Java字节码编程语言设计及实现

1、    Java字节码编程语言设计及实现        党石宇,廖湖声 时间:2008年12月19日     字 体: 大 中 小        关键词:<"cblue" " target='_blank'>编程语言<"cblue" " target='_b

2、lank'>方法调用<"cblue" " target='_blank'>编译系统<"cblue" " target='_blank'>程序设计<"cblue" " target='_blank'>代码优化            1. 引言? 众所周知，Java语言依靠Java虚拟机对字节码

3、程序的支持，实现了跨平台特征。作为一种中间语言，Java字节码提供了汇编指令级的程序描述，能够支持底层的程序<"cblue" " title="代码优化">代码优化。然而，目前的Java字节码程序都是通过Java<"cblue" " title="编译系统">编译系统生成的，人们缺少一种直接利用Java字节码进行<"cblue" " title="程序设计">程序设计的工具。为此，本文提出一种Java字节码&l

4、t;"cblue" " title="编程语言">编程语言，通过提供一个Java字节码生成系统，直接支持Java字节码程序设计。系统实现中，选用了Apache组织中的开放源码项目BCEL（Byte Code Engineering Library，字节码工程库）作为Java字节码生成工具。2.?Java字节码编程语言设计? Java字节码编程语言的提出，是为了产生优化的字节码程序，可用于对Java源程序的编译系统，以及各种程序变换和程序优化系统。字节码的表达和优化能力都优于Java程序，一些Java语言中无法实现的功能，利用字节码可进行描

5、述，例如字节码中可使用goto跳转命令，而Java语言没有这个功能。? Java字节码编程语言文法的设计，兼顾了Java语言规范文法与Java虚拟机的指令格式，采用二者相结合的形式。Java字节码编程语言的程序结构由一个或多个类组成，每个类中有一个或多个域，域分为变量域和方法域，方法中包含了具体的指令语句，指令语句根据虚拟机指令设计。下面具体列出部分文法。? 类定义文法沿用Java语言规范：表1 类定义文法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|? 方法体（MethodBody）设计为由块（

8、Block）组成，块由多个块语句（BlockStatements）组成，块语句又分为局部变量声明语句（LocalVariab<"innerlink" " title="leD">leDeclarationStatement）、类或接口定义语句（ClassOrInterfaceDeclaration）和指令语句（Instruction）。? 指令的设计则参考了Java虚拟机的指令格式，提供了虚拟机指令的所有功能，按功能可分为以下七类语句：· 装载和存储语句（Load_Store）· 运算语句（Arithmetic）

9、· 类型转换语句（Type_ Conversion）· 对象创建和操纵语句（Object_Create_Manipulation）· 操作数栈管理语句（Operand_Stack_Management）· 控制转移语句（Control_Transfer）· <"cblue" " title="方法调用">方法调用和返回语句（Method_Invoke_Return）。? 相应文法如下表：? 表2 方法及指令定义文法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?指令语句中方法调用和返回语句的文法如表3：? 表3 方法调用和返回语句文法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，方法调用分为以下四种类型：· 调用对象的示例方法，调度对象的（虚）类型：invokevirtual· 调用由接口实现的方法：invokeinterface· 调用需要特殊处理的实例方法，即实例初始化方法、private方法或超类方法：invokespecial· 调用命名的类中的类（static）方法：invokestatic3? J

13、ava字节码生成系统功能及结构? Java字节码生成系统的输入为Java字节码编程语言，输出为Java字节码文件。字节码生成系统的功能是读入Java字节码编程语言程序，通过BCEL（字节码工程库）生成字节码文件。? BCEL字节码工程库是一个工具包，用于对Java类文件的静态分析，动态创建或修改。开发人员能够使用BCEL 库在一个较高的抽象层次上实现所需的功能，而不用具体处理Java字节码文件的内部细节。BCEL完全用Java语言写成，并遵守LGPL条款。由于BCEL库是针对Java的class文件格式和虚拟机指令集所设计的，直接应用BCEL库进行Java字节码文件的生成比较困难，需要了解较多

14、的Java虚拟机方面的知识。本文提出的Java字节码编程语言的文法与BCEL库的字节码生成接口相对应，易于应用BCEL库进行编译，完成字节码生成。Java字节码编程语言成为一座连接Java源程序和字节码文件的桥梁，先将Java源程序编译为中间代码,再使用BCEL库将中间代码编译为Java字节码，生成class文件。? Java字节码生成系统可分为词法分析、语法分析和字节码生成三个阶段，其用例图如下：? 图1 Java字节码生成系统的用例图? 系统的数据流图可表示为：? Java字节码生成系统中，字节码编程语言与BCEL库中字节码生成接口具有对应关系，以方法调用为例，如下表：表4 java字节码

15、编程语言与BCEL库生成接口对应关系Java字节码编程语言方法调用文法BCEL库生成接口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库中类InstructionFactory的方法:?public InvokeInstruction createInvoke(String class_name, String name, Type ret_type,Type arg_types, short kind)/kind对应invokevirtual , invokeinterface? , invokespecial , invokestaticpublic static ReturnInstr

17、uction createReturn(Type type)/type类型对应关系: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字节码生成示例? 下面通过生成阶乘Java程序字节码的介绍，说明Java字节码生成系统功能。左边是求阶乘的Java源程序，右边是相应的字节码编程语言代码。? 阶乘Ja

18、va源程序 其中calculateFactorial方法的字节码编程语言代码? ? 表5 阶乘程序和相应字节码编程语言代码阶乘Java源程序?其中calculateFactorial方法的字节码编程语言代码?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;? 字节码编程语言代码编译为BCEL库调用，以阶乘为例，以阶乘为例，分别讨论：· 类和方法声明：? ? 表6 类和方法声明转换 字节码编程语言代码?BCEL库生成代码?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 );?· 方法调用：? 表7 方法调用转换 字节码编程语言代码?BCEL库生成代码?invokespecial (? "java.lang.IllegalArgumentException" ,"" ,void, "java.lang.String