Java虛擬機用于數(shù)字電視機頂盒研究與實現(xiàn)

    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。

    類裝載器的體系結(jié)構(gòu)是Java虛擬機在安全性和網(wǎng)絡移動性上發(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。

    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，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，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CVirtualMachine，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(JavaNativeInterface)，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2Java虛擬機的位置

    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JNI環(huán)境指針(env)、本地方法的函數(shù)指針(nativecode)、Java棧指針(args)、本地方法的描述符(tersesig)，Java棧的參數(shù)總數(shù)(argssize)表示靜態(tài)或非靜態(tài)方法的類對象標志(classobject)及用于存儲返回值的一個指針變量(returnvalue)，其中env要作為第一個本地方法的參數(shù)傳遞，并且nativecode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。

    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：

圖3Java棧到本地棧的轉(zhuǎn)換