windows系统使用c++实现一个小型jvm(三)------------jvm的启动细节1

本文主要是介绍windows系统使用c++实现一个小型jvm(三)------------jvm的启动细节1，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

今天上午，主要将昨天下午运行机制中，jvm的launch方法的内容详细讲述一下。在vm的launch中，有如下方法块：

....
HANDLE cur_handle = (HANDLE)(_beginthreadex(NULL, 0, scapegoat, &p, 0, NULL));this->tid = GetThreadId(cur_handle);		// save to the vm_thread.if (!inited) {		// if this is the main thread which create the first init --> thread[0], then wait.//todo: 阻塞执行 tid线程，tid执行完后才往后执行WaitForSingleObject(cur_handle,INFINITE);
....

其中第一行代码开辟的这个线程，便是java中的mian线程，也就是java中的主线程。它接收命令的参数去执行任务。其中,scapegoat方法的代码如下：

//线程的任务
unsigned scapegoat (void *pp) {temp *real = (temp *)pp;
//	if (real->cur_thread_obj != nullptr) {		// so the ThreadTable::get_thread_obj may be nullptr.		// I add all thread into Table due to gc should stop all threads.ThreadTable::add_a_thread(GetCurrentThreadId(), real->cur_thread_obj, real->thread);		// the cur_thread_obj is from `java/lang/Thread.start0()`.
//	}if (real->should_be_stop_first) {		// if this thread is a child thread created by `start0`: should stop it first because of gc's race.// it will be hung up at the `global pthread_cond`. and will be wake up by `signal_all_thread()`.wait_cur_thread_and_set_bit(&real->the_first_wait_executed, real->thread);}real->thread->start(*real->arg);return 0;
};

通过代码不难察觉，它首先将当前的线程加入了jvm的线程表中，进行管理(注意，此时jvm线程表中，实际上管理的线程有两个了，一个是init_thread，它是本地线程的抽象，另一个就是 mian线程，也就是当前加入的这个线程)。接着，当前线程(mian线程) 将会调用 start()方法，将命令行的参数一并传递。 start的源码如下：

void vm_thread::start(list<Oop *> & arg)
{if (automan_jvm::inited() == false) {assert(method == nullptr);			// if this is the init thread, method will be nullptr. this thread will get `main()` automatically.assert(arg.size() == 0);automan_jvm::inited() = true;			// important!//todo: 这里是执行 main 方法  ，重要vm_thread::init_and_do_main();		// init global variables and execute `main()` function.} else {// [x] if this is not the thread[0], detach itself is okay because no one will pthread_join it.//todo: 这里分离子线程
//        CloseHandle(tid);
//        pthread_detach(pthread_self());assert(this->vm_stack.size() == 0);	// checkassert(arg.size() == 1);				// run() only has one argument `this`.this->vm_stack.push_back(StackFrame(method, nullptr, nullptr, arg, this));this->execute();automan_jvm::num_lock().lock();{automan_jvm::thread_num() --;assert(automan_jvm::thread_num() >= 0);}automan_jvm::num_lock().unlock();}WaitForSingleObject(_all_thread_wait_mutex,INFINITE);this->state = Death;ReleaseMutex(_all_thread_wait_mutex);
}

它会根据jvm是否初始化而判定当前线程的start是去引导和启动main方法，还是一般的线程。注意我们在学习java的时候，实例化线程我们需要重写run(){}方法，这个run方法里面写的实际上是线程的任务，而线程的启动，是由一个start0本地方法，即jvm调用的。调用之后，会来到这里这个代码块。它将走else下面这个代码逻辑，里面实际上就是执行了run方法。 run方法执行完后，会将当前的线程状态改为 death. 之后这个线程便会在特定的时期被gc给回收掉。

扯远了，我们还是看看main线程的操作吧。它将会调用 vm_thread::init_and_do_main()方法。这个方法就比较长，我将分块展示。

1.初始化Class,用于类的映射

java_lang_class::init();		// must init !!!auto class_klass = BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"java/lang/Class");java_lang_class::fixup_mirrors();	// only [basic types] + java.lang.Class + java.lang.Object

首先，调用java_lang_class::init()方法，它的作用是将使用标识符与 (核心)类进行隐射，代码如下：

void java_lang_class::init() {		// must execute this method before jvm!!!auto & delay_mirrors = get_single_delay_mirrors();// basic types.delay_mirrors.push(L"I");delay_mirrors.push(L"Z");delay_mirrors.push(L"B");delay_mirrors.push(L"C");delay_mirrors.push(L"S");delay_mirrors.push(L"F");delay_mirrors.push(L"J");delay_mirrors.push(L"D");delay_mirrors.push(L"V");	// void...delay_mirrors.push(L"[I");delay_mirrors.push(L"[Z");delay_mirrors.push(L"[B");delay_mirrors.push(L"[C");delay_mirrors.push(L"[S");delay_mirrors.push(L"[F");delay_mirrors.push(L"[J");delay_mirrors.push(L"[D");// set statestate() = Inited;
}

然后，使用BootstrapClassLoader去加载 Class类，注意注意，我们看下BoostrapClassLoader的源码：

class BootStrapClassLoader : public ClassLoader {
private:JarLister jl;
private:BootStrapClassLoader() {}BootStrapClassLoader(const BootStrapClassLoader &);BootStrapClassLoader& operator= (const BootStrapClassLoader &);~BootStrapClassLoader() {}
public:static BootStrapClassLoader & get_bootstrap() {static BootStrapClassLoader bootstrap;return bootstrap;}	// singletonKlass *loadClass(const wstring & classname, ByteStream * = nullptr, MirrorOop * = nullptr,bool = false, InstanceKlass * = nullptr, ObjArrayOop * = nullptr) override;void print() override;void cleanup() override;
};

从接口中，我们能够判断两条消息：

1.get_bootstrap调用会得到一个单例对象；

2. BootstrapClassLoader有一个成员变量JarLister，首次调用时，会触发它的构造方法，我们去看看它的构造方法：

2.初始化BootstrapClassloader以及加载Class:

//todo: 修改 rjd 为windows 的路径
JarLister::JarLister() : rjd(L"")
{pwd = utf8_to_wstring(getProgramDir());rjd = RtJarDirectory(pwd);wstring rtjar_folder;
#if (defined (__APPLE__))rtjar_folder = utf8_to_wstring(pt.get<std::string>("path.mac"));
#elif (defined (__linux__))rtjar_folder = utf8_to_wstring(pt.get<std::string>("path.linux"));
#else//todo: 这里配置 windows的 rt路径rtjar_folder = utf8_to_wstring("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_161\\jre\\lib\\");
#endifrtjar_pos =L"\""+ rtjar_folder + L"rt.jar"+L"\"";// copy lib/currency.data to ./lib/currency.data ......wstringstream ss;int status = system(wstring_to_utf8(ss.str()).c_str());if (status == -1) {  	// http://blog.csdn.net/cheyo/article/details/6595955 [shell 命令是否执行成功的判定]std::cerr << "system error!" << endl;}bool success = this->getjarlist(rtjar_pos);if (!success)	exit(-1);ifstream f(wstring_to_utf8(this->rtlist), std::ios_base::in);std::string s;while(!f.eof()) {f >> s;		// 这里有一个细节。因为最后一行仅仅有个回车，所以会读入空，也就是 s 还是原来的 s，即最后一个名字被读入了两遍。使用其他的方法对效率不好，因此在 add_file 中解决了。如果检测到有，忽略。if (!Filter::filt(utf8_to_wstring(s))) {this->rjd.add_file(StringSplitter(utf8_to_wstring(s)));}}
}

通过代码可以分析，它做了这样的事情：

1. 或许到当前环境的 rt.jar,这个文件时jvm的核心jar包，我配置的是我本机环境的rt.jar,它的版本号是： jdk_1.8_161。同时，因为原来这里使用了配置的方式，但是需要以来boost，我就给替换了，直接手写死的。

2.调用 getjartlist方法，该方法马上详述。

3.调用rjd的add_file方法。也将会详述。

下面是getjarlist方法：

/*===---------------- JarLister --------------------*/
bool JarLister::getjarlist(const wstring & rtjar_pos) const
{wstringstream cmd;cmd << L"jar tf " << rtjar_pos << L" > " << this->rtlist;int status =  system(wstring_to_utf8(cmd.str()).c_str());if (status == -1) {exit(-1);}// TODO: judge whether mkdir is exist?if (0==access(wstring_to_utf8(uncompressed_dir).c_str(),F_OK)) {	// 如果存在return true;}cmd.str(L"");cmd << L"mkdir " << uncompressed_dir;status = system(wstring_to_utf8(cmd.str()).c_str());if (status == -1) {exit(-1);}cmd.str(L"");std::wcout << "unzipping rt.jar from: [" << rtjar_pos << "] ... please wait.\n";cmd << L"unzip " << rtjar_pos << L" -d " << uncompressed_dir ;status = system(wstring_to_utf8(cmd.str()).c_str());if (status == -1) {  	// http://blog.csdn.net/cheyo/article/details/6595955 [shell 命令是否执行成功的判定]std::cerr << "system error!" << endl;exit(-1);} else {if (status) {if (0 ==status) {std::wcout << "unzipping succeed.\n";return true;}else {std::cerr << "Your rt.jar file is not right!" << endl;}} else {std::cerr << "other fault reasons!" << endl;}}return false;
}

它做了这样的事情：

1.通过jar tf 将rt.jar保存的所有类保存至某一特定文件中；

2.将rt.jar解压至某一个特定文件夹中；（注意，这个文件夹将会作为是否解压的标准，在同一进程中，最多只可能被加压一次。我当前版本加压出来有 2999个类，如果解压信息输出到控制台的话，还是要费点时间。但是我想在发行版中，一个环境下的jvm，应该只被解压一次）。

接着是rtjarDirectory的addfile()方法：

void RtJarDirectory::add_file(StringSplitter && ss)
{if (ss.counter() == 0) {		// 仅仅在第一次的时候做检查，看文件到底存不存在if (this->find_file(std::move(ss)) == true) return;else ss.counter() = 0;}const wstring& target = ss.result()[ss.counter()];if (ss.counter() == ss.result().size() - 1) {	// next will be the target, add.subdir->insert(make_shared<RtJarDirectory>(target));} else {	// dir.auto next_dir = findFolderInThis(target);ss.counter() += 1;if (next_dir != nullptr) {(*next_dir).add_file(std::move(ss));	// delegate to the next level dir.} else {	// no next_dir, we should create.// this level's `subdir` can't be nullptr :)subdir->insert(make_shared<RtJarDirectory>(target));next_dir = findFolderInThis(target);assert(next_dir != nullptr);(*next_dir).add_file(std::move(ss));}}
}

它会将保存的所有的类，通过根据全限定名称(包名+类名)的形式，进行分割，最终将类名(去除了包名)的名称保存进一个智能指针。这个结构颇为复杂，我没太看懂，它的定义是这样的：

 shared_ptr<set<shared_ptr<RtJarDirectory>,shared_RtJarDirectory_compare>> subdir; //sub directory

我暂且先理解为它保存了所有的类名称在内存中吧，注意到我获取的类的条目有一万多：

BootstrapClassLoader初始化完成后，就该去loadClass了，以加载Class为例：

// add lock simplyLockGuard lg(system_classmap_lock);assert(jl.find_file(L"java/lang/Object.class")==1);wstring target = classname + L".class";if (jl.find_file(target)) {if (system_classmap.find(target) != system_classmap.end()) {	// has been loadedreturn system_classmap[target];} else {	// load// parse a ClassFile (load)ifstream f(wstring_to_utf8(jl.get_sun_dir() + L"/" + target).c_str(), std::ios::binary);if(!f.is_open()) {std::wcerr << "wrong! --- at BootStrapClassLoader::loadClass" << std::endl;exit(-1);}
#ifdef DEBUGsync_wcout{} << "===----------------- begin parsing (" << target << ") 's ClassFile in BootstrapClassLoader..." << std::endl;
#endifClassFile *cf = new ClassFile;ClassFile_Pool::put(cf);f >> *cf;
#ifdef DEBUGsync_wcout{} << "===----------------- parsing (" << target << ") 's ClassFile end." << std::endl;
#endif// convert to a MetaClass (link)InstanceKlass *newklass = new InstanceKlass(cf, nullptr);system_classmap.insert(make_pair(target, newklass));
#ifdef KLASS_DEBUGBootStrapClassLoader::get_bootstrap().print();MyClassLoader::get_loader().print();
#endifreturn newklass;}//todo:equals to starts with}
.........

上面为loadClass代码片段，可以看到第二行，它首先判断了java.lang.Object.class，通过前面的那个智能指针，显然Object是在里面的。（但是，此时Object并未加载。）这也印证了我前天文章中所说的，Object的唯一性是必须要首先保证的。同时，加载成功时，会首先实例一个ClassFile放入类池，这个类对象保存的是字节码二进制流！！！接着，实例化一个实例类对象，将该类对象保存进入 system_classmap。

3.设置Object,以及基本类型的单例映像：

该步骤是通过 Class完成的。

java_lang_class::fixup_mirrors();	// only [basic types] + java.lang.Class + java.lang.Object

该方法将 8个基本类型，和void 以Mirror实例的形式放入了一个缓存。

......
switch (name[0]) {case L'I':case L'Z':case L'B':case L'C':case L'S':case L'F':case L'J':case L'D':case L'V':{	// include `void`.// insert into.MirrorOop *basic_type_mirror = ((MirrorKlass *)klass)->new_mirror(nullptr, nullptr);basic_type_mirror->set_extra(name);			// set the name `I`, `J` if it's a primitve type.get_single_basic_type_mirrors().insert(make_pair(name, basic_type_mirror));break;}default:{assert(false);}}
......

4.加载String及Thread:

 // load String.classauto string_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"java/lang/String"));// 1. create a [half-completed] Thread obj, using the ThreadGroup obj.(for currentThread(), this must be create first!!)auto thread_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"java/lang/Thread"));
InstanceOop *init_thread = thread_klass->new_instance();BytecodeEngine::initial_client(thread_klass, *this);		// first <clinit>!// inject!!//todo: 注意这里的 threadid 的来源，可能要修改init_thread->set_field_value(THREAD L":eetop:J", new LongOop((uint64_t)GetCurrentThreadId()));//todo: 这里的线程优先级还没有绑定到 thread句柄上， 通过 setThreadPriorityinit_thread->set_field_value(THREAD L":priority:I", new IntOop(5));//todo: 这里通过 openthread 根据当前线程的id 获取到线程句柄  注意，当前线程的句柄不能关闭ThreadTable::add_a_thread(GetCurrentThreadId(), init_thread, this);

加载完Thread之后，会生成一个Thread的实例对象。之后会进行类的初始化，注意这是jvm中第一次类的初始化，它会一直向上初始化直到Object。

设置相关属性后，放入jvm的线程表中。注意了，此时有在线程表中，就有了两个个线程了。但是注意这个线程跟第二个线程的id号是一致的，同时，它并不是真正意义上的线程，只是一个抽象。在线程表的插入中有如下代码：

 if (get_thread_table().insert(make_pair(tid, make_tuple(get_thread_table().size(), _thread, t))).second == false) {	// 如果原先已经插入了的话，那么就复用原先的 thread_no.number = std::get<0>(get_thread_table()[tid]);}

也就是说，the_whole_world的线程表中的线程数仍然是两个。

5.加载并实例化ThreadGroup:

 // 2. create a [System] ThreadGroup obj.auto threadgroup_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"java/lang/ThreadGroup"));InstanceOop *init_threadgroup = threadgroup_klass->new_instance();BytecodeEngine::initial_client(threadgroup_klass, *this);		// first <clinit>!{std::list<Oop *> list;list.push_back(init_threadgroup);	// $0 = this// execute method: java/lang/ThreadGroup.<init>:()V --> private Method!!Method *target_method = threadgroup_klass->get_this_class_method(L"<init>:()V");assert(target_method != nullptr);this->add_frame_and_execute(target_method, list);}
// 3. INCOMPLETELY create a [Main] ThreadGroup obj.InstanceOop *main_threadgroup = threadgroup_klass->new_instance();{init_thread->set_field_value(THREAD L":group:Ljava/lang/ThreadGroup;", main_threadgroup);}assert(this->vm_stack.size() == 0);BytecodeEngine::initial_client(((InstanceKlass *)class_klass), *this);((InstanceKlass *)class_klass)->set_static_field_value(L"useCaches:Z", new IntOop(false));

注意，这里除了类初始化之外，还初始化了一个 ThreadGroup对象。实例化的threadGroup为主线程组。

6.加载并初始化System：

// 3. load System classauto system_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"java/lang/System"));system_klass->set_state(Klass::KlassState::Initializing);
//		BytecodeEngine::initial_clinit(system_klass, *this);auto InputStream_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"java/io/InputStream"));BytecodeEngine::initial_client(InputStream_klass, *this);auto PrintStream_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"java/io/PrintStream"));BytecodeEngine::initial_client(PrintStream_klass, *this);auto SecurityManager_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"java/lang/SecurityManager"));BytecodeEngine::initial_client(SecurityManager_klass, *this);

System用于设置相关的属性，并且完成当前程序的标准输入流，输出流，错误流的绑定。 windows上，每个程序的标准输入输出和错误流就是控制台。

7.加载并实例化Perf 和 LauncherHelper:

  auto Perf_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"sun/misc/Perf"));Perf_klass->set_state(Klass::KlassState::Initializing);				// ban Perf.auto PerfCounter_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"sun/misc/PerfCounter"));PerfCounter_klass->set_state(Klass::KlassState::Initializing);		// ban PerfCounter.auto launcher_helper_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"sun/launcher/LauncherHelper"));BytecodeEngine::initial_client(launcher_helper_klass, *this);Method *load_main_method = launcher_helper_klass->get_this_class_method(L"checkAndLoadMain:(ZILjava/lang/String;)Ljava/lang/Class;");

Perf作用暂时不清楚，LauncherHelper会用于引导 Launcher然后使用 AppClassLoader去加载用户类。

8.加载动态调用的类：

 // load some useful klass...{auto methodtype_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"java/lang/invoke/MethodType"));BytecodeEngine::initial_client(methodtype_klass, *this);auto methodhandle_klass = ((InstanceKlass *)BootStrapClassLoader::get_bootstrap().loadClass(L"java/lang/invoke/MethodHandle"));BytecodeEngine::initial_client(methodhandle_klass, *this);}