專利名稱：應用于Java操作系統(tǒng)中虛擬機的編譯體系實現(xiàn)方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及Java虛擬機設計領域、編譯器設計領域，以及嵌入式設備平臺對Java支持的解決方法。
背景技術(shù)：
目前，實現(xiàn)Java平臺主要有三種方式Java虛擬機以虛擬機運行在現(xiàn)有操作系統(tǒng)之上，實現(xiàn)Java程序的運行。這種方式由于其簡易、低代價等特點，是現(xiàn)在最常用的一種。
Java操作系統(tǒng)這種方式又分為兩種1.將Java虛擬機整合進現(xiàn)有的操作系統(tǒng)；2開發(fā)一種全新的獨立的基于Java的操作系統(tǒng)。這種方式省去了虛擬機到操作系統(tǒng)那一層的通訊和調(diào)度，因而較之虛擬機的方式有效率的提高。但要開發(fā)一個全新的操作系統(tǒng)并提供相關(guān)的支持(包括驅(qū)動程序支持和應用軟件支持)代價也是非常大的。
Java芯片這種方式將操作系統(tǒng)這一軟件的架構(gòu)整合進了芯片之中，或者打造一個全新的Java專用芯片。由于采用硬件的方式來解決軟件的問題，這種方式的性能比較前兩種都有更大的提升，但缺點也是顯而易見的喪失了Java的跨平臺特性。
可以看出，第一種平臺與第二種平臺都要依賴于Java虛擬機的支持。而Java虛擬機的核心——執(zhí)行引擎其實質(zhì)上就是編譯機制。
傳統(tǒng)的Java虛擬機中執(zhí)行引擎大都采用解釋、即時編譯、自適應優(yōu)化等執(zhí)行策略。其編譯體系采用了普通的一級編譯/解釋，而由執(zhí)行引擎來控制具體執(zhí)行方式，不能充分發(fā)揮編譯體系的作用，并且即時編譯技術(shù)雖然使得java程序速度大為提高，但該技術(shù)仍是一種解釋過程，所以仍慢于編譯型程序的速度。

發(fā)明內(nèi)容
為了獲得更好的代碼編譯性能、代碼執(zhí)行性能，為了提高Java虛擬機的執(zhí)行效率，為了提供一個更優(yōu)異的嵌入式Java支持平臺，本發(fā)明的目的在于提供一種應用于Java操作系統(tǒng)中虛擬機的編譯體系實現(xiàn)方法本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是1、一種應用于Java操作系統(tǒng)中虛擬機的編譯體系實現(xiàn)方法，其特征在于1)四層體系結(jié)構(gòu)與功能
虛處理層C1對外處理編譯解釋任務，對內(nèi)負責代碼預處理；基準編譯層C2對程序首次編譯，作簡單的優(yōu)化，以滿足程序快速執(zhí)行的需要；優(yōu)化編譯層C3生成高度優(yōu)化和快速執(zhí)行的中間代碼，又針對性的選擇編譯，是程序達到本地最優(yōu)；匯編層匯編器將中間代碼匯編成本地平臺的目標代碼；層與層之間并不是普通的層層向上負責，而是一個縱橫的關(guān)系，四層體系結(jié)構(gòu)既保證了對現(xiàn)存java程序的兼容性虛處理層、基準編譯層、優(yōu)化編譯層保證了現(xiàn)有java程序的運行環(huán)境；又滿足了程序快速執(zhí)行和針對性優(yōu)化的目的匯編層對中間代碼進行編譯匯編，最終生成本地二進制目標代碼；2)編譯優(yōu)化過程①當程序首次編譯時，實現(xiàn)步驟首次編譯指程序源碼第一次編譯為本地目標代碼的過程；I.程序進入虛處理層C1進行預處理，虛處理層C1為程序中的每一個要被編譯的方法、函數(shù)、變量生成基本信息，寫入信息表，確保執(zhí)行方法提前編譯，從而減少編譯時間的損耗；II.調(diào)用基準編譯層C2，利用信息表中的已經(jīng)生成的程序基本信息，對程序作快速處理，作機器無關(guān)優(yōu)化，為程序分配寄存器，從而實現(xiàn)快速編譯產(chǎn)生程序的中間代碼，最后將優(yōu)化信息和中間代碼寫入信息表；III.信息表中的中間代碼輸出到匯編層匯編器，將中間代碼匯編成目標代碼；②當程序二次編譯時，實現(xiàn)步驟二次編譯指當程序在目標平臺運行時，操作系統(tǒng)動態(tài)跟蹤程序執(zhí)行情況進行統(tǒng)計，根據(jù)優(yōu)化機制，適時調(diào)用編譯器，作再一次的編譯過程；I.操作系統(tǒng)將運行程序的信息提交到虛處理層C1，虛處理層C1將原來編譯器其為程序生成的信息表讀入到內(nèi)存；II.調(diào)用優(yōu)化編譯層C3，優(yōu)化編譯層C3讀取信息表，提取原來的基本信息、優(yōu)化信息以及中間代碼，利用操作系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)采取機器相關(guān)優(yōu)化，重新生成程序的中間代碼，最后將優(yōu)化信息和中間代碼寫入信息表；III.信息表中的中間代碼輸出到匯編層匯編器，將中間代碼匯編成目標代碼；在未來的程序執(zhí)行中，編譯器會時常被調(diào)用，重復二次編譯的過程，對運行程序作多次有針對性的優(yōu)化，以達到運行程序的最優(yōu)。
本發(fā)明具有的有益效果是首先，多層編譯體系設計，充分體現(xiàn)了模塊化、安全性、可移植性方面的獨特優(yōu)勢，具有很高的運行安全性以及開發(fā)過程中的高可重用性，大大降低了多平臺開發(fā)成本；其次，多層體系帶來了多種編譯策略的選擇，既考慮了執(zhí)行引擎本身執(zhí)行的效率，又提高了目標代碼執(zhí)行的速度，在整體上提高了Java操作系統(tǒng)的運行速度，特別是在嵌入式平臺這類本身硬件運行速度不是很快的情況下，更具有明顯的效果；再次，本編譯體系采用混合語言來實現(xiàn)，前三層的Java和最后匯編層的匯編語言。這種方式突出了Java語言在模塊化、安全性、靈活性方面的優(yōu)勢，同時也利用了匯編語言的強大功能，能在更大程度上優(yōu)化目標代碼，同時也十分有利于平臺移植，方便不同的商業(yè)應用。最后本發(fā)明引入?yún)R編器做底層的編譯器，把編譯的工作提到在本地機安裝時來進行，避開了執(zhí)行時的時間代價，避免了在程序運行時解釋字節(jié)碼的消耗，從而保證了程序的時刻高效，動態(tài)優(yōu)化。


附圖是本發(fā)明的流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明按照上述四層體系來布局，將每一層作為一個功能模塊來實施。下面將就本體系作詳細介紹。
1)四層體系結(jié)構(gòu)與功能①虛處理層C1對外處理編譯解釋任務，對內(nèi)負責代碼預處理。為程序每一個要被編譯的方法生成一個信息表，信息表用于保存程序的基本信息、優(yōu)化信息，中間代碼。它確保每一個方法在執(zhí)行之前都已進行編譯，而避免那些從沒有被調(diào)用過的方法被重復編譯，從而減少編譯時間的損耗。另外，在二次編譯時虛處理層C1也負責讀入程序原信息表，調(diào)用優(yōu)化編譯層C3作進一步的優(yōu)化。因此，虛處理層C1并不進行實際的編譯工作，既不是一個獨立的編譯器。它主要完成一些預處理工作，再判斷選擇底層的其他編譯器來完成具體的編譯過程。
②基準編譯層C2是這個編譯器體系的基礎，負責將Java字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成中間代碼并根據(jù)需要調(diào)用匯編層匯編器生成本地執(zhí)行代碼，它的目標是進行快速編譯，做機器無關(guān)優(yōu)化，最終產(chǎn)生合理的快速目標指令代碼。
③優(yōu)化編譯層C3生成高度優(yōu)化和快速執(zhí)行的目標指令代碼，優(yōu)化編譯層C3是一個優(yōu)化編譯器，主要進行與機器相關(guān)的代碼優(yōu)化，它以生成高度優(yōu)化和快速執(zhí)行的目標指令代碼、而不是編譯器執(zhí)行速度，作為自身的目標。
④匯編層匯編器將中間代碼匯編成目標平臺本地代碼，匯編層匯編器在系統(tǒng)中自成一個獨立的部分，它將中間代碼匯編成目標平臺本地代碼。它由基準編譯層C2或者優(yōu)化編譯層C3來調(diào)用執(zhí)行任務。
層與層之間并不是普通的層層向上負責，而是一個縱橫的關(guān)系，四層體系結(jié)構(gòu)既保證了對現(xiàn)存java程序的兼容性虛處理層、基準編譯層、優(yōu)化編譯層保證了現(xiàn)有java程序的運行環(huán)境；又滿足了程序快速執(zhí)行和針對性優(yōu)化的目的匯編層對中間代碼進行編譯匯編，最終生成本地二進制目標代碼；2)編譯優(yōu)化過程①當程序首次編譯時，實現(xiàn)步驟首次編譯指程序源碼第一次編譯為本地目標代碼的過程；I.程序進入虛處理層C1進行預處理，虛處理層C1為程序中的每一個要被編譯的方法、函數(shù)、變量生成一個信息表，確保執(zhí)行方法提前編譯，從而減少編譯時間的損耗；II.調(diào)用基準編譯層C2，利用信息表中的已經(jīng)生成的程序基本信息，對程序的字節(jié)碼作快速處理，減少其在內(nèi)存直接執(zhí)行的操作的數(shù)量(常常為0)，但同時增加可用寄存器到32、64或128，降低寄存器分配難度。清除代碼中重復出現(xiàn)的表達式，如果有多個表達式的值相同，保存的第1次的計算值并刪除重復計算，清除程序中不可到達及死代碼，將程序中的高代價代碼替換為低代價代碼，采用常量傳播方法將程序中的恒定變量替換為常量，對循環(huán)進行循環(huán)代碼外提，削減強度，刪除歸納變量等優(yōu)化方法，建立一個虛堆棧來消除大量的堆棧操作。最終形成中間代碼。作機器相關(guān)優(yōu)化，為程序分配寄存器，從而實現(xiàn)快速編譯并產(chǎn)生程序的中間代碼，最后將優(yōu)化信息和中間代碼寫入信息表；III.信息表中的中間代碼輸出到匯編層，將中間代碼匯編成目標平臺本地代碼；②當程序二次編譯時，實現(xiàn)步驟二次編譯指當程序在目標平臺運行時，操作系統(tǒng)動態(tài)跟蹤程序執(zhí)行情況進行統(tǒng)計，根據(jù)優(yōu)化機制，適時調(diào)用編譯器，作再一次的編譯過程；I.操作系統(tǒng)將運行程序的信息提交到虛處理層C1，虛處理層C1根據(jù)執(zhí)行路徑查找程序的信息表，如果存在，就將原來編譯其為程序生成的信息表讀入到內(nèi)存，如果不存在給出提示信息，退出優(yōu)化；II.調(diào)用優(yōu)化編譯層C3，優(yōu)化編譯層C3讀取信息表，取出信息表中的基本信息、優(yōu)化信息、中間代碼，利用操作系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)采取相應的優(yōu)化方案，做機器相關(guān)優(yōu)化，為程序分配寄存器，重新生成程序的中間代碼，最后將優(yōu)化信息和中間代碼寫入信息表，優(yōu)化編譯層C3的執(zhí)行過程分為四個步驟1、由虛處理層C1裝入的信息表中獲得基本信息、優(yōu)化信息、中間代碼；2、進行第二遍優(yōu)化，即機器相關(guān)優(yōu)化；3、寄存器重新分配；4、將優(yōu)化信息、以及優(yōu)化后的中間代碼寫回到信息表；第1步虛處理層C1讀入信息表，讀取程序的基本信息、優(yōu)化信息、中間代碼。信息表中的基本信息、優(yōu)化信息、中間代碼是在程序上次編譯時生成的，其中中間代碼已經(jīng)做過一些優(yōu)化，被于程序作相關(guān)保存，以備二次編譯時使用。優(yōu)化編譯層根據(jù)這些信息判斷是否優(yōu)化、重新編譯，或如何優(yōu)化、編譯。
第2步優(yōu)化編譯層C3在原始代碼的基礎上對語句參數(shù)進行優(yōu)化替換并消除死代碼，即從來不會被執(zhí)行的代碼，根據(jù)本機特性作多處理器優(yōu)化、特殊指令優(yōu)化、無用之令消除，根據(jù)操作系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，預測哪條分支最有可能運行、哪個過程經(jīng)常調(diào)用以及哪部分代碼最經(jīng)常執(zhí)行，調(diào)整轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)，循環(huán)和過程代碼來最小化最經(jīng)常執(zhí)行部分的運行時間。
第3步的寄存器分配，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)把經(jīng)常要計算變量引用次數(shù)并將高引用率的變量放入寄存器，為變量重新分配可獲得的機器寄存器，將利用率較低的變量移入內(nèi)存。最后階段的代碼生成將調(diào)用匯編層匯編器對優(yōu)化后的中間代碼進行解析，從而生成目標執(zhí)行代碼。
第4步將優(yōu)化信息以及優(yōu)化后的中間代碼寫回到信息表，替換原來的優(yōu)化信息和中間代碼，并調(diào)用匯編層。
III.中間代碼輸出到匯編層，將中間代碼再次匯編，從而生成高度優(yōu)化和快速執(zhí)行的目標指令代碼在未來的程序執(zhí)行中，編譯器會時常被調(diào)用，重復二次編譯的過程，對運行程序作多次有針對性的優(yōu)化，以達到運行代碼的最優(yōu)。
本發(fā)明的流程圖如圖1所示，操作系統(tǒng)調(diào)用編譯器，對程序進行編譯。首先啟動虛處理層虛處理層C1對當前程序執(zhí)行虛處理，第一步判斷該程序是首次編譯，還是二次編譯，如果是首次編譯，虛處理層C1為程序生成唯一的一張信息表，保存程序的方法、函數(shù)、常變量的基本信息，否則裝載程序的信息表。其次，信息表生成后，如果是首次編譯，調(diào)用基準編譯層C2，利用信息表中的基本信息，對程序進行與機器無關(guān)優(yōu)化，從而實現(xiàn)快速編譯并最終在信息表中產(chǎn)生程序的中間代碼，將優(yōu)化信息和中間代碼寫回到信息表，如果是二次編譯，調(diào)用優(yōu)化編譯層C3讀入信息表，提取基本信息、優(yōu)化信息、中間代碼，優(yōu)化編譯C3利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)采取相應的優(yōu)化方案，進行與機器相關(guān)優(yōu)化，重新生成優(yōu)化信息以及程序的中間代碼，替換信息表中的優(yōu)化信息和原始中間代碼；再次第三步中間代碼輸出到匯編層，將中間代碼匯編成目標平臺本地代碼。在以后的程序執(zhí)行中，本編譯器會時常被調(diào)用，重復二次編譯的過程，對運行程序作多次有針對性的優(yōu)化，以達到運行代碼的最優(yōu)。
實施例現(xiàn)有一個程序源碼A，內(nèi)含變量a，變量b，變量c，函數(shù)a、函數(shù)b，以及方法a，源碼A由操作系統(tǒng)提交給本編譯器，虛處理層C1獲得源碼A后，判斷源碼A為首次編譯，在內(nèi)存中建立信息表T，在表中為變量a，變量b，變量c，函數(shù)a，函數(shù)b，方法a分別建立對應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Tva，Tvb，Tvc，Tfuna，Tmetha，調(diào)用基準編譯層C2，對原碼A作一系列機器無關(guān)代碼優(yōu)化，在信息表T中mva，mvb，mvc，mfuna，mmetha處登記變量a，變量b，變量c，函數(shù)a，函數(shù)b，方法a做的優(yōu)化處理方式以及優(yōu)化指標，即優(yōu)化信息，最后編譯為中間代碼B，把優(yōu)化信息和中間代碼B寫入信息表T，并保存，中間代碼B提交到匯編層匯編器，由匯編層匯編器將中間代碼編譯成最終的目標代碼程序C。
程序C生成后可以直接在操作系統(tǒng)中運行，在程序C運行過程中，操作系統(tǒng)監(jiān)視程序中的“熱區(qū)”，并加以統(tǒng)計，在確定“熱區(qū)”代碼塊可優(yōu)化后之后啟動本編譯器，將統(tǒng)計情況及程序信息交給虛處理層C1，虛處理層C1判斷該程序為二次編譯，裝入對應的信息表T，如果沒有發(fā)現(xiàn)信息表T，退出編譯器。裝入成功后調(diào)用優(yōu)化編譯層C3，優(yōu)化編譯層讀入基本信息、優(yōu)化信息、中間代碼B，根據(jù)統(tǒng)計信息和優(yōu)化方案對中間代碼B進行機器相關(guān)優(yōu)化，在信息表T中中mva，mvb，mvc，mfuna，mmetha處登記變量a，變量b，變量c，函數(shù)a，函數(shù)b，方法a做的優(yōu)化處理方式以及優(yōu)化指標，即優(yōu)化信息，重新編譯為中間代碼B，把優(yōu)化信息和中間代碼B寫入信息表T，并保存，中間代碼提交到匯編層匯編器，由匯編層匯編器將中間代碼編譯成最終優(yōu)化后的目標代碼程序C。
權(quán)利要求
1.一種應用于Java操作系統(tǒng)中虛擬機的編譯體系實現(xiàn)方法，其特征在于1)四層體系結(jié)構(gòu)與功能虛處理層C1對外處理編譯解釋任務，對內(nèi)負責代碼預處理；基準編譯層C2對程序首次編譯，作簡單的優(yōu)化，以滿足程序快速執(zhí)行的需要；優(yōu)化編譯層C3生成高度優(yōu)化和快速執(zhí)行的中間代碼，又針對性的選擇編譯，是程序達到本地最優(yōu)；匯編層匯編器將中間代碼匯編成本地平臺的目標代碼；層與層之間并不是普通的層層向上負責，而是一個縱橫的關(guān)系，四層體系結(jié)構(gòu)既保證了對現(xiàn)存java程序的兼容性虛處理層、基準編譯層、優(yōu)化編譯層保證了現(xiàn)有java程序的運行環(huán)境；又滿足了程序快速執(zhí)行和針對性優(yōu)化的目的匯編層對中間代碼進行編譯匯編，最終生成本地二進制目標代碼；2)編譯優(yōu)化過程①當程序首次編譯時，實現(xiàn)步驟首次編譯指程序源碼第一次編譯為本地目標代碼的過程；I.程序進入虛處理層C1進行預處理，虛處理層C1為程序中的每一個要被編譯的方法、函數(shù)、變量生成基本信息，寫入信息表，確保執(zhí)行方法提前編譯，從而減少編譯時間的損耗；II.調(diào)用基準編譯層C2，利用信息表中的已經(jīng)生成的程序基本信息，對程序作快速處理，作機器無關(guān)優(yōu)化，為程序分配寄存器，從而實現(xiàn)快速編譯產(chǎn)生程序的中間代碼，最后將優(yōu)化信息和中間代碼寫入信息表；III.信息表中的中間代碼輸出到匯編層匯編器，將中間代碼匯編成目標代碼；②當程序二次編譯時，實現(xiàn)步驟二次編譯指當程序在目標平臺運行時，操作系統(tǒng)動態(tài)跟蹤程序執(zhí)行情況進行統(tǒng)計，根據(jù)優(yōu)化機制，適時調(diào)用編譯器，作再一次的編譯過程；I.操作系統(tǒng)將運行程序的信息提交到虛處理層C1，虛處理層C1將原來編譯器其為程序生成的信息表讀入到內(nèi)存；II.調(diào)用優(yōu)化編譯層C3，優(yōu)化編譯層C3讀取信息表，提取原來的基本信息、優(yōu)化信息以及中間代碼，利用操作系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)采取機器相關(guān)優(yōu)化，重新生成程序的中間代碼，最后將優(yōu)化信息和中間代碼寫入信息表；III.信息表中的中間代碼輸出到匯編層匯編器，將中間代碼匯編成目標代碼；在未來的程序執(zhí)行中，編譯器會時常被調(diào)用，重復二次編譯的過程，對運行程序作多次有針對性的優(yōu)化，以達到運行程序的最優(yōu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用于Java操作系統(tǒng)中虛擬機的編譯體系實現(xiàn)方法。以Java語言為主，匯編語言為輔，采用四層體系架構(gòu)虛處理層、基準編譯層、優(yōu)化編譯層、匯編層匯編器；以操作平臺的目標代碼為最終編譯結(jié)果，有針對性地選擇優(yōu)化編譯，即考慮程序執(zhí)行速度又顧及虛擬機自身效率，在Java操作系統(tǒng)的支持下動態(tài)優(yōu)化，使程序運行達到最優(yōu)。這一方法在突出了Java語言在模塊化、安全性、靈活性方面的優(yōu)勢，同時也利用了匯編語言的強大功能，能在更大程度上優(yōu)化目標代碼，同時也十分有利于平臺移植，方便不同的商業(yè)應用，從整體上提高了Java操作系統(tǒng)的運行速度，特別是在嵌入式平臺這類本身硬件運行速度不是很快時，更具有明顯的效果。
文檔編號G06F9/455GK1790267SQ20051006199
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者陳天洲, 戴紅軍, 陳國兵, 胡威, 黃域 申請人:浙江大學