("java.lang.StackOverflowError")
    }
    // 将栈顶指针下移
    if self._top != nil {
        frame.lower = self._top
    }
    self._top = frame
    self.size++
}
// 出栈
func (self *Stack) pop() *Frame {
    // 若栈顶指针为空，报错
    if self._top == nil {
        panic("jvm stack is empty!")
    }
    top := self._top
    // 弹出栈顶指针
    self._top = top.lower
    // 弹出指针的lower指向不再有意义
    top.lower = nil
    self.size--
    return top;
}

完善线程

// 入栈，调用虚拟机栈的方法
   func (self *Thread) PushFrame(frame *Frame) {
       self.stack.push(frame)
   }
   // 出栈，调用虚拟机栈的方法
   func (self *Thread) PopFrame() *Frame {
       return self.stack.pop()
   }
   // 查看栈顶指针，调用虚拟机栈的方法
   func (self *Thread) CurrentFrame() *Frame {
       return self.stack.top()
   }

本章节就到此结束，下一章来分析下局部变量表和操作数栈实例。