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KVM的常量池

王朝other·作者佚名  2007-03-07
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在class文件中,“常量池”是最复杂也最值得关注的内容。

Java是一种动态连接的语言,常量池的作用非常重要,常量池中除了包含代码中所定义的各种基本类型(如int、long等等)和对象型(如String及数组)的常量值还,还包含一些以文本形式出现的符号引用,比如:

类和接口的全限定名;

字段的名称和描述符;

方法和名称和描述符。

在C语言中,如果一个程序要调用其它库中的函数,在连接时,该函数在库中的位置(即相对于库文件开头的偏移量)会被写在程序中,在运行时,直接去这个地址调用函数;

而在Java语言中不是这样,一切都是动态的。编译时,如果发现对其它类方法的调用或者对其它类字段的引用的话,记录进class文件中的,只能是一个文本形式的符号引用,在连接过程中,虚拟机根据这个文本信息去查找对应的方法或字段。

所以,与Java语言中的所谓“常量”不同,class文件中的“常量”内容很非富,这些常量集中在class中的一个区域存放,一个紧接着一个,这里就称为“常量池”。

常量池由多条“常量池项”组成,每一个常量池项又由两部分组成,这里分别称为“常量池项头”和“常量池项体”。

常量池项头表明常量池项的类型,常量池项共分为11种类型,分别为:

常量池项类型

说明

CONSTANT_Utf8

1

UTF-8编码的Unicode字符串

CONSTANT_Integer

3

int型常量

CONSTANT_Float

4

Float型常量

CONSTANT_Long

5

Long型常量

CONSTANT_Double

6

double型常量

CONSTANT_Class

7

对一个class的符号引用

CONSTANT_String

8

String型常量

CONSTANT_Fieldref

9

对一个字段的符号引用

CONSTANT_Methodref

10

对一个类方法的符号引用

CONSTANT_InterfaceMedthodref

11

对一个接口方法的符号引用

CONSTANT_NameAndType

12

对名称和类型的符号引用

常量池项体中存放的就是对应的常量数据,比如各种数值型的常量或者字符串等等。

以下介绍kvm中的常量池是如何组织起来的。

数据结构:

在KVM的头文件kvm/vmcommon/h/pool.h中,有以下对常量池项类型的定义:

#define CONSTANT_Utf8 1

#define CONSTANT_Integer 3

#define CONSTANT_Float 4

#define CONSTANT_Long 5

#define CONSTANT_Double 6

#define CONSTANT_Class 7

#define CONSTANT_String 8

#define CONSTANT_Fieldref 9

#define CONSTANT_Methodref 10

#define CONSTANT_InterfaceMethodref 11

#define CONSTANT_NameAndType 12

以及常量池项体结构的定义:

union constantPoolEntryStruct {

struct {

unsigned short classIndex;

unsigned short nameTypeIndex;

} method; /* Also used by Fields */

CLASS clazz;

INTERNED_STRING_INSTANCE String;

cell *cache; /* Either clazz or String */

cell integer;

long length;

NameTypeKey nameTypeKey;

NameKey nameKey;

UString ustring;

};

class文件中,常量池项有很多种类,每一个常量池项的大小都不同,而对于常量池的使用又是如此之多,最好能够使用数组来索引,这样可以提高效率,所以KVM里使用union来代表一个常池项,union的每一项是常量池项的一种可能的数据类型,这样每一项都有了相同的大小,可以构造数组。

显然,这个数组就将是常量池的核心内容,那么这个数组放在哪里呢?就在下面这个结构中:

struct constantPoolStruct {

union constantPoolEntryStruct entries[1];

};

这就是常量池。这个常量池的设计很有意思:

1、这个结构体中只有一个指针,指向一个常量池项体数组,数组中元素的个数是常量池项数+1,数组中的第一项(即序号为0的那一项)不是实际的常量池项体,而是存放了常量池项的数目,即表明了数组中接下来的元素数。要取得数组的长度信息,只有一个办法,就是读数组的第一个元素,为不造成空指针错误,所以constantPoolStruct在定义的时候就要保证数组的第0个元素必须存在,所以上面的entries在定义时就被指定为长度为1的数组。

单纯从数据结构的设计角度来看,我认为constantPoolStruct的设计并不是很清晰,使用数组的第一个无素来表示数组的长度多少一点显得混乱,明明可以在constantPoolStruct的结构里增加一个变量来表明数组长度,这样不是更清晰吗?之所以这样做,我想也是与class文件中常量池的设计惯例有关。在class文件中, constant_pool紧跟在constant_pool_count之后,而constant_pool_count = constant_pool中实际的项数+1,相当于constant_pool_count也把自己当成了常量池中的第一项。

由此可见,KVM的常量池设计与class文件如出一辙。

2、常量池项体以一个union来表示,而union不带有自身类型的信息,如何知道一个常量池项的类型呢?

在一个class文件的常量池被载入后,生成了constantPoolStruct结构体的实例,在其中constantPoolEntryStruct数组的最后一项之后,一定会跟随一个字节数组,这个数组中的每一个字节就是一个“常量池项头”,长度与实际的常量池项数相同,即constant_pool_count-1,在这个字节中就指明了相应常量池项的类型。

程序实现:

构造常量池的代码段主要在kvm/vmcommon/src/loader.c的loadConstantPool()函数中,函数原形如下:

static POINTERLIST

loadConstantPool(FILEPOINTER_HANDLE ClassFileH, INSTANCE_CLASS CurrentClass);

两个参数分别为类文件的句柄以及当前被载入类的指针。

这个函数的总体流程如下:

1- 循环读取文件中常量池中所有项,把,把各项内容存入临时数组RowPool中;(L649~L740)

2- 计算常量池所占空间大小(以constantPoolEntryStruct枚举体数计),并申请常量池空间;(L742~L757)

3- 循环读取暂存在RowPool中的常量信息,为常量池赋值。

其中第2步值得一看,记算空间大小的那一行如下:

int tableSize = numberOfEntries + ((numberOfEntries + (4 - 1)) >> 2);

一个constantPoolEntryStruct枚举体的大小为4,前面讲过,在constantPoolEntryStruct数组的后要跟有一个字节数组来存放常量池项的类型信息,即每一个constantPoolEntryStruct要对应1个字节的常量池项头,所以当以constantPoolEntryStruct枚举体数为单位给常量池项头数组申请空间时,需要向4字节对齐,每多1~4个常量池项头,就要多申请一个constantPoolEntryStruct。这一句就是这个意思。

loadConstantPool函数执行过程中,会把新生成的常量池指针赋给CurrentClass->constPool,这样,这个类实例中就有完整的常量池了。

 
 
 
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