大牛程序员用Java手写JVM：刚好够运行 HelloWorld

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作者：老曹撸代码

1. 前言

没错这又是一篇介绍 JVM 的文章，这类文章网上已经很多，不同角度、不同深度、不同广度，也都不乏优秀的。为什么还要来一篇？首先对于我来说，我正在学习 Java，了解JVM的实现对学习Java当然很有必要，但我已经做了多年C++开发，就算我用C++实现一个JVM，我还是个C++码农，而用 Java实现，即能学习 Java 语法，又能理解 JVM，一举两得。其次，作为读者，hotspot或者其他成熟JVM实现的源码读起来并不轻松，特别是对没有C/C++经验的人来说，如果只是想快速了解JVM的工作原理，并且希望运行和调试一下JVM的代码来加深理解，那么这篇文章可能更合适。

我将用Java实现一个JAVA虚拟机（源码在这下载：https://github.com/caoym/jjvm，加 Star 亦可），一开始它会非常简单，实际上简单得只够运行HelloWorld。虽然简单，但是我尽量让其符合 JVM 标准，目前主要参考依据是《Java虚拟机规范 （Java SE 7 中文版）》。

2. 准备

先写一个HelloWorld，代码如下：

我期望所实现的虚拟机（姑且命名为JJvm吧），可以通过以下命令运行：

接下来我们开始实现JJvm，下面是其入口代码，后面将逐步介绍：

3. 加载初始类

我们将包含 main 入口的类称为初始类，JJvm 首先需要根据org.caoym.HelloWorld类名，找到.class 文件，然后加载并解析、校验字节码，这些步骤正是 ClassLoader（类加载器）做的事情。HelloWorld.class内容大致如下：

没错是紧凑的二进制格式，需要按规范解析，不过我并不打算自己写解析程序，可以直接用com.sun.tools.classfile.ClassFile，这也是用JAVA写好处。下面是HelloWorld.class解析后的内容（通过javap -v HelloWorld.class输出）：

可以看到HelloWorld.class 文件中主要包含几部分:

1. 常量池（Constant pool）
2. 常量池中记录了当前类中用到的常量，包括方法名、类名、字符串常量等，如：#3 = String #23, #3为此常量的索引，字节码执行时通过此索引获取此常量，String为常量类型, 还可以是Methodref (方法引用)、Fieldref(属性引用)等。
3. 方法定义
4. 此处定义了方法的访问方式(如 PUBLIC、STATIC)、字节码等，关于字节码的执行方式将在后面介绍。

以下为类加载器的部分代码实现：

类加载器可以加载两种形式的类：JvmOpcodeClass和 JvmNativeClass，均继承自JvmClass。其中JvmOpcodeClass 表示用户定义的类，通过字节码执行，也就是这个例子中的HelloWorld；JvmNativeClass表示JVM 提供的原生类，可直接调用原生类执行，比如 java.lang.System。这里把所有非项目内的类，都当做原始类处理，以便简化虚拟机的实现。

4. 找到入口方法

JVM规定入口是static public void main(String[])，为了能够查找指定类的方法，JvmOpcodeClass和JvmNativeClass都需要提供getMethod方法, 当然 main 方法肯定存在JvmOpcodeClass中：

5. 执行非 Native(字节码定义的)方法

下图为以HelloWorld的main()方法的执行过程:

下面将详细说明。

5.1. 虚拟机栈

每一个虚拟机线程都有自己私有的虚拟机栈(Java Virtual Machine Stack)，用于存储栈帧。每一次方法调用，即产生一个新的栈帧，并推入栈顶，函数返回后，此栈帧从栈顶推出。以下为 JJvm中虚拟机栈的部分代码：

5.2. 栈帧

栈帧用于保存当前函数调用的上下文信息，以下为 JJvm 中栈帧的部分代码：

说明：

• 局部变量表
• 保存当前方法的局部变量、实例的this指针和方法的实参。函数执行过程中，部分字节码会操作或读取局部变量表。局部变量表的长度由编译期决定。
• 常量池
• 引用当前类的常量池。
• 字节码内容
• 以数组形式保存的当期方法的字节码。
• 程序计数器
• 记录当前真在执行的字节码的位置。
• 操作数栈
• 操作数栈用来准备字节码调用时的参数并接收其返回结果，操作数栈的长度由编译期决定。

5.3. 方法调用

方法调用的过程大致如下：

1. 新建栈帧，并推入虚拟机栈。
2. 将实例的this和当前方法的实参设置到栈帧的局部变量表中。
3. 解释执行方法的字节码。

以下为 JJvm 中的部分代码：

5.4. 解释执行字节码

字节码的执行过程如下：

1. 获取栈顶的第一个栈帧。
2. 获取当前栈的程序计数器(PC，其默认值为0)指向的字节码，程序计数器+1。
3. 执行上一步获取的字节码，推出操作数栈的元素，作为其参数，执行字节码。
4. 字节码返回的值（如果有），重新推入操作数栈。
5. 如果操作数为return等，则设置栈帧为已返回状态。
6. 如果操作数为invokevirtual等嵌套调用其他方法，则创建新的栈帧，并回到第一步。
7. 如果栈帧已设置为返回，则将返回值推入上一个栈帧的操作数栈，并推出当前栈。
8. 重复执行1~7，直到虚拟机栈为空。

以下为JJvm中解释执行字节码的部分代码：

6. 执行 Native 方法

Native方法的调用要更简单一些，只需调用已存在的实现即可，代码如下:

7. 结束

到目前为止，我们的“刚好够运行 HelloWorld”的 JVM 已经完成，完整代码可在这里下载：https://github.com/caoym/jjvm。当然这个JVM 并不完整，缺少很多内容，如类和实例的初始化、多线程问题、反射、GC 等等。我争取逐步完善JJvm，并奉上更多文章。

来源：https://www.jianshu.com/p/4d81465c2fb8