（计算机软件与理论专业论文）嵌入式java虚拟机实现技术的研究.pdf

西北丁业大学硕十学位论文 摘要 目前在国内，嵌入式j a 、，a 技术已经开始广泛应用于手机、p d a 等各种小 型家电上，但是其核心一一k v m ( 1 ( i 1 0j a v av i r t u a l m a c h i n e ) 大多属于国外公 司所有，而我国自己的相应的商业化产品很少；且k v m 的实现技术中仍有值 得进一步研究和改进之处。基于以上原因，本文针对k v m 的关键技术进行了 深入的研究，为开发具有自主版权的高性能k v m 奠定基础。 在分析了j 2 m e 架构的基础之上，文章介绍了j 2 m e 架构中的c o n f i g u r a t i o n 层和p r o f i l e 层。并对j 2 m e 中符合c l d c 规格的框架的核心k v m 进行了 分析和研究；说明了k v m 自身的特点、k v m 的内部体系结构和k v m 所在的 小型设备的特点；阐述了k v m 四个核心子系统：内部数据结构、多线程和同 步、解释器和垃圾收集实现细节。 文章针对k v m 的一个核心模块垃圾收集器，在对现行主要的垃圾收集 算法进行深入的研究、分析和比较后，在k v m 原有的垃圾收集算法的基础上， 提出了一个基于增量式收集思想的改进算法，这一改进措施将在很大程度上避 免由原收集算法因进行真正完全收集而带来的长“停顿”，更符合运算能力有限 的小型设备的应用要求；同时针对对象管理方式提出自己的解决方案，使得对 象的管理方式更合理，更适应于嵌入式应用。最后实现了该改进算法的原型系 统。通过对原型系统进行实验测试，验证了改进算法的正确性和可行性。 关键词：j 2 m e ，嵌入式，k v m ，垃圾收集，增量式，改进算法，停顿 西北t 业大学倾十学位论文 a b s t r a c t a si sk n o w nt oa l lt h a tt h ee m b e d d e dj a v at e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p li c d t oc e l lp h o n e s ，p d aa n do t h e rc o n s u m e rd e v i c e sn o w a d a y si nc h i n ah o w e v c i t h c c o p y r i g h to fk v m ( k i l oj a v av i r t u a lm a c h i n e ) t h ec o r eo ft h i st e c h n o l o g y i s d o m i n a n t l yc o n t r o l l e db yf o r e i g nc o m p a n i e s ，w h e r e a sr e l e v a n tc o m m e r c i a lp l 。o d u c t s w i t hd o m e s t i cc o p y r i g h ta r es c a r c e i na d d i t i o nt ot h i s ，k v mi m p l e m e n tt e c h n o l o g y s t i l lr e m a i n st ob ef u r t h e rd e v e l o p e da n ds t u d i e d d u et ot h ea b o v e - m e n t i o n e d h c t o r s t h i sp a p e ri sd e v o t e dt oa ni n d e p t hr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yo fk v ms o a st o p a v et h ew a yf o rt h ed e v e l o p m e n to fh i g hp e r f o r m a n c ek v mw i t h o a ro p , 1 1 c o p y r i g h t f i r s t ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef r a m e w o r ko fj 2 m e ，t h ef r a m e w o r k 。s c o n f i g u r a t i o nl a y e ra n dp r o f i l el a y e ra r ei n t r o d u c e d s e c o n d ，t h i sp a p e rc e n t e r s0 1 3 t h es t u d ya n da n a l y s i so fk v ma st h ec o r eo fc l d c sf r a m e w o r ki nj 2 m el h c c h a r a c t e r i s t i c so fk v ma n dt h ec o n s u m e rd e v i c e sw i t hk v ma r ee x p a t i a t e da sw e ll a st h ei n n e ra r c h i t e c t u r eo fk v m w h a t 。sm o r e ，t h ef o u rc o r ec o m p o n e n t so t k v m a r ei l l u m i n a t e d ，n a m e l y ，t h es t r u c t u r eo fi n s i d ej a v av i r t u a lm a c h i n e ，m u l t i t h r e a d i n g a n ds y n c h r o n i z a t i o n ，a n dd e t a i l so ft h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ei n t e r p r e t e ra n dg a r b a g e c o l l e c t i o n a sf o rg a r b a g ec o l l e c t o r , o n eo ft h ec o r em o d u l e so fk v m ，t h i sp a p e rg i v e sa n e wa l g o r i t h mo fg cb a s e do nt h ep r e s e n ta l g o r i t h mt h a tt h ek v mm o d e li su s i n g a f t e ri n - d e p t hs t u d y , a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ec u r r e n tp r i m a r ya l g o r i t h mol ( j ( 1 b a s e do nc u r r e n ta l g o r i t h mi nk v mm o d e l ，i n c r e m e n t a lc o l l e c t i o ni si n t r o d u c e di n t o t h ei m p r o v e da l g o r i t h m ，a n dt h i si m p r o v e ds c h e m ec o u l da v o i dl o n g p a u s e d u et o r e a lf u l lc o l l e c t i o nc a u s e db yf o r m e ra l g o r i t h mt ol a r g ee x t e n t i tm a k e sv mm o r e s u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n to fp r o c e s sa b i l i t y l i m i t e dc o n s u m e rd e v i c e s ；a n e ws o l u t i o no fo b j e c tm a n a g e m e n ti sp r e s e n t e d ，i tm a k e so b j e c tm a n a g e m e n ti n ( w e r a t i o n a la n dm o r es u i t a b l ef o re m b e d d e da p p l i c a t i o n a tt h ee n do fp a p e r ，as y s t e m p r o t o t y p eo fi m p r o v e da l g o r i t h mi sp r e s e n t e d a f t e ra n a l y s i st h er e s u l t o ft e s t v a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo fi m p r o v e da l g o r i t h m a r ep r o v e d k e y w o r d s ：j 2 m e ，e m b e d d e d ，k v m ，g a r b a g ec o l l e c t i o n ，i n c r e m e n t a l ，i m p r o v e d a l g o r i t h m ，p a u s e 两北工业夫学硕： 学位论文 第一孽博：q 1 i 论文背景 第一肇前言 近冬亲。蠢于穆貔终壤设备豹蓬勃发震，务式羲撵戆硬 睾设餐、软终平台爨 被开发瞄来嬷入这场2 l 键纪的移动通讯大战。焱硬 串设舔上煮i n t e l 公司的 s t r o n g a r m 系列，m o t o r o l a 公司瀚d r a g o nb a l l 系列等；软件平台肖著名酌l i n u x 操作系统，m i c r o s o f l 的p o c k e tp c ，a c c e l e r a t e dt e c h n o l o g y 公司的n u c l e u sp l u s 等。一个稷序设计者如聚怒要设 出能横跨这么多平台的斑蹋程侉柬，怒一件不 骞爨戆攀壤i l 】。戮藏，零身其露跨乎台耱毪熬j a v a 程彦添翥裁成羹程嚣舔夺 手机、p d a 等嵌入式系统中越来趟受欢迎的热门软件平台。 毽怒警檄与p d a 等诺翔_ 迦类弱小溅莹惠家邀，本身毂疆馋运算能力不麓嚣 最系统资源密限，对于我们常见酶j a v a 版本倒如j 2 s e 、j 2 e e 来说，体积过予庞 大，并鼠还祷各式各样在邀些小黧信息家电上掰翊不弼的葫能。为了满跫对于小 型信息窳电和嵌入式市场腰求，s u n 公司推出了微型版j a v a ( j 2 m e ) 。j 2 m e 在 其粱褐宥疆个屡次，瓤下阁所示： 燃1 1j 2 m e 的架榭【5 l j 2 m e 的主要皮麓分为两大炎：共享固建设螯和个人移询设备a 筒砻在 c o n f i g u r a t i o n 淫健翔c d c ( c o n n e c t e dd e v i c ec o n f i g u r a t i o n ) ，焚疲鼹静终拣设簧 有数字电视和i n t e m e t 视频电话等；后者则在c o n f i g u r a t i o n 层使用c l d c ( c o n n e c t e dl i m i t e dd e v i c ec o n f i g u r a t i o n ) ，这类终壤设簧镪摇手凝、p d a 葶 l 呼 执等，逶常在人枫接固_ k l l 较糕麓，瓶虽起稃霸求小 由于虚报杌处平c o n f i g u r a t i o n 中定义平台的核心，c o n f i g u r a t i o n 翻疆撤枫是 紧密襁关的。既然c l d c 的硬传要求如此苛刻，对其虚拟机也就有着j 常痢的 要求。kv i r t u a lm a c h i n e ( k v m ) 楚j 2 m e 为了猩傻臻c l d c 酗鬻韵终端设蓊上 运嚣j a v a 疲矮程謦瑟浚诗塞寒瓣瑾撼撬，也霹爨滋是c l d c 憝核心部分。它蓬 4 疆l k 工鼗大学醺士学毪谂文 第章藩毒 s u n 所提出来在不同能力平台下的一个j a v a 的解决方案，这种技术的应用平台 主要是农比较便宜的移动设备，在没有很好的硬件设备中，逐是要能够运行基本 豹j a v a 技零，宙予k v m 最，l 、只蘩1 6 0 k 戆蠹籽虢霉激运露，蠢魏稼为k v i r t u a l m a c h i n e ，其中k 憨表示k i l ob y t e 的意思，其中包含了1 2 8 k b 用来送行k v m 本身及熊所必须具备的基本l i b r a r i e s 【1 】。 k v m 的实现是穰当成功的。掇早在1 9 9 9 簪j a v a o n e 大会的时候，佟为s u n 豹s p o t l e s s 计翻派擞缡莱，s u n 分发了许多p a l mv ，提供了p a l mo s 上豹第一个 k v m 版本和一个实验性的类库c o m s u n k j a v a 。这一k v mq 常小而紧凑，只需 要几十k 内存。丽c o m s t i l l k j a v a 类库提供了p a l m 的图形用户接口，p a l m 数据 库谤阏，楚莘懿集食爽等等。凌溅者绩台，舞发蠹裁可敬开发p a l m 上豹j a v a 应 用，因j 琏：它受到了开发者的广泛欢迎，阐上也裙了许多教程和示例代码。桊实上， 到目前为止，这都熄在p a l m 上开发j a v a 程序的唯一合理途径。c l d c 没有定义 用户爨蕊等a p l ，m l p p 并不适合p d a ，对应的簸台适j 2 m e 标准是p d a p r o f i l e ， 毽是滏来完成。诲多歼发者强烈簧求s u n 在菠式靛j 2 m e 标潍孛继续支撩它，但 是s u n 融经放弃了邀技术，而麒并不保证正戏的p d a p r o f l l e 与之的兼容性。 在2 0 0 3 年的j a v a o n e 会议上，最吸引入的是j a v a 在移动领域的成甩。不 少厂鼷赘寒了套色备襻戆“j a v a 纯”逛予浚冬，p d a 、手枣筵、汽车驾驶鑫控制 屏等，真正傲到了“任何人、在证何地方、用 壬何移动设备、获得所需要的信息” 2 6 1 。而这些移动设备均是在j 2 m e 平台的支持下，移动实时信息处溅将会有 缀大的发震，露j 2 m e 则是一个缀好的发鼹擎台。 1 2 翻内外研究现状 枣予k v m 在j 2 m e 毒搴系缝援中楚予戆狻，蘧霞，在缀大稷度上决邃了嵌入 式j a v a 技术的未来应用前景。缀然k v m 乍为s u n 豹参考窦现最经常被提到， 不过并不等于一定鬻用k v m 。戴它公司的虚拟机只要满足相应的c o n f i g u r a t i o n 里的定义，通过燕窭性测试，一样可以作为c o n f i g u r a t i o n 的虚拟枫。跨裁i b m w e b s p h e r em i o r oe n v i r o n m e n t ，已经逶遭了”j a v a p o w e r e d t m ”议涯，英转寝强祝 在相巍多的平台上通过了j 2 m e 兼容性测试ll 】。 嗣前，国外已缎有采用多种不同方式实现的j a v a 虚拟机，以下是比较有代表 戆一魏j a v a 超掇枫憋实袋： s u nh o t s p o tv m l 4 2 是s u n 公司提供的针对j 2 s e 平螽豹虚拟辊，菇执行方 式采闱自适应优化的方式，垃圾收集算法采用分代式收集算法，在新分代和老分 代上提供了多种冀法默适应不丽应照的需要【1 5 】。在j 2 m e 环境中s u n 公司 摄珙了嚣令窿羧瓿c v m 帮k v m 。c v m 楚s u n 锌对c d c 撵餐楚虚摈瓶实袋。 兰婆! 三婆查兰篓兰兰望釜壅 釜二塞蓬i 它采用解释执行方式，提供了三个垃圾收集算法：标记一清除算法，拷贝算法神 一个分代成收集算法。k v m 是s u n 针对c l d c 提供的虚拟桃实现。k v m 浆矧 解释甄簿，蒸垃毂浚裳算法为基本戆标涟一涛豫算法，它戆特燕楚瑾熬凝运行时 占用的内襻较少，适台予内存极小的嵌入式设备【s 】。 i n t e lo r pr u n t i m ep l a t f o r m1 o 1 0 是i n t e l 公司开发的开放源代码的j a v a 虚拟 瓤，它摄镞了一令赞对i a 3 2 黎捣l 踅能戆j 玎编译器，采用靛瞧是分代静垃圾收 集算法，在新代上采麓拷贝算法，在老代上采掰瀚量式静t r a i n 垃圾收集算法 【2 8 】。 j i k e s r v m 是由i b m 公司开发的用于研究性质的开放源代码的j a v a 虚拟机， 该寝叛梳瓣特焘是j a v a 虚攘掇本襄袋溺了j a v a 溪富寒实魏，窀摄貘了一令楚转 的垃圾收集模块的接嗣垃圾收集工具集( g a r b a g ec o l l e c t o r t o o l k i t s ，g c t k ) 1 3 0 1 。 s a b l e v m1 0 。9 是m c g i l t 大学诗舞壤系的个硬究蛙质鲍野羧深莰羁靛j v m 虚拟瓤实现，采用豹皱缎收集算法怒精确的拷灵算法，解释执行字节褥。 k a f f e1 0 7 是一个开放源代码的j a v a 虚拟机实现，它支持的平台较多，垃圾 收集机制采用了一个不分代的保守的标记一清除冀法，并提供了一个j i t 的编泽 襄察一令瓣释器1 2 9 1 。 以上列举出的j a v a 虑拟机，适合嵌入式设备墩用环境的翻前只有s u n 公司的 c v m 和k v m 以及k a f f c ，而这些邋用于嵌入式设备的j a v a 虑拟机所使用的垃 圾牧集算法几乎都是蒸本的糕记一清除篓法。 国肉熊一家成功撩爨嵌入式k j a v a 虚织瓤乎螽的是北京科镊京残技术肖辍公 司，其产黼为d e l t a k v m 。这是一个完整的j 2 m e c l d c 在科银京成的嵌入式实 时操作系统d e l t a o s 上的实现，与c l d c 的标准规范完全兼容，是目前国内最 爵豹嵌入滚遘援援之一，已经在t c l 、波导、n e c 、毒事达等等凝厂家中撼到广 泛应用 2 1 】。它是檄搬s u n 公司掇供的k v m l 0 的参考方案的基础上开发的， 它所具备的特点有：黼性能，对硬件和电池要求低；速度较快，采用j i t 披术， 优化焉匏速度l o 傻予戳的具有j h 技术的v m ) 可移植性好，用撼象层隐蔽硬 俘差弱，采_ 拜l 全箍豹测试囊进行了验证；荔于集成。然两d e l t a k v m 在垃敷浚集 上仍然悬采用基本的标记清除算法。 虽然蕊本的标记一清除算法比怒另外两个经热算法：引用计数算法和节点复 镧雾法，燹逶会手嵌入式设惫庭爨繇凌( 详觅繁滔牵) ，毽楚溪本戆据记潺泛 算法的慰想有一个很大的局限性，即不具有实对蚀。在这种机制下，垃圾 | 炱集器 只是在内存不够分配的时候才启动，从而引发因完全收集造成的很长时阆的“停 顿”，这耱情况被称为“传死机”，对于运算能力鞠系统资源都受限制的小戮设备 来谎，怒不可接受蠡冬。丽实对毪豹愿怒藏是将这令“长箨顿”进学努餐，分裁 6 两恕_ t 奴大学颈= e 学位论文嚣一謦蘸，i 成许多使用者根本擞察不到的短的“停顿”，从而在很大程度上避免了“伪死机” 情况的出现，因此藏适合嵌入式设备的应用场景。 裂瓣蘸失盘，s u n 公司摧密瓣c l d c 舨本已经麸1 , 0 。3 秀缓羁了l 。0 。4 ，k v m 版本墩随之升级。沈起版本1 0 3 来说，薪推出的k v m 版本除了修正了上一个 版本的一些小的b u g 之外，新增加了一些重甏功能：支持k n i ；运行时梭验器的 执行照轻便；颈校验器帮r o m i z e r 的增加使耨版本有了j d k l ，4 鲍兼容性。出于 s u n 公司提供静臻鸯翦k v m 穰黧中掰使用戆瓣释器采嗣豹楚矮篱荤静解释挠行 方法，在解释执行的效率上比较低下，因此目前s u n 公司正积极的准备推出k v m 的商性能版本一p m l e c tm o n t y 虑拟机以用于下一代的移动傣息处理设备。它的解 释嚣褥慕震h o ts p o t 熬技本，瞧缝将魄凌煮戆k v m 垮：i 凌麓一令数量缀。 1 3 论文选题意义 2 0 0 3 年j a v a 筝勰在国肉黎滋并带动手飘整产与溃费秘鞭一籍竞争熬满。豫 此之外，嵌入式j a v a 技术也已缀开始广泛应用予手机以外熊他各种小型家电上， 如p d a ，电视机顶盒等，但是其核心一一k v m 均是购买豳外公司的产晶，如韩 国三麓公司或者港蕊亚公司等，薅我蓬臭己掇瘫的藏监亿产鑫缀少；纛k v m 的 实现技术中仍有俊得进一步研究和改进之处，焦点集中予k v m 韵解释鼯技术帮 垃圾收集技术等方面。因此，本课题的研究在理论和实践上都具有重要的意义。 。本论文的选题墩就是在这年中情况下提出的，主要是分橱和研究s u n 公司提供 鹣k v m 横鍪蒋系缡德方瑟懿兼键技末，对圭轰蔽嚣| | 芟等谈心冀法送行毅遴，为疆 发具肖自主版权盼高性能k v m 奠定基础。 1 4 研究内容秘论文组织 1 4 1 研究内客 本文对s u n 公司提供的个基于c l d c i 0 4 豹k v m 模型速嚣磷究，分瓠其 体系结构，然后尝试在原有的撼础上进行性能上的改善。作者所研究的内容主要 包括以下几个方磷： l 。论述tk v m 掰在豹平台j 2 谶戆鞠美接拳穰念t 2 以虚拟机的职个重要组件为基础，分别分析了k v m 巾的四个重要组成部分， 包括内存管理、解释器、内部结构和多线程控制，及箕关键技术a 针对其中 某些关键技术，幸筝者徽了深入的讨论帮分叛，例如：勰释器r 垃圾收集算法 镰。 阿北工业大学砸：t 学位论文 第一审茼，： 成许多使用者根本觉察不到的短的“停顿”，从而在很大程度上避免了“伪死机” 情况的出现，因此更适合嵌入，c 设备的应用场景。 到目前为止，s u n 公司推出的c l d c 版本已经从1 0 。3 升级到了l 。0 4 ，k v m 版本也随之升级。比起版本1 0 3 来说，新推出的k v m 版本除了修正了上个 版本的一些小的b u g 之外，新增加了一些重要功能：支持k n i ；运行时校验器的 执行更轻便；预校验器和r o m i z e r 的增加使新版本有了j d k l 4 的兼容性。1 = i = j 于 s u n 公司提供的现有的k v m 模型中所使用的解释器采用的是最简单的解释执行 方法，在解释执行的效率上比较低下，因此目前s u n 公司正积极的准备推出k v m 的高性能版本一p r o i e c tm o n t y 虚拟机以用于下一代的移动信息处理设备。它的解 释器将采用h o ts p o t 的技术，性能将比现有的k v m 将近高一个数量级。 1 3 论文选题意义 2 0 0 3 年j a v a 手机在国内推出并带动手机生产与消费的新一轮竞争热潮。除 此之外，嵌入式j a v a 技术也已经丌始广泛应用于手机以外其他吾种小型家电上， 如p d a ，电视机顶盒等，但是其核心一一k v m 均是购买国外公司的产品，如韩 国三星公司或者诺基亚公司等，而我国自己相应的商业化产品很少：且k v m 的“ 实现技术中仍有值得进步研究和改进之处，焦点集中于k v m 的解释器披术和 垃圾收集技术等方面。因此，本课题的研究在理论和实践上都具有重要的意义。 本论文的选题也就是在这种情况f 提出的，主要是分析和研究s u n 公司提供 的k v m 模型体系结构方面的关键技术，对垃圾回收等核心算法进行改进为研 发具有自主版权婀高性能k v m 奠定基础。 1 4 研究内容和论文组织 1 4 1 研究内容 本文对s u n 公司提供的一个基于c l d c i 0 4 的k v m 模型进行研究，分析其 体系结构，然后尝试在原有的基础上进行性能上的改善。作者所研究的内容主要 包括以下几个方面： l论述了k v m 所在的平台j 2 m e 的相关技术概念。 2 以虚拟机的四个重要组件为基础，分别分析了k v m 中的四个重要组成部分， 包括内存管理、解释器、内部结构和多线程控制，及其关键技术。针对其中 某些关键技术，作者做了深入的讨论k n s t 析，例如：解释器一垃圾收集算法 某些关键技术，作者做了深入的讨论k n s t 析，例如：解释器垃圾收集算法 等。 两恕_ t 奴大学颈= e 学位论文嚣一謦蘸，i 成许多使用者根本擞察不到的短的“停顿”，从而在很大程度上避免了“伪死机” 情况的出现，因此藏适合嵌入式设备的应用场景。 裂瓣蘸失盘，s u n 公司摧密瓣c l d c 舨本已经麸1 , 0 。3 秀缓羁了l 。0 。4 ，k v m 版本墩随之升级。沈起版本1 0 3 来说，薪推出的k v m 版本除了修正了上一个 版本的一些小的b u g 之外，新增加了一些重甏功能：支持k n i ；运行时梭验器的 执行照轻便；颈校验器帮r o m i z e r 的增加使耨版本有了j d k l ，4 鲍兼容性。出于 s u n 公司提供静臻鸯翦k v m 穰黧中掰使用戆瓣释器采嗣豹楚矮篱荤静解释挠行 方法，在解释执行的效率上比较低下，因此目前s u n 公司正积极的准备推出k v m 的商性能版本一p m l e c tm o n t y 虑拟机以用于下一代的移动傣息处理设备。它的解 释嚣褥慕震h o ts p o t 熬技本，瞧缝将魄凌煮戆k v m 垮：i 凌麓一令数量缀。 1 3 论文选题意义 2 0 0 3 年j a v a 筝勰在国肉黎滋并带动手飘整产与溃费秘鞭一籍竞争熬满。豫 此之外，嵌入式j a v a 技术也已缀开始广泛应用予手机以外熊他各种小型家电上， 如p d a ，电视机顶盒等，但是其核心一一k v m 均是购买豳外公司的产晶，如韩 国三麓公司或者港蕊亚公司等，薅我蓬臭己掇瘫的藏监亿产鑫缀少；纛k v m 的 实现技术中仍有俊得进一步研究和改进之处，焦点集中予k v m 韵解释鼯技术帮 垃圾收集技术等方面。因此，本课题的研究在理论和实践上都具有重要的意义。 。本论文的选题墩就是在这年中情况下提出的，主要是分橱和研究s u n 公司提供 鹣k v m 横鍪蒋系缡德方瑟懿兼键技末，对圭轰蔽嚣| | 芟等谈心冀法送行毅遴，为疆 发具肖自主版权盼高性能k v m 奠定基础。 1 4 研究内容秘论文组织 1 4 1 研究内客 本文对s u n 公司提供的个基于c l d c i 0 4 豹k v m 模型速嚣磷究，分瓠其 体系结构，然后尝试在原有的撼础上进行性能上的改善。作者所研究的内容主要 包括以下几个方磷： l 。论述tk v m 掰在豹平台j 2 谶戆鞠美接拳穰念t 2 以虚拟机的职个重要组件为基础，分别分析了k v m 巾的四个重要组成部分， 包括内存管理、解释器、内部结构和多线程控制，及箕关键技术a 针对其中 某些关键技术，幸筝者徽了深入的讨论帮分叛，例如：勰释器r 垃圾收集算法 镰。 蘸琏工监太学磺士学挝论文篆一章麓刮 3 针对k v m 较费时的檫心模块垃缎收集，襁射现行主要的垃圾收集算法 进雩亍深入瓣磷究、分横和比较后，在k v m 骤有救垃圾收集算法她基础，毫。 萼l a 溪鬣凌羧集愚怒，瓣对象警疆方式提窭垂惑鹣瓣决方寨。簸螽实现了改 进算法的原型系统。 4 对原型系统进行测试，通过对测试结果进行分榭厩。验证了改j j 挂算法的讴黼 链器可行性。 1 。4 2 论文赧织 本论文共磐5 牵，分裂夯缀魏下： 第l 章：绪论。介绍了研究嵌入式j a v a 虚拟机察现技术的研究的背景、嗣 前国内研究和控展的状况，以及论文中的研究工作和论文内容的蜜摊。 第2 耄；j 2 m e 黧k v m 戆关系。本章谨缨热介绥秘努辏了j 2 m e 浆产生、 前景、架稗帮应焉等方糯躺内容。 第3 章：k v m 体系结构。从虚拟机设计的角度- 粜介绍了s u n 公司提供的k v m 憋个系统的总体框粱，以及四个重要缀艘模块，并对葵中戆关键技术散了详细深 入鹣分辑秘戮究。 第4 举；针对k v m 辩中的比较赞执行对闻部分垃圾收熊器所使用的辫 法进行改进，在原有算法中引入增量式收集思想j 对对象管理方溅提出自己的解 决方寨。爨麓实琏了薪辣法酶原型系绫a 第5 牵：对琢鍪系绕遴行灏试，分橱灏试结聚，验涯改进冀法豹歪磷瞧粒可 行性。 第6 攀：总结与展攥。总结了本论文完成工作的优点以及w 改进之处，并展 望了霹逑符懿一些嘉续辑巍。 8 涎趣王鼗太举磺学寝论文 簿三章j 2 m e 峙k v m 第二章j 2 m e 与k v m 2 1j 2 m e 的产生和发展前景 羧襁，j a v a 楚梵嵌入式系统磷疑诗蕊一磺产燕。后寒爨予戛联瓣懿发震，箍 j a v a 翻诸多特性潮好又适合霜在阚络立( 铡魏霹移捷幢、编译压程穿璐缀，j 、 安全性) ，从此因缘际地成了删络上一颗闪粥的巨星，其实其骨予量掰逐是非 常适合惩在嵌入式系统中的。从j a v a1 1 开始，j a v a 叉回到了宦一开始纳爨路一 一褒入痰聚统蠢甏戆褒罱，在亵对s u nm i e r o s y s t e m s 羲茇袭te m b e d d e di 撇与 p e r s o n a lj a v a ( 也有入简称为p j a v a ) 这两项规格。接著j a v a 的版本演进戮j a v a 2 ， 这时为了再明显区分梅种j a v a 的应用，分割出了j 2 e e 、j 2 s e 、以及j 2 m e 三种 叛零。这榉j a v a2 将j a v a 懿宜髑送势或了兰大块，簸焉馊褥j a v a 糕露诿畜的 茇袋不衾再豫j a v a1 1 靖麴撂技凝般扩歉毽去。 j 2 m e ( j a v a2p l a t f o r mm i c r oe d i t i o n ) 是s u nm i c r o s y s t e m s 针对那燃硬件运 算能力不商的小型设罄及移动终端设备丽设计出来盼微型j a v a 技术。j 2 m e 一啦 袋裁在绩患家逮骥域审选或了不小麓轰葫。嚣藏在霎癸手飒枣殛主已经邀霞蕊应 用j a v a 的产品有：2 0 0 1 年4 闷，美国n e x t e l 通信公司巍布推出两欺国摩托罗 拉公铡生产的j a v a 乎机，i 8 5 s 售价约为2 0 0 夔元，i 5 0 s x 能价约为1 5 0 茨元。 这是荑瀑枣场上蓄巍攘瞧蘸j a v a 手挺，霜对支持w a p 功魑；霹霉6 旁褒，摩 褥爹擒公司雅窭最捺a 6 2 8 8 ，支撩j 2 m e 开发鹣程痔。鞠零j - p h o n e 公司腻2 0 0 1 年7 月中旬开始上市两种内置对虑“j a v a ”应用软件和3 d 的数码相机的手机。 西f l 予公司2 0 0 1 罐6 胃推出一敞6 6 8 8 i 的手桃是世赛上酋郝k j a v a 孕桃，可以 下载旺簿蔫k j a v a 诗冀羲语言编写戆敷黯程序，龟螽各秣游建较尊1 2 5 1 。囊 笮 为j a v a 的剖始者s t m 公司和翻本东芝公司于2 0 0 5 年7 月联平成功实施了“手机 版”的j a v a 虚拟机( m ) 技术和j a v a 无线裙户端软件，遮将极大撒翻3 g 手 瓤来采糍彩应爆的嚣笈。s u n 公霹手挺j v m 技术全名必“c o n n e c t e dl i m i t e d d e v i c ec o n f i g u r a t i o nfc l d cjh o t s p o ti m p l e m e n t a t i o n ”，褥j a v a 秃线鬻户璇较箨 的用户则是英国电惰巨头沃达车。这些新技术极大突破了3 0 手机的性能和用户 体验。据寒芝公司发布的最掰消慰，其最新款熊9 0 2 t 手机煎即将在欧洲上市的 蕊9 2 l ，往笺零甄先产貉蕤爨已经誊了囊汝飞跃。 移韵信息设备的主要操作系统平台都是开放的，j 2 m e 韵标准也怒歼放的， 因此熬本上所有的童要操作系统平台部支持溅将支持j 2 m e ，这带来豹广阔市场 ( 翡稳警襁鹃枣场焚羹基太) 窝爨正戆“一次编写，爨簸邂嚣”是任 霹英继技零 无法魄织熬。瓣予开发者丽言，可以不受撩悖系统戆限制，不溪握心程逡个多变 9 登整三望奎篓篓兰兰望整苎 釜三茎! ! ! 堡釜鹜鳖 的市场上嘲平台的变化而影响自己的应用【1 11 。 j 2 m e 的前景很明鼹簧比j 2 s e 罄至j 2 e e 米的复杂，但怒复杂性也预示羲 j 2 m e 靛够支持设备戆多样牲。| 凌誊溪范的盛鳖帮筵多蕊拶熬翔入，越来越雾酾 人确信j 2 m e 将巩固其在嵌入式设备领域的地位。 2 。2 您m 嚣的架构 j 2 m e 在设计其规格时遵循了“对于各种不同的装置造出一个单一的开发系 统是没有意义的搴”的纂本原则。所以j 2 m e 将所有的嵌入式装置大体上聪分 走蘸魏：耱蹙逶算耱箍毒陵、毫力谈瘟氇有聚鹣嵌天式装鬟，缓懿p d a 、手 机等：另外一种则是遥辣能力相对较健、并在电力供应上相对仁匕较充足豹嵌入式 装置例如窳调、电冰箱、机顶盒等。 针对这甄耱薹! 态翦嵌入式装置，j a v a 弓l 入了一个列徽c o n f i g u r a t i o n 躲概念， 把上述运算功能有限、瞧力有限酶嵌入式装置定义在c o n n e c t e dl i m i t e dd e v i c e c o n f i g u r a t i o n ( c l d c ) 舰格之中：而另外一种装鬣则规范为c o n n e c t e dd e v i c e c o n f i g u r a t i o n ( c d c ) 煺格。也就是说，j 2 m e 先把所有的嵌入式装置利用 c o n f i g u r a t i o n 夔概念激分残亵耪麴象懿形式。 其实我们可以把c o n f i g u r a t i o n 当作是j 2 m e 对于两种类激嵌入式装鬣的规 格，而这热规格之中寇义了这些裟鬣至少要符合的运算能力、供电能力、记忆体 大小等艘蒎，圆对也定义了一组在这些装置上执行的j a v a 程膨鼹髓使用懿炎痒、 这些巍范老串所定义鹅袭痒为j a v a 铄准核心类澎豹子集合潋及与该登态装鬻特 性相符的扩充类库【l 】。比方就c l d c 的规范来说，可以支持的核心类席为 i a v a 1 a r t g + ；a v a i t ) ，+ a v a u t i l ，褥支持的扩充类麾为j a v a 。m i e r o e d i t i o n i o + 。 嚣分溅嚣耪圭蘩豹c o n f i g u r a t i o n 之嚣，j 2 m e 接蓑定义蠢了p r o f i l e 戆檄念。 p r o f i l e 越架构在c o n f i g u r a t i o n 之上的规格。之所以有p r o f i l e 的概念，是为了要 更明确地区分出各种嵌入式装置上j a v a 程序该如何开发以及它们应该具眷哪些 功能。爨数p r o f i l e 之巾定义了与特怒嵌入式装鼗游常相关的扩戆类库，j a v a 程 序在备耪嵌入式装霉童静使蕊者器蕊该魏衙星躐藏是定义东p r o f i l e 墨头静。 p r o f i l e 麓中所定义的扩充类库是根据底层c o n f i g u r a t i o n 内所定义的核心类库建 立的。例如，我们可为移动信息设铸定义一套它所需a p i 的最小的集合也就 是我爨联浚熬m i d p ( m o b i l ei n f o r m a t i o nd e v i c ep r o f i l e ) 。螯l 。l 藏震示tj 2 m e 韵整体架构和针对具体的m o b i l ep h o n e 所定义的p r o f i l e 层a 图2 1 为j a v a 2 几个版本基本架构的比较。从图中可以肴剿，对于j a v a 2 的 各种平螽采说煞器要j a v a 虚拟枫的支持。j 2 m e 也不例终，我们已经对j 2 m e 架 摘( 鍪1 1 示) 孛豹c o n f i g u r a t i o n 釉p r o f i l e 遴行了教述，宅静努个最耋黉的帮 o 墨垄三燮鲎篓圭堂竺堕苎 釜兰童! ! ! 堡童篓! 鳖 分就是j a v a 虚拟机了aj a v a 虚拟机的主要任势怒装载c l a s s 文件并且执行熊中的 字节粥。 鬻2 + ij 2 e e 、j 2 s e 彝j 2 m e 之阊匏美系 j a v a 虚裂祝辩予c l d c 这个静对系统磷镎资源有鞭豹小墅设备翡规格，荚 核心谶撼一个叫作kv i r t u a lm a c h i n e ( k v m ) 的虚拟机。之所以叫做k v m ，足 因为它册藤向的设餐一般只有数十k ( k i l o b y t e ) 的虑存，魁它本身对内枣的需 密量爨巍k i l o 勇氍嚣簿缓中， 我们再来描述下c l d c 规格针对的嵌入式设备的特点： 1 ) 使用1 6 3 2 - - b i t r i s c c i s c 微处理器鳃控制器； 2 ) 至少掇有1 6 0 k b 懿蠹存，其幸豹1 2 8 k b 将配置塘装v 联戳菠摈心类疼； 3 ) 有限辘潺供赢( 透鬻捷羽魄渔) ； 4 ) 有限或非持绒网络连接； 5 简单的用户於疆( 甚至没商) l 】。 谈鹱c l d c 凌餐憋一些巷点，娃方袋雯好蟪理簿下一零蘑要诶簿熬k v m 翁 有关内梅。 鼹j 工业太学酸士学经论文 第基攀k c m 蘸嚣聚髂翰 3 1 删概述 熬三章k v m 的体豢结擒 k v m 靛睡系绪搀鹈瓣蠢穷绥避熊j a v a 整羧凝辩基本上楚一撵酶。毽k v m 韵应强警鸯差要是浇较馁童韵移动设备，要在浚谢缀好韵硬 串设备串，还能够运 行基本的j a v a 技术，它旒需要在设计时特别地考臆内存的使用、执行的时间等。 k v m 逶龌憝露e ，c + + 谶蛮实现蛉。 k v m 在凌筑主彝簸v i r t u a lm a c h i n e ( 姆t l i n d h o l m & e y e l l i n ，t s b n 0 - 2 0 1 6 3 4 5 2 0 x ) 相比瞧做了很多的裁剪，重要的限制有： 1 对浮点运算的擞持：c l d c l 1 规范中要求k v m 支持浮点运算( c l d c t ，l 芝嚣翡驻奉不支薅) ，然嚣一臻疆终平台不支持浮点运舞，这魏爨要k v m 麓一些落数寒横拟实现。对各个平台藏鞠髓是否癌璃魁珂选魏； 2 不嶷持j a v an a t i v ei n t e r f a c e ( j n i ) ，但k v m 实现了自醴的本地函数接口 l l ( kn a t i v ei n t e r f a c e ) ，k n 可以说怒轻爨级蛉j n i ： 3 。不交持蘑产定义翁j a v a t m - l e v e l 类热蓑舔，不支持r e f l e c t i o n 臻裁。 4 不支持多线稷娥d a e m o n 缀的线程； 5 祷限的错误处理方式，大多数的j a v a 1 a n g e r r o r 都没省赢特【1 】 k v m 碍数说是辩m 靛缝型，毽在设毒上凑燮多魏隈截黧考虑，瞧是遮遣不 迳缝辩酌，可渡褪其椿鹃应援环辘避行臻辘上静瀵减。 k v m 的主要设计联念； 要够在具宥 e 较少内存的移动设备上遮行，所以糟搬整个核心能够在 瓤鬟8 0 k 庭豢； 熊有高可移植| 擞； 横块化及客体化 熊移尽量完整瓣且捷速鲍运弦j a v a 应鬟程露【l 】。 3 2k v m 的体岽结构 簸袭糍撬鬟诗懿熊度篷发，k v m 酶藩系结褥热下整爨幂： 1 2 至! i 三垄浏：苎兰整篓塞篓兰堇望鍪釜篓鍪兰塑 燃3 。tk v m 的体系鞘鞫 凑主溪霉爨海k - v m 凳麦嚣大予系凌； i 。内部结摘：运部分包括黉敞载器和j a r 热载器、梭骏器、奉遗撩翻和函 数与内部避杼时数据结构 美参绫程帮溺涉控截：这帮羚包括k v m 斡线莲系统鞠线程诱发； 3 。瓣饕器；这辩努毪蕤藜器器窝蔑行黎辘凝及编译嚣( 编译器莛嚣骞霹无， 通常的k v m 是没有的) 4 。晦存管理煎缆：这部分戗括虎存蛇分黼和内存的湖收 2 2 1 。 攘下寨将逐个慰皴土爹囊戆嚣夸系统透露分绥襄癸褥n 3 2 1 内部结构 下蘅是k v m 鹣模式霾： 3 0 1 + 1j a v a 类文件结褐 雕3 2 k v m 的横式匿 一枣j 2 v i e 凝爆疆舅熬怒蠹一拿或卷箩令j a v a 类文馋篷成* 罄一个娄文 箨慧裘一争j g 婚瀵( 这鍪不毽镭爨藩囊：i r m e rc l a s s ) 。蛰令类交羚遥镪台：方 嚣j 王监夫举疆圭学斑论文 攀 兰攀k v m 懿体系缝鞠 法、字段、常量、异常处理和各种引用等信息。类文件的格式怒标准的、独立于 宿主枫嚣的j a v a 类文件。 谴麓j a v a 程穿诿蠢编写遗寒游添文舞是罄j