Java字節(jié)碼編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1、    Java字節(jié)碼編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)        黨石宇,廖湖聲 時(shí)間:2008年12月19日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>編程語(yǔ)言<"cblue" " target='_b

2、lank'>方法調(diào)用<"cblue" " target='_blank'>編譯系統(tǒng)<"cblue" " target='_blank'>程序設(shè)計(jì)<"cblue" " target='_blank'>代碼優(yōu)化            1. 引言? 眾所周知，Java語(yǔ)言依靠Java虛擬機(jī)對(duì)字節(jié)碼

3、程序的支持，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)特征。作為一種中間語(yǔ)言，Java字節(jié)碼提供了匯編指令級(jí)的程序描述，能夠支持底層的程序<"cblue" " title="代碼優(yōu)化">代碼優(yōu)化。然而，目前的Java字節(jié)碼程序都是通過(guò)Java<"cblue" " title="編譯系統(tǒng)">編譯系統(tǒng)生成的，人們?nèi)鄙僖环N直接利用Java字節(jié)碼進(jìn)行<"cblue" " title="程序設(shè)計(jì)">程序設(shè)計(jì)的工具。為此，本文提出一種Java字節(jié)碼&l

4、t;"cblue" " title="編程語(yǔ)言">編程語(yǔ)言，通過(guò)提供一個(gè)Java字節(jié)碼生成系統(tǒng)，直接支持Java字節(jié)碼程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，選用了Apache組織中的開(kāi)放源碼項(xiàng)目BCEL（Byte Code Engineering Library，字節(jié)碼工程庫(kù)）作為Java字節(jié)碼生成工具。2.?Java字節(jié)碼編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)? Java字節(jié)碼編程語(yǔ)言的提出，是為了產(chǎn)生優(yōu)化的字節(jié)碼程序，可用于對(duì)Java源程序的編譯系統(tǒng)，以及各種程序變換和程序優(yōu)化系統(tǒng)。字節(jié)碼的表達(dá)和優(yōu)化能力都優(yōu)于Java程序，一些Java語(yǔ)言中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，利用字節(jié)碼可進(jìn)行描

5、述，例如字節(jié)碼中可使用goto跳轉(zhuǎn)命令，而Java語(yǔ)言沒(méi)有這個(gè)功能。? Java字節(jié)碼編程語(yǔ)言文法的設(shè)計(jì)，兼顧了Java語(yǔ)言規(guī)范文法與Java虛擬機(jī)的指令格式，采用二者相結(jié)合的形式。Java字節(jié)碼編程語(yǔ)言的程序結(jié)構(gòu)由一個(gè)或多個(gè)類組成，每個(gè)類中有一個(gè)或多個(gè)域，域分為變量域和方法域，方法中包含了具體的指令語(yǔ)句，指令語(yǔ)句根據(jù)虛擬機(jī)指令設(shè)計(jì)。下面具體列出部分文法。? 類定義文法沿用Java語(yǔ)言規(guī)范：表1 類定義文法Modifierà? public | protected | private | static | abstract | final | native | synchronize

6、d | ? transient | volatile | strictfp ?ModifiersOptà? Modifier ?ClassDeclarationàclass Identifier extends Type implements TypeList ClassBody?InterfaceDeclarationà interface Identifier extends TypeList InterfaceBody?ClassOrInterfaceDeclarationà ModifiersOpt (ClassDeclaration | Int

7、erfaceDeclaration)?ClassBodyàClassBodyDeclaration?ClassBodyDeclarationà ; | static Block? | ModifiersOpt? MemberDecl?MemberDeclà? MethodOrFieldDecl? | void Identifier VoidMethodDeclaratorRest? |?Identifier ConstructorDeclaratorRest? |ClassOrInterfaceDeclaration|? 方法體（MethodBody）設(shè)計(jì)為由塊（

8、Block）組成，塊由多個(gè)塊語(yǔ)句（BlockStatements）組成，塊語(yǔ)句又分為局部變量聲明語(yǔ)句（LocalVariab<"innerlink" " title="leD">leDeclarationStatement）、類或接口定義語(yǔ)句（ClassOrInterfaceDeclaration）和指令語(yǔ)句（Instruction）。? 指令的設(shè)計(jì)則參考了Java虛擬機(jī)的指令格式，提供了虛擬機(jī)指令的所有功能，按功能可分為以下七類語(yǔ)句：· 裝載和存儲(chǔ)語(yǔ)句（Load_Store）· 運(yùn)算語(yǔ)句（Arithmetic）

9、· 類型轉(zhuǎn)換語(yǔ)句（Type_ Conversion）· 對(duì)象創(chuàng)建和操縱語(yǔ)句（Object_Create_Manipulation）· 操作數(shù)棧管理語(yǔ)句（Operand_Stack_Management）· 控制轉(zhuǎn)移語(yǔ)句（Control_Transfer）· <"cblue" " title="方法調(diào)用">方法調(diào)用和返回語(yǔ)句（Method_Invoke_Return）。? 相應(yīng)文法如下表：? 表2 方法及指令定義文法MethodBodyà Block?Blockà

10、BlockStatements ?BlockStatementsà BlockStatementBlockStatementà? LocalVariableDeclarationStatement? |?ClassOrInterfaceDeclaration? |?Identifier: Instruction；?Instructionà? BlockStatement? | Load_Store? |? Arithmetic? | Type_ Conversion? |?Object_Create_Manipulation ? | Operand_Stack_M

11、anagement? |?Control_Transfer? | Method_Invoke_Return?指令語(yǔ)句中方法調(diào)用和返回語(yǔ)句的文法如表3：? 表3 方法調(diào)用和返回語(yǔ)句文法MethodNameà Identifier?RetTypeà Type?ArgTypeà TypeList?MethodInvokeKeyword à ? invokevirtual? | invokeinterface? |?invokespecial? | invokestatic ?Method_Invoke_Returnà MethodInvokeKeyw

12、ord (ClassName, MethodName, RetType, ArgType) |?ireturn | lreturn | freturn | dreturn | areturn | return? ? 上表中，方法調(diào)用分為以下四種類型：· 調(diào)用對(duì)象的示例方法，調(diào)度對(duì)象的（虛）類型：invokevirtual· 調(diào)用由接口實(shí)現(xiàn)的方法：invokeinterface· 調(diào)用需要特殊處理的實(shí)例方法，即實(shí)例初始化方法、private方法或超類方法：invokespecial· 調(diào)用命名的類中的類（static）方法：invokestatic3? J

13、ava字節(jié)碼生成系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)? Java字節(jié)碼生成系統(tǒng)的輸入為Java字節(jié)碼編程語(yǔ)言，輸出為Java字節(jié)碼文件。字節(jié)碼生成系統(tǒng)的功能是讀入Java字節(jié)碼編程語(yǔ)言程序，通過(guò)BCEL（字節(jié)碼工程庫(kù)）生成字節(jié)碼文件。? BCEL字節(jié)碼工程庫(kù)是一個(gè)工具包，用于對(duì)Java類文件的靜態(tài)分析，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建或修改。開(kāi)發(fā)人員能夠使用BCEL 庫(kù)在一個(gè)較高的抽象層次上實(shí)現(xiàn)所需的功能，而不用具體處理Java字節(jié)碼文件的內(nèi)部細(xì)節(jié)。BCEL完全用Java語(yǔ)言寫成，并遵守LGPL條款。由于BCEL庫(kù)是針對(duì)Java的class文件格式和虛擬機(jī)指令集所設(shè)計(jì)的，直接應(yīng)用BCEL庫(kù)進(jìn)行Java字節(jié)碼文件的生成比較困難，需要了解較多

14、的Java虛擬機(jī)方面的知識(shí)。本文提出的Java字節(jié)碼編程語(yǔ)言的文法與BCEL庫(kù)的字節(jié)碼生成接口相對(duì)應(yīng)，易于應(yīng)用BCEL庫(kù)進(jìn)行編譯，完成字節(jié)碼生成。Java字節(jié)碼編程語(yǔ)言成為一座連接Java源程序和字節(jié)碼文件的橋梁，先將Java源程序編譯為中間代碼,再使用BCEL庫(kù)將中間代碼編譯為Java字節(jié)碼，生成class文件。? Java字節(jié)碼生成系統(tǒng)可分為詞法分析、語(yǔ)法分析和字節(jié)碼生成三個(gè)階段，其用例圖如下：? 圖1 Java字節(jié)碼生成系統(tǒng)的用例圖? 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖可表示為：? Java字節(jié)碼生成系統(tǒng)中，字節(jié)碼編程語(yǔ)言與BCEL庫(kù)中字節(jié)碼生成接口具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，以方法調(diào)用為例，如下表：表4 java字節(jié)碼

15、編程語(yǔ)言與BCEL庫(kù)生成接口對(duì)應(yīng)關(guān)系Java字節(jié)碼編程語(yǔ)言方法調(diào)用文法BCEL庫(kù)生成接口MethodNameà Identifier?RetTypeà Type?ArgTypeà TypeList?MethodInvokeKeyword à ? ?invokevirtual? | invokeinterface? |?invokespecial? | invokestatic ?Method_Invoke_Returnà ?MethodInvokeKeyword(ClassName, MethodName, RetType, ArgType)?

16、 |?ireturn | lreturn | freturn | dreturn ? | areturn | return? ?BCEL庫(kù)中類InstructionFactory的方法:?public InvokeInstruction createInvoke(String class_name, String name, Type ret_type,Type arg_types, short kind)/kind對(duì)應(yīng)invokevirtual , invokeinterface? , invokespecial , invokestaticpublic static ReturnInstr

17、uction createReturn(Type type)/type類型對(duì)應(yīng)關(guān)系:T_ARRAY,T_OBJECTà areturn;T_INT,T_SHORT,T_BOOLEAN,T_CHAR,T_BYTEà ireturn;T_FLOATà freturn;T_DOUBLEà dreturn;T_LONGà lreturn;T_VOIDà return;4?Java字節(jié)碼生成示例? 下面通過(guò)生成階乘Java程序字節(jié)碼的介紹，說(shuō)明Java字節(jié)碼生成系統(tǒng)功能。左邊是求階乘的Java源程序，右邊是相應(yīng)的字節(jié)碼編程語(yǔ)言代碼。? 階乘Ja

18、va源程序 其中calculateFactorial方法的字節(jié)碼編程語(yǔ)言代碼? ? 表5 階乘程序和相應(yīng)字節(jié)碼編程語(yǔ)言代碼階乘Java源程序?其中calculateFactorial方法的字節(jié)碼編程語(yǔ)言代碼?public class Factorial?public int calculateFactorial(int x)? if (x<0)? ? throw? new ?IllegalArgumentException?('x must be >=0');?int ret=1;?for(int i=1;i<=x;i+)? ? ret=ret*i;? ret

19、urn ret;?public static void main?(String args)? ? Factorial f=new Factorial();?int n=6;? System.out.println(?f.calculateFactorial(n) );? ?public class Factorial?public int calculateFactorial(int x)? ? ?iload? x;? ifge “if1”;? new “java.lang.IllegalArgumentException”;? dup;? ldc “x must be >=0”;?

20、invokespecial ('java.lang.IllegalArgumentException' ,?'' ,?void, ?'java.lang.String');? athrow;?if1:? int ret;?push 1;? istore ret;? int i;? push 1;? istore i;?for_begin:? iload? i;? iload? x;? if_icmpgt “if2”;? iload? ret;? iload? i;? imul;? istore? ret;? iinc? i? 1;? goto “

21、for_begin”;?if2:? iload? ret;? ireturn;? 字節(jié)碼編程語(yǔ)言代碼編譯為BCEL庫(kù)調(diào)用，以階乘為例，以階乘為例，分別討論：· 類和方法聲明：? ? 表6 類和方法聲明轉(zhuǎn)換 字節(jié)碼編程語(yǔ)言代碼?BCEL庫(kù)生成代碼?public class Factorialpublic int?calculateFactorial(int x)? ? ? ?ClassGen cg = new ClassGen( "Factorial", "java.lang.Object", "Factorial", ACC

22、_PUBLIC| ACC_SUPER, null );ConstantPoolGen cp = cg.getConstantPool();InstructionList il = new InstructionList();MethodGen mg = new MethodGen( ACC_PUBLIC, Type.INT ,new TypeType.INT,? new String"x" ,? "calculateFactorial",? "Factorial", il, cp );?· 方法調(diào)用：? 表7 方法調(diào)用轉(zhuǎn)換 字節(jié)碼編程語(yǔ)言代碼?BCEL庫(kù)生成代碼?invokespecial (? "java.lang.IllegalArgumentException" ,"" ,void, "java.lang.String