jvm-nodejs
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采用Node.js实现JVM
JVM-NodeJS(用NodeJS实现Java虚拟机)
项目完全参考张秀宏的《自己动手写Java虚拟机》代码结构,原书使用Go语言实现,在此向本书作者表示感谢。
原书代码地址:https://github.com/zxh0/jvmgo-book
运行环境
NodeJS 版本:18.16.0 WebStorm 版本:WebStorm 2021.1 Java版本:1.8
项目结构
images---------------------------------运行截图 java-----------------------------------java的代码与class文件 +----class---------------------------------java编译生成的class文件 +----code----------------------------------java的测试代码 src------------------------------------jvm代码 +-----ch01---------------------------------第1章命令行工具的实现代码 +-----ch02---------------------------------第2章搜索class文件的实现代码 +-----ch03---------------------------------第3章解析class文件的实现代码 +-----ch04---------------------------------第4章运行时数据区的实现代码 +-----ch05---------------------------------第5章指令集和解释器的实现代码 +-----ch06---------------------------------第6章类和对象的实现代码 +-----ch07---------------------------------第7章方法调用和返回的实现代码 +-----ch08---------------------------------第8章数组和字符串的实现代码 +-----ch09---------------------------------第9章本地方法调用的实现代码 +-----ch10---------------------------------第10章异常处理的实现代码 +-----develop_code---------------------持续开发的实现代码 +-----classfile----------------------class文件解析的对象类 +-----classpath----------------------类路径目录 +-----instructions-------------------指令集 +-----native-------------------------本地方法目录 +-----rtda---------------------------运行时数据区 +-----utils--------------------------工具类 +-----Cmd.js-------------------------命令行类 +-----Interpreter.js-----------------解释器 +-----main.js------------------------主函数 tools----------------------------------解释器工具
代码编写与运行结果
各章项目的测试都是将参数以数组的方式,传入到main()
方法中,直接运行main.js
即可。
第1章-命令行工具
完成一个简易的命令行工具,使用各种参数执行JVM命令。
传入参数:
--cp foo/bar MyApp arg1 arg2
- 采用program对命令进行解析。
第2章-搜索class文件
完成搜索class文件功能,类路径的查找,按照搜索的先后顺序,类路径可以从以下3个部分查找:启动类路径、扩展类路径、用户类路径。
传入参数:
--Xjre "D:\JavaTools\jdk1.8.0_151\jre" java.lang.Object
- 由于Node.js的异步机制,在遍历文件夹目录的时候,采用递归的做法,没有用
walk
模块。 - Node.js和Java很像,不能按照Python的方式返回多个参数,笔者采用了返回
Map
对象,代替多个返回值的实现。 - 使用
adm-zip
包对ZIP文件进行解压缩。
第3章-解析class文件
完成解析class文件功能,将class文件加载之后,按照JVM规范:读取字节,存储class的版本号、类属性、方法、接口的对象。
传入参数:
--Xjre "D:\JavaTools\jdk1.8.0_151\jre" java.lang.String
- 数组快速初始化:
Array(cp_count).fill(null).map(() => 0);
- 将
bytes
数组转成long
长整型,Node.js中长整型是BigInt
类型:const view = new DataView(bufferUtils.toArrayBuffer(byte_data)); this.val = view.getBigInt64(0);
第4章-运行时数据区
实现运行时数据区(run-time data area),可分为两类:一类是多线程共享的,另一类是线程私有的。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虚拟机退出时销毁。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。
多现场共享的内存区域主要存放两类数据:类数据和类实例(也就是对象)。对象数据存放在堆中,类数据存放在方法区中。线程私有的运行时数据区用于辅助执行Java字节码。
- 不能使用以下代码初始化对象数组,需要用
for
循环遍历初始化对象,因为会陷入死循环(栈溢出)。Array(cp_count).fill(null).map(() => new Object());
- 为了使用
String.format
,导入string-format
包,使用方法如下:let format = require('string-format'); format.extend(String.prototype); let a = "size:{0} slots:{1}".format(this.size, this.slots.toString()); console.log(a)
- 为了将Node.js中的
int
、long
、float
、double
数据类型分开,添加Numeric.js
文件,用String
类型保留原始的数据类型,当需要获取时,再进行数据类型转换。
第5章-指令集和解释器
在前两章的基础上编写了一个简单的解释器,并实现大约150条指令,可以执行100个整数求和的程序,能得到5050的正确答案。
- 获得类名可以使用以下代码
obj_instance.constructor.name
- 读取文件示例代码
data = fs.readFileSync(file_name, function (err, bytesData) { if (err) { error = err; } });
第6章-类和对象
实现线程共享的运行时数据区,包括方法区、运行时常量池、类和对象、一个简单的类加载器,以及ldc
和部分引用类指令。
- 运算优先级的问题
0 != 9 & 0x0008
该代码在Python、Go语言下执行为true
,但是在Node.js中执行为0,因为在Node.js中!=
的优先级比&
高。需要加括号,以调整运算优先级。
第7章-方法调用和返回
基本完成了方法调用和返回,并实现了类初始化逻辑,已经可以运行Fibonacci程序(求第30个Fibonacci数)。
- 该程序会执行很长的时间,但是最后会打印出832040结果。
- 该程序可能会报
JavaScript heap out of memory
错误,可以在Node Parameters
中添加--max-old-space-size=8000
,表示内存地址8000MB大小。
第8章-数组和字符串
实现了数组和字符串的加载,终于可以运行HelloWorld程序了。
- 解析并执行BubbleSortTest(冒泡排序)算法
- 解析并执行HelloWorld程序,打印出Hello world!
- 解析并执行PrintArgs程序,打印出传入的参数
本章总结:
- 实现了对象深拷贝方法,在
utils/objectUtil.js
中的deepcopy
方法。 - Node.js的Map遍历的方法如下(其中PrimitiveTypes是Map类型):
for(let [class_name, d] of PrimitiveTypes) { if (d === descriptor) { return class_name; } }
第9章-本地方法调用
实现了本地方法调用的指令,以及Java类库中一些最基本的类和本地方法,有如下本地方法:
- java.lang.Object.getClass()
- java.lang.Object.hashCode
- java.lang.Object.clone
- java.lang.Class.getPrimitiveClass()
- java.lang.Class.getName0()
- java.lang.Class.desiredAssertionStatues0
- java.lang.String.intern()
- java.lang.System.arraycopy()
- java.lang.Float.floatToRawIntBits()
- java.lang.Float.intBitsToFloat
- java.lang.Double.doubleToRawLongBits()
- java.lang.Double.longBitsToDouble()
- sun.misc.VM.initialize()
- 执行GetClassTest程序,得到基本数据类型的类getName()结果。
- 执行StringTest程序,得到字符串判断的结果
- 执行ObjectTest程序,得到对象的hashCode值,生成hashCode的代码是直接利用内置函数hash()生成的
- 执行CloneTest程序,可以观察到克隆的对象与原始对象的pi值不一样
- 执行BoxTest程序,可以看到打印的数组值
本章总结:
- 由于
invokenative
指令是动态执行本地方法,又因为本地方法在不同的模块里,因此自己实现了动态加载模块,并执行对应的函数方法。for (let load_module of LOAD_MODULES){ // 加载该模块,判断里面是否有native_method方法 let md = require(load_module); if(Object.getOwnPropertyDescriptors(md).hasOwnProperty(native_method.name)) { let func = Object.getOwnPropertyDescriptors(md)[native_method.name].value; func.call(func, frame); return; } }
- 在生成hash code时,采用
fnv-plus
包,具体代码如下:const fnv = require('fnv-plus'); let hash_value = fnv.hash(this_ref.toString(), 32).dec();
- 在加载java/util/Hashtable类时,由于解析Class文件,初始化ConstantPool的时候,node.js赋值float型的数据不能保留原始数据类型,导致程序运行失败,具体错误如下:
value的值是2147483648,原本该值应该通过local_vars.get_float()转化为float的类型,值为2147483648.0,由于解析Class文件的时候,在ConstantFloatInfo类调用read_info()函数,初始化val的时候,丢失了原始数据类型。通过在第4章添加了LocalVars: slots:[ num:0 ref:[object Object], num:0 ref:[object Object], num:0 ref:null, num:0 ref:null ] OperandStack: size:1 slots:[ num:0 ref:[object Object], num:1 ref:[object Object] ] RangeError [ERR_OUT_OF_RANGE]: The value of "value" is out of range. It must be >= -2147483648 and <= 2147483647. Received 2147483648 at checkInt (internal/buffer.js:58:11) at writeU_Int32BE (internal/buffer.js:788:3) at Buffer.writeInt32BE (internal/buffer.js:876:10) at PACK_INT32_BE (D:\MyJSWork\JVMByNodeJS\node_modules\python-struct\src\core.js:90:51) at Function.pack (D:\MyJSWork\JVMByNodeJS\node_modules\python-struct\src\core.js:602:25) at LocalVars.get_float (D:\MyJSWork\JVMByNodeJS\src\develop_code\rtda\LocalVars.js:41:43) at _fload (D:\MyJSWork\JVMByNodeJS\src\develop_code\instructions\loads\Fload.js:12:32) at FLOAD_1.execute (D:\MyJSWork\JVMByNodeJS\src\develop_code\instructions\loads\Fload.js:30:9) at Function.loop (D:\MyJSWork\JVMByNodeJS\src\develop_code\Interpreter.js:53:18) at Function.interpret (D:\MyJSWork\JVMByNodeJS\src\develop_code\Interpreter.js:27:25)
Numeric.js
文件中的4个数据类型,用String
类型保留原始的数据类型,问题得以解决,特此记录一下。
第10章-异常处理
实现了异常抛出和处理、异常处理表、athrow指令。在Java语言中,异常可以分为两类:Checked异常和Unchecked异常。Unchecked异常包括java.lang.RuntimeException、java.lang.Error以及它们的子类,其他异常都是Checked异常。所有异常都最终继承自java.lang.Throwable。如果一个方法有可能导致Checked异常抛出,则该方法要么需要捕获该异常并妥善处理,要么必须把该异常列在自己的throws子句中,否则无法通过编译。Unchecked异常没有这个限制。
- 执行ParseIntTest程序,输出参数123
- 执行ParseIntTest程序,输出参数abc
- 执行ParseIntTest程序,会抛出异常信息
本章总结
- 打印异常信息,不用像go语言那样采用反射,由于定义了toString方法,Node.js可以直接用如下代码执行:
for (let ste of ex.extra) { console.log("\tat ", ste.toString()); }
总结
第一次代码编写历时8天完成1~9章的代码,基本实现了一个JVM的功能,能提供如下命令:
-v, --version : 版本号
--verbose class : 打印类加载信息
--verbose inst : 打印指令
--classpath : 用户类路径
--Xjre : jre的路径
其中遇到的问题都写在前面了,目前完成的功能有基本的命令行、class文件搜索和解析、运行时数据区、指令集和解释器、类和对象、方法调用和返回(支持迭代和递归)、数组和字符串类的加载、调用本地方法。
由于运行第9章的BoxTest程序(打印数组元素)报错,导致不能再继续用Node.js实现JVM,后期可能会自定义Float类型,以区别Number类型中的int类型。
第二次代码编写历时5天(相隔3年多的时间),重构了第1~9章的代码,添加Numeric.js
文件将Node.js中的int
、long
、float
、double
数据类型分开,用String
类型保留原始的数据类型,当需要获取时,再进行数据类型转换,成功解决之前Number类型转换的问题。完成第10章的异常处理代码,由于第11章运用了大量的本地方法,于是放弃编写了。