自制Java虚拟机（三）运行第一个main函数

自制Java虚拟机（三）运行第一个main函数

一、执行指令的一般模型

Java虚拟机有200多条指令，用switch-case来一一匹配并执行每个指令，显得过于臃肿又不灵活。我们可以把每个指令用一个函数实现，遇到指令就调用相应的函数处理之。这个函数应该知道它所处理指令的上下文，包括当前指令位置、当前类、当前帧等，这些我们都封装在一个结构体内，通过指针传给函数。函数太多，我们把它们组织到一个数组里，以opcode的数值作为索引，因为除最后2条指令外，前203条指令都是连续的。目前为了方便调试，把处理指令的函数又放到了结构体内。如下：

typedef void Opreturn;
typedef Opreturn (*InstructionFun)(OPENV *env); // 处理指令的函数原型（这里定义一个函数指针）
typedef struct _Instruction {
    const char *code_name;       // 该条指令opcode的助记符
    InstructionFun pre_action;   // 预处理代码（主要是大端转小端）
    InstructionFun action;       // 实际的指令实现
} Instruction;

OPENV是指令上下文，定义为：

typedef uchar* PC;
typedef struct _OPENV {
    PC pc; // 传说中的程序计数器，这里实际上是指向代码的当前执行位置
    PC pc_end;
    PC pc_start;
    StackFrame *current_stack;
    Class *current_class;
    Object *current_obj;
    method_info* method;
} OPENV;

至少需要pc（保存当前代码指针位置）、current_stack（当前帧/栈帧）和current_class（当前类）等字段，其它字段方便调试用。

把指令处理相关的函数放在数组里：

Instruction jvm_instructions[202] = { // 暂不考虑保留指令
    {
  "nop", pre_nop, do_nop},
    {
  "aconst_nul", pre_aconst_nul, do_aconst_nul},
    {
  "iconst_m1", pre_iconst_m1, do_iconst_m1},
    {
  "iconst_0", pre_iconst_0, do_iconst_0},
    ...
    {
  "jsr_w", pre_jsr_w, do_jsr_w}
};   

这些都很有规律，可以写个脚本来生成。

然后就是执行一个方法里面的代码了，大致如下：

void runMethod(OPENV *env)
{
    uchar op;
    Instruction instruction;
    do {
        op = *(env->pc);  // 取指令的opcode
        instruction = jvm_instructions[op]; // 取对应的实现函数
        printf("#%d: %s ", env->pc-env->pc_start, instruction.code_name);
        env->pc=env->pc+1; // 移到下个位置（可能是该条指令的操作码，也可能是下一条指令）
        instruction.action(env); // 执行指令
        printf("\n");
    } while(1);
}

跟现实世界CPU的执行指令的流程有点像。这是个死循环，不过不用担心，在return系列指令的实现里自有办法处理。

二、执行main方法

一个Java程序的入口是main方法。我们先从执行简单的main方法开始，找找成就感。在这个main方法里我们不创建对象，也不涉及到方法调用，类变量、实例变量等，因而只需要实现简单的指令即可。

1. 寻找main方法

首先我们要找到main方法，可以从我们解析出来的Class结果的methods数组中查找。

Class的结构（有省略）：

typedef struct _ClassFile{
    uint magic;
    ...
    ushort constant_pool_count;
    cp_info constant_pool;
    ...
    ushort methods_count;
    method_info **methods;
    ...
} ClassFile;

typedef ClassFile Class;

查找main方法：

method_info* findMainMethod(Class *pclass)
{
    ushort index=0;
    while(index < pclass->methods_count) {
        if(IS_MAI