Java虛擬機應(yīng)用于數(shù)字電視機頂盒的研究與實現(xiàn)
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引 言
隨著有線廣播電視網(wǎng)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，利用有線電視網(wǎng)絡(luò)作為傳輸平臺的數(shù)字電視機頂盒除了能夠讓用戶在現(xiàn)有模擬電視機上觀看數(shù)字電視節(jié)目之外，廣播和交互式多媒體應(yīng)用功能的要求也應(yīng)運而生，互動電視成為數(shù)字電視發(fā)展的方向。眾多程序員熟悉的為網(wǎng)絡(luò)廣泛運用的Java語言能很好地滿足機頂盒一些服務(wù)應(yīng)用的要求，因此提出了包含Java虛擬機的數(shù)字電視機頂盒中間件的系統(tǒng)架構(gòu)，該虛擬機用來執(zhí)行Java應(yīng)用程序，并且中間件將應(yīng)用程序和底層操作系統(tǒng)、硬件細節(jié)隔離開，使上層的數(shù)字電視的服務(wù)應(yīng)用不必考慮過多的底層細節(jié)。本文主要介紹了J2ME中主要用于數(shù)字電視領(lǐng)域的CDC的移植，其中又著重介紹了本地方法(native method)的實現(xiàn)過程。
結(jié)構(gòu)及工作原理
Java虛擬機工作原理
Java虛擬機處于機器和編譯程序之間，在任何平臺上都提供給編譯程序一個共同的接口。Java源程序經(jīng)過編譯器編譯后變成字節(jié)碼，字節(jié)碼由虛擬機解釋執(zhí)行，虛擬機將每一條要執(zhí)行的字節(jié)碼送給解釋器，解釋器將其翻譯成特定機器上的機器碼，然后在特定的機器上運行。
Java虛擬機的主要任務(wù)是裝載class文件并且執(zhí)行其中的字節(jié)碼。Java虛擬機包含一個類裝載器，它可以從程序和API中裝載class文件。字節(jié)碼由執(zhí)行引擎來執(zhí)行，具體過程如圖1所示。
圖1 Java虛擬機的工作過程
Java虛擬機結(jié)構(gòu)
類裝載器的體系結(jié)構(gòu)是Java虛擬機在安全性和網(wǎng)絡(luò)移動性上發(fā)揮重要作用的一個方面，圖中所示的類裝載器可以包含多個類裝載器的子系統(tǒng)， Java應(yīng)用程序能夠在運行時決定需要安裝的類，并且將被不同的類裝載器裝載的類存放在不同的命名空間。
執(zhí)行引擎處于Java虛擬機的核心位置，它的行為由指令集所決定，其主要作用就是解釋字節(jié)碼(即運行經(jīng)過編譯后的Java程序的class文件) ，不同的執(zhí)行引擎實現(xiàn)可能非常不同。由軟件實現(xiàn)的虛擬機的執(zhí)行引擎分為一次性解釋字節(jié)碼、即時編譯器和自適應(yīng)優(yōu)化器，由硬件芯片構(gòu)成的虛擬機用本地方法執(zhí)行Java字節(jié)碼，它的執(zhí)行引擎是內(nèi)嵌在芯片里。
Java虛擬機相當于一個堆棧計算機，它在指令間傳送信息時不使用任何物理寄存器，而使用堆棧的幀來表示方法的狀態(tài)、字節(jié)碼的操作對象、方法的參數(shù)空間及局部變量的空間，它的“程序計數(shù)器”為一個偽寄存器，是當前所執(zhí)行指令的字節(jié)碼數(shù)組的一個指針。
Java實現(xiàn)方法
Java有兩種實現(xiàn)方法：Java方法和本地方法。Java方法是由Java 語言編寫，編譯成字節(jié)碼，存儲在class文件中。本地方法是由其他語言(比如C，C++，或者匯編語言)編寫的，編譯成和處理器相關(guān)的機器代碼，保存在動態(tài)連接庫中，格式是各個平臺專有的，它是聯(lián)系Java程序和底層主機操作系統(tǒng)的連接方法。Java方法與平臺無關(guān)，但是本地方法卻不是，運行中的Java程序調(diào)用本地方法時，虛擬機裝載包含這個本地方法的動態(tài)庫，并調(diào)用這個方法。通過本地方法， Java程序可以直接訪問底層操作系統(tǒng)的資源，使程序和特定的平臺相關(guān)，一個本地方法接口——Java本地接口(JNI)使得本地方法可以在特定的主機系統(tǒng)的任何一個Java平臺上運行。
J2ME中的CDC移植的解決方案
我們選用的要移植的Java虛擬機是Sun公司提供的J2ME對于數(shù)字電視領(lǐng)域CDC配置，該虛擬機是針對Linux的軟件實現(xiàn)(用C語言編寫的虛擬機，該虛擬機也稱為C Virtual Machine，簡稱CVM) 。Java虛擬機規(guī)范并沒有強求Java虛擬機必須支持任何特定的本地方法接口，但是Sun 公司提供了本地方法接口(Java Native Interface) ，是為移植所用。Java程序通過調(diào)用本地方法和主機交互。
Java虛擬機
圖2 Java虛擬機的位置
虛擬機處于嵌入式操作系統(tǒng)OS20 上，因此Sun公司提供的Java虛擬機中與底層操作系統(tǒng)相關(guān)的操作都應(yīng)該替換為OS20的內(nèi)核函數(shù)。因此將Sun公司提供的CDC移植到OS20需要完成一些工作，比如： C語言中關(guān)于基本數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)位的修改，關(guān)于線程的創(chuàng)建機制(OS20為任務(wù)) ，關(guān)于線程之間的同步、互斥，關(guān)于動態(tài)連接的實現(xiàn)，關(guān)于本地方法的實現(xiàn)等，本節(jié)主要介紹關(guān)于本地方法的實現(xiàn)過程。
本地方法
解釋器處理字節(jié)碼時，與給定字節(jié)碼有關(guān)的動作的語義、執(zhí)行字節(jié)碼的相關(guān)動作大多是從堆棧中獲得其操作數(shù)，并將其結(jié)果送回堆棧中。典型的情況下字節(jié)碼是帶有參數(shù)的，這些參數(shù)在字節(jié)碼流中緊跟在字節(jié)碼自身之后。
在虛擬機解釋字節(jié)碼過程中，執(zhí)行引擎會不時遇到請求本地方法調(diào)用的指令，虛擬機負責試著發(fā)起這個本地方法的調(diào)用。本地方法是Java虛擬機指令集的一種可編程擴展，運行這個本地方法就是Java虛擬機對這條指令的執(zhí)行。
本地方法函數(shù)調(diào)用
為了增加虛擬機的性能，加快其速度，解釋器在處理一些字節(jié)碼時調(diào)用的本地方法函數(shù)用匯編實現(xiàn)了將Java棧轉(zhuǎn)換為C棧，然后在C堆棧上實現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用。Linux下是用獨立的匯編語言程序invokeNative_i386。 S實現(xiàn)函數(shù)CVMjniInvokeNative () ，我們采用在C里面嵌入?yún)R編的形式來實現(xiàn)該函數(shù)。
該函數(shù)的形參有7個，完成的主要功能是將由實參傳遞來的部分數(shù)據(jù)通過直接或者運算后得到本地方法的參數(shù)，然后壓入本地棧，通過匯編來實現(xiàn)本地的C函數(shù)調(diào)用。實參傳遞過來的7個數(shù)據(jù)包含JN I環(huán)境指針(env) 、本地方法的函數(shù)指針(native code) 、Java棧指針(args) 、本地方法的描述符(terse sig) ， Java棧的參數(shù)總數(shù)(args size)表示靜態(tài)或非靜態(tài)方法的類對象標志(class object)及用于存儲返回值的一個指針變量(return value) ，其中env要作為第一個本地方法的參數(shù)傳遞，并且native code也要傳遞到本地方法來實現(xiàn)本地方法的正確調(diào)用。
J2ME中的CDC移植
由于Linux有多個通用寄存器，在實現(xiàn)該函數(shù)的代碼中充分運用了如esp、ebp、esi等寄存器，但是OS20提供的可操作的寄存器只有3個通用寄存器Areg、Breg、Creg和1個工作指針寄存器Wptr (相當于堆棧指針) ，在實現(xiàn)過程中，我們用在C函數(shù)中設(shè)立局部變量來代替Linux的通用寄存器，通過手動調(diào)整工作棧指針來實現(xiàn)本地方法的調(diào)用，具體實現(xiàn)過程如圖3所示。
圖3 Java棧到本地棧的轉(zhuǎn)換
當進入?yún)R編函數(shù)時，工作區(qū)指針為Wptr，實參、狀態(tài)寄存器和指令指針寄存器的值全部自動入棧，然后是我們定義的代替Linux寄存器的局部變量自動入棧，此時的Wptr自動移到Wptr′，利用OS20的匯編指令，手動將實參傳遞過來的參數(shù)通過計算得到本地方法參數(shù)的個數(shù)，然后將本地方法所需的參數(shù)依次壓棧，最后再手動調(diào)節(jié)工作區(qū)指針實現(xiàn)本地方法的成功調(diào)用。這里我們先將本地方法函數(shù)指針和1個標志位flag(0x10101010)入棧，原因有兩個：
①當隨后我們手動調(diào)節(jié)工作指針Wptr′到Wptr"時，工作棧已由先前的嵌套匯編的函數(shù)進入到了要調(diào)用的本地方法的C函數(shù)，因此先前的函數(shù)的局部變量在此時無效，也就是說此時如果用以前實參傳遞過來的本地函數(shù)指針調(diào)用本地的函數(shù)肯定不會成功，因此要把這個函數(shù)指針先手動保存起來。
②flag的設(shè)置的原因是：本地方法的參數(shù)的個數(shù)不是固定的，而OS20 所提供的用匯編調(diào)用函數(shù)在回到函數(shù)入口點時只彈出Wptr"指向的4 個單元的內(nèi)容，因此多余的參數(shù)出棧操作也必須通過調(diào)節(jié)Wptr手動完成，通過向下移動Wptr查找flag標志，再調(diào)節(jié)Wp tr到Wtpr+2即可正確地回到匯編函數(shù)。當本地方法的參數(shù)完全手動入棧后就可以手動調(diào)節(jié)工作區(qū)指針Wptr而進入到調(diào)用的本地函數(shù)，函數(shù)返回后的第一件事是保存在寄存器中的函數(shù)的返回值到return value，恢復(fù)工作區(qū)指針Wptr，并將本地方法的返回值類型作為嵌入?yún)R編的函數(shù)的返回值，此時就完成了由Java棧到C棧的轉(zhuǎn)換，并成功調(diào)用本地方法。
結(jié) 論
通過對Sun公司下載的CDC代碼的修改與編寫，對CDC中的加載的類做了一些裁減，并且將線程化的解釋器改為一次性解釋字節(jié)碼的單線程解釋器簡化程序，成功地生成了在機頂盒上可以運行簡單的Java程序的虛擬機。
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