実行時のメモリ構造 (1) Jasmin の基礎とフレーム内動作
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実行時のメモリ構造 (1)Jasmin の基礎とフレーム内動
作2002 年 5 月 19 日
海谷 治彦
5/20 改訂版
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JVM 内の基本構造 ( 大雑把 )
クラスローダークラスローダークラスローダークラスローダー
メソッドエリア
ヒープ
ヒープエリアヒープエリアヒープエリアJava スタック
クラスファイル
クラスファイル
クラスファイルの内容チェック クラスデータを保存
実行エンジン
各実行スレッドのローカルデータ ( 実行経過 ) を保存
インスタンスデータを保存
* 原著および教科書 p.15 をベースに書いた.リンク有教科書 p.15
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Java スタック内の構造
オペランドスタック
ローカル変数
フレーム
オペランドスタック
ローカル変数
フレーム
オペランドスタック
ローカル変数
フレームプログラ
ムカウンタ スタック増減
•「フレーム」という要素のスタック.•フレームは, 1 回のメソッド呼び出しに対応.•フレーム内の計算のためにも,スタック(オペランドスタック)が利用されている.•詳細は「実行時の構造」の回にて.
例えば教科書 p.20 の図
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本日のお題
• JVM のアセンブラ Jasmin の概要を学ぶ– 実行時の動作を追跡するのに必要な概念
• フレーム内の動作を学ぶ– 一メソッド呼び出し内での計算を理解.
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言語の高級・低級
• 一般にマシンが直接解釈できる言語を低級言語,人に読みやすい言語を高級言語と呼ぶ.
• Java 回りの場合,– Java– Jasmin や Oolong などのアセンブラ言語– Java バイトコードの順で低レベル化する.
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アセンブラ言語
• ほぼマシン語 ( ここではバイトコード )と一対一対応している多少人に読みやすい形式のプログラム記述形式.
• マシン語にある命令やアドレス,ラベル等を人の分かりやすいキーワードに置き換えているだけ.
• 本授業では, Jasmin というアセンブラ言語を使う.
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処理系と言語の関係• 言語 : プログラミング言語の種類のこと
– ソースコード : 主に高級言語で書いたプログラムのことを言う.
– アセンブラ : アセンブラ言語で書いたプログラム.
• 処理系 : 言語処理系のこと.– コンパイラ : ソースコードからマシン語へ
の変換プログラム.– アセンブラ : アセンブラからマシン語への
変換プログラム
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処理と言語の関係図テキストエディタ等でテキストを編集
Java 言語 (.java)Jasmin アセンブラ
javac コマンド
java コマンドで実行
java バイトコード (.class)
jasmin コマンド djava コマンド
この辺の話が中心とな
る
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djava コマンド• 逆アセンブルツール : すなわちマシン語
からアセンブラに変換するプログラム.• 実体は java で書かれたプログラム• 典型的な使い方
djava なんとか .classで標準出力に jasmin アセンブラを出力.
• 教科書 p.7 付近参照. ( ちょっと違う )• 実演 (Iadd.java)
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java と jasmin の関係• メソッド・属性ほぼ一対一対応してい
る.• jasmin では省略したデフォルト・コン
ストラクタの記述も出てくる. ( ここは対応してない. )
• jasmin でも型がある,すなわち,バイトコードレベルでの型がある. (p.65)
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最も簡単な jasmin の例
int add(int a, int b){ return a+b; }
.method add(II)I .limit stack 2 .limit locals 3 iload_1 iload_2 iadd ireturn.end method
djava
java ソース ( 一部 )jasmin ソース ( 一部 )
本日はフレーム内計算しかしないので,他の部分には言及しない
全体比較は, iadd/cmp.html を参照
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良く似た jasmin の例
int add2(int a, int b){ int c; c=a+b; return c; }
.method add2(II)I .limit stack 2 .limit locals 4 iload_1 iload_2 iadd istore_3 iload_3 ireturn.end method
djava
java ソース ( 一部 )
jasmin ソース ( 一部 )
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jasmin メソッドの基本構造( 例 )
• 青字部分は予約語• フレーム内のオペラ
ンドスタックの長さを指定.
• 同ローカル変数のサイズを指定.
• 残り 4 行が命令文
.method add(II)I .limit stack 2 .limit locals 3 iload_1 iload_2 iadd ireturn.end method
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jasmin メソッドの引数 ( 例 )
• (II)I は引数と返り値の型を規定.– II 整数が二つ– I 整数が 1 つ
.method add(II)I .limit stack 2 .limit locals 3 iload_1 iload_2 iadd ireturn.end method
int add(int a, int b){ return a+b; }
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jasmin の基本型 +α
ディスクリプタ J ava言語の型B byteC charD doubleF floatI intJ longS shortZ booleanV (void)
教科書 p.65 p.216 参照
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ローカル変数の対応• 3 つあるという意味.• 0 から順に番号付け
されている..method add(II)I .limit stack 2 .limit locals 3 iload_1 iload_2 iadd ireturn.end method
int add(int a, int b){ return a+b; }
インスタンスへのリファレンス
0 番1 番 2 番
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他の例のローカル変数の対応
int add2(int a, int b){ int c; c=a+b; return c; }
.method add2(II)I .limit stack 2 .limit locals 4 iload_1 iload_2 iadd istore_3 iload_3 ireturn.end method インスタンスへのリファレンス
0 番
1 番 2 番
3 番
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フレーム内計算の例 1/3
教科書 p.29 とほぼ同じ
.method add2(II)I .limit stack 2 .limit locals 4 iload_1 iload_2 iadd istore_3 iload_3 ireturn.end method
add2(600, 123) を呼ぶ場合.
600123
0123
ローカル変数 スタック
iload_1
600123
0123
ローカル変数 スタック
iload_2
600
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フレーム内計算の例 2/3
教科書 p.29 とほぼ同じ
.method add2(II)I .limit stack 2 .limit locals 4 iload_1 iload_2 iadd istore_3 iload_3 ireturn.end method
add2(600, 123) を呼ぶ場合.
600123
0123
ローカル変数 スタック
iadd
600123
0123
ローカル変数 スタック
istore_3
600123
723
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フレーム内計算の例 3/3
教科書 p.29 とほぼ同じ
.method add2(II)I .limit stack 2 .limit locals 4 iload_1 iload_2 iadd istore_3 iload_3 ireturn.end method
add2(600, 123) を呼ぶ場合
600123723
0123
ローカル変数 スタック
iload_3
600123723
0123
ローカル変数 スタック
ireturn
723
( フレーム自体が消滅,来週の話 )
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Java スタック内の構造
オペランドスタック
ローカル変数
フレーム
オペランドスタック
ローカル変数
フレーム
オペランドスタック
ローカル変数
フレームプログラ
ムカウンタ スタック増減
•「フレーム」という要素のスタック.•フレームは, 1 回のメソッド呼び出しに対応.•フレーム内の計算のためにも,スタック(オペランドスタック)が利用されている.•詳細は「実行時の構造」の回にて.
例えば教科書 p.20 の図
再掲載
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フレーム内計算のテキスト表現
.method add2(II)I .limit stack 2 .limit locals 4 iload_1 iload_2 iadd istore_3 iload_3 ireturn.end method
add2(600, 123) を呼ぶ場合local=[this, 600, 123, ] stack=[]iload_1local=[this, 600, 123, ] stack=[600]iload_2local=[this, 600, 123, ] stack=[600, 123]iaddlocal=[this, 600, 123, ] stack=[723]istore_3local=[this, 600, 123, 723] stack=[]iload_3local=[this, 600, 123, 723] stack=[723]ireturn
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stack 長は必要最低限である
.method add2(II)I .limit stack 2 .limit locals 4 iload_1 iload_2 iadd istore_3 iload_3 ireturn.end method
add2(600, 123) を呼ぶ場合local=[this, 600, 123, ] stack=[]iload_1local=[this, 600, 123, ] stack=[600]iload_2local=[this, 600, 123, ] stack=[600, 123]iaddlocal=[this, 600, 123, ] stack=[723]istore_3local=[this, 600, 123, 723] stack=[]iload_3local=[this, 600, 123, 723] stack=[723]ireturn
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if 文の展開例
int larger(int a, int b){ int c; if(a>b) c=a; else c=b; return c; }
.method larger(II)I .limit stack 2 .limit locals 4 iload_1 iload_2 if_icmple Label1 iload_1 istore_3 goto Label2Label1: iload_2 istore_3Label2: iload_3 ireturn.end method
フレーム内の計算過程は, ifelse/exe.html を参照.
① ②③
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ループの展開の例
int forLoop(int n){ int s=0;
for(int c=0; c<n; c++) s+=c;
return s; }
.method forLoop(I)I .limit stack 2 .limit locals 4 iconst_0 istore_2 iconst_0 istore_3 goto Label2
Label1: iload_2 iload_3 iadd istore_2 iinc 3 1Label2: iload_3 iload_1 if_icmplt Label1 iload_2 ireturn.end method
djava
①② ③
単に 0 から n-1 まで加算するルーチン
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ループの実行例
• 長いので web ページ参照– loop/exe.html
• 実は for も while もほとんど同じ形に展開される– loop/cmp.html