Java基础:你是否了解KVM的常量池

原野新之助22

原野新之助22

2016-02-19 20:08

只要你有一台电脑或者手机,都能关注图老师为大家精心推荐的Java基础:你是否了解KVM的常量池,手机电脑控们准备好了吗?一起看过来吧!

  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;

(本文来源于图老师网站,更多请访问http://m.tulaoshi.com/bianchengyuyan/)

  方法和名称和描述符。

  在C语言中,假如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;

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  而在Java语言中不是这样,一切都是动态的。编译时,假如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
   值
   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的设计并不是很清楚,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,这样不是更清楚吗?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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