KVM的常量池

2019-11-18 16:25:50

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供稿：網(wǎng)友

在class文件中，“常量池”是最復(fù)雜也最值得關(guān)注的內(nèi)容。

java是一種動(dòng)態(tài)連接的語言，常量池的作用非常重要，常量池中除了包含代碼中所定義的各種基本類型（如int、long等等）和對(duì)象型（如String及數(shù)組）的常量值還，還包含一些以文本形式出現(xiàn)的符號(hào)引用，比如：

類和接口的全限定名；

字段的名稱和描述符；

方法和名稱和描述符。

在C語言中，如果一個(gè)程序要調(diào)用其它庫中的函數(shù)，在連接時(shí)，該函數(shù)在庫中的位置（即相對(duì)于庫文件開頭的偏移量）會(huì)被寫在程序中，在運(yùn)行時(shí)，直接去這個(gè)地址調(diào)用函數(shù)；

而在Java語言中不是這樣，一切都是動(dòng)態(tài)的。編譯時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)對(duì)其它類方法的調(diào)用或者對(duì)其它類字段的引用的話，記錄進(jìn)class文件中的，只能是一個(gè)文本形式的符號(hào)引用，在連接過程中，虛擬機(jī)根據(jù)這個(gè)文本信息去查找對(duì)應(yīng)的方法或字段。

所以，與Java語言中的所謂“常量”不同，class文件中的“常量”內(nèi)容很非富，這些常量集中在class中的一個(gè)區(qū)域存放，一個(gè)緊接著一個(gè)，這里就稱為“常量池”。

常量池由多條“常量池項(xiàng)”組成，每一個(gè)常量池項(xiàng)又由兩部分組成，這里分別稱為“常量池項(xiàng)頭”和“常量池項(xiàng)體”。

常量池項(xiàng)頭表明常量池項(xiàng)的類型，常量池項(xiàng)共分為11種類型，分別為：

常量池項(xiàng)類型

值

說明

CONSTANT_Utf8

UTF-8編碼的Unicode字符串

CONSTANT_Integer

int型常量

CONSTANT_Float

Float型常量

CONSTANT_Long

Long型常量

CONSTANT_Double

double型常量

CONSTANT_Class

對(duì)一個(gè)class的符號(hào)引用

CONSTANT_String

String型常量

CONSTANT_Fieldref

對(duì)一個(gè)字段的符號(hào)引用

CONSTANT_Methodref

對(duì)一個(gè)類方法的符號(hào)引用

CONSTANT_InterfaceMedthodref

對(duì)一個(gè)接口方法的符號(hào)引用

CONSTANT_NameAndType

對(duì)名稱和類型的符號(hào)引用

常量池項(xiàng)體中存放的就是對(duì)應(yīng)的常量數(shù)據(jù)，比如各種數(shù)值型的常量或者字符串等等。

以下介紹kvm中的常量池是如何組織起來的。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

在KVM的頭文件kvm/vmcommon/h/pool.h中，有以下對(duì)常量池項(xiàng)類型的定義：

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#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

以及常量池項(xiàng)體結(jié)構(gòu)的定義：

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，常量池項(xiàng)有很多種類，每一個(gè)常量池項(xiàng)的大小都不同，而對(duì)于常量池的使用又是如此之多，最好能夠使用數(shù)組來索引，這樣可以提高效率，所以KVM里使用union來代表一個(gè)常池項(xiàng)，union的每一項(xiàng)是常量池項(xiàng)的一種可能的數(shù)據(jù)類型，這樣每一項(xiàng)都有了相同的大小，可以構(gòu)造數(shù)組。

顯然，這個(gè)數(shù)組就將是常量池的核心內(nèi)容，那么這個(gè)數(shù)組放在哪里呢？就在下面這個(gè)結(jié)構(gòu)中：

struct constantPoolStruct {
union constantPoolEntryStruct entries[1];
};

這就是常量池。這個(gè)常量池的設(shè)計(jì)很有意思：

1、這個(gè)結(jié)構(gòu)體中只有一個(gè)指針，指向一個(gè)常量池項(xiàng)體數(shù)組，數(shù)組中元素的個(gè)數(shù)是常量池項(xiàng)數(shù)+1，數(shù)組中的第一項(xiàng)（即序號(hào)為0的那一項(xiàng)）不是實(shí)際的常量池項(xiàng)體，而是存放了常量池項(xiàng)的數(shù)目，即表明了數(shù)組中接下來的元素?cái)?shù)。要取得數(shù)組的長(zhǎng)度信息，只有一個(gè)辦法，就是讀數(shù)組的第一個(gè)元素，為不造成空指針錯(cuò)誤，所以constantPoolStruct在定義的時(shí)候就要保證數(shù)組的第0個(gè)元素必須存在，所以上面的entries在定義時(shí)就被指定為長(zhǎng)度為1的數(shù)組。

單純從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)角度來看，我認(rèn)為constantPoolStruct的設(shè)計(jì)并不是很清晰，使用數(shù)組的第一個(gè)無素來表示數(shù)組的長(zhǎng)度多少一點(diǎn)顯得混亂，明明可以在constantPoolStruct的結(jié)構(gòu)里增加一個(gè)變量來表明數(shù)組長(zhǎng)度，這樣不是更清晰嗎？之所以這樣做，我想也是與class文件中常量池的設(shè)計(jì)慣例有關(guān)。在class文件中， constant_pool緊跟在constant_pool_count之后，而constant_pool_count = constant_pool中實(shí)際的項(xiàng)數(shù)+1，相當(dāng)于constant_pool_count也把自己當(dāng)成了常量池中的第一項(xiàng)。

由此可見，KVM的常量池設(shè)計(jì)與class文件如出一轍。

2、常量池項(xiàng)體以一個(gè)union來表示，而union不帶有自身類型的信息，如何知道一個(gè)常量池項(xiàng)的類型呢？

在一個(gè)class文件的常量池被載入后，生成了constantPoolStruct結(jié)構(gòu)體的實(shí)例，在其中constantPoolEntryStruct數(shù)組的最后一項(xiàng)之后，一定會(huì)跟隨一個(gè)字節(jié)數(shù)組，這個(gè)數(shù)組中的每一個(gè)字節(jié)就是一個(gè)“常量池項(xiàng)頭”，長(zhǎng)度與實(shí)際的常量池項(xiàng)數(shù)相同，即constant_pool_count-1，在這個(gè)字節(jié)中就指明了相應(yīng)常量池項(xiàng)的類型。

程序?qū)崿F(xiàn)：

構(gòu)造常量池的代碼段主要在kvm/vmcommon/src/loader.c的loadConstantPool()函數(shù)中，函數(shù)原形如下：

static POINTERLIST

loadConstantPool(FILEPOINTER_HANDLE ClassFileH, INSTANCE_CLASS CurrentClass)；

兩個(gè)參數(shù)分別為類文件的句柄以及當(dāng)前被載入類的指針。

這個(gè)函數(shù)的總體流程如下：

1- 循環(huán)讀取文件中常量池中所有項(xiàng)，把，把各項(xiàng)內(nèi)容存入臨時(shí)數(shù)組RowPool中；(L649~L740)

2- 計(jì)算常量池所占空間大小（以constantPoolEntryStruct枚舉體數(shù)計(jì)），并申請(qǐng)常量池空間；(L742~L757)

3- 循環(huán)讀取暫存在RowPool中的常量信息，為常量池賦值。

其中第2步值得一看，記算空間大小的那一行如下：

int tableSize = numberOfEntries + ((numberOfEntries + (4 - 1)) >> 2);

一個(gè)constantPoolEntryStruct枚舉體的大小為4，前面講過，在constantPoolEntryStruct數(shù)組的后要跟有一個(gè)字節(jié)數(shù)組來存放常量池項(xiàng)的類型信息，即每一個(gè)constantPoolEntryStruct要對(duì)應(yīng)1個(gè)字節(jié)的常量池項(xiàng)頭，所以當(dāng)以constantPoolEntryStruct枚舉體數(shù)為單位給常量池項(xiàng)頭數(shù)組申請(qǐng)空間時(shí)，需要向4字節(jié)對(duì)齊，每多1~4個(gè)常量池項(xiàng)頭，就要多申請(qǐng)一個(gè)constantPoolEntryStruct。這一句就是這個(gè)意思。

loadConstantPool函數(shù)執(zhí)行過程中，會(huì)把新生成的常量池指針賦給CurrentClass->constPool，這樣，這個(gè)類實(shí)例中就有完整的常量池了。

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（出處：http://m.survivalescaperooms.com）

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