1. 引言
??? 眾所周知，Java語言依靠Java虛擬機對字節碼程序的支持，實現了跨平臺特征。作為一種中間語言，Java字節碼提供了匯編指令級的程序描述，能夠支持底層的程序代碼優化" title="代碼優化">代碼優化。然而，目前的Java字節碼程序都是通過Java編譯系統" title="編譯系統">編譯系統生成的，人們缺少一種直接利用Java字節碼進行程序設計" title="程序設計">程序設計的工具。為此，本文提出一種Java字節碼編程語言" title="編程語言">編程語言，通過提供一個Java字節碼生成系統，直接支持Java字節碼程序設計。系統實現中，選用了Apache組織中的開放源碼項目BCEL（Byte Code Engineering Library，字節碼工程庫）作為Java字節碼生成工具。
2.?Java字節碼編程語言設計
??? Java字節碼編程語言的提出，是為了產生優化的字節碼程序，可用于對Java源程序的編譯系統，以及各種程序變換和程序優化系統。字節碼的表達和優化能力都優于Java程序，一些Java語言中無法實現的功能，利用字節碼可進行描述，例如字節碼中可使用goto跳轉命令，而Java語言沒有這個功能。
??? Java字節碼編程語言文法的設計，兼顧了Java語言規范文法與Java虛擬機的指令格式，采用二者相結合的形式。Java字節碼編程語言的程序結構由一個或多個類組成，每個類中有一個或多個域，域分為變量域和方法域，方法中包含了具體的指令語句，指令語句根據虛擬機指令設計。下面具體列出部分文法。
??? 類定義文法沿用Java語言規范：
表1 類定義文法
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Modifierà???? public | protected | private | static | abstract | final | native | synchronized | ? ??????????????????????????? transient | volatile | strictfp ? ModifiersOptà????? { Modifier }? ClassDeclarationàclass Identifier [extends Type] [implements TypeList] ClassBody? InterfaceDeclarationà interface Identifier [extends TypeList] InterfaceBody? ClassOrInterfaceDeclarationà ModifiersOpt (ClassDeclaration | InterfaceDeclaration)? ? ClassBodyà{{ClassBodyDeclaration}}? ClassBodyDeclarationà ; | [static] Block?? | ModifiersOpt? MemberDecl? ? MemberDeclà?????? MethodOrFieldDecl?????? | void Identifier VoidMethodDeclaratorRest? |? Identifier ConstructorDeclaratorRest??? |ClassOrInterfaceDeclaration|? |
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??? 方法體（MethodBody）設計為由塊（Block）組成，塊由多個塊語句（BlockStatements）組成，塊語句又分為局部變量聲明語句（LocalVariableDeclarationStatement）、類或接口定義語句（ClassOrInterfaceDeclaration）和指令語句（Instruction）。
??? 指令的設計則參考了Java虛擬機的指令格式，提供了虛擬機指令的所有功能，按功能可分為以下七類語句：
- 裝載和存儲語句（Load_Store）
- 運算語句（Arithmetic）
- 類型轉換語句（Type_ Conversion）
- 對象創建和操縱語句（Object_Create_Manipulation）
- 操作數棧管理語句（Operand_Stack_Management）
- 控制轉移語句（Control_Transfer）
- 方法調用" title="方法調用">方法調用和返回語句（Method_Invoke_Return）。
??? 相應文法如下表：
????????????????????????????????????? 表2 方法及指令定義文法
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MethodBodyà Block? Blockà { BlockStatements }? BlockStatementsà {BlockStatement} BlockStatementà?? LocalVariableDeclarationStatement????? |? ClassOrInterfaceDeclaration?????????????? |? [Identifier:] Instruction；? Instructionà? BlockStatement?????????????????????????? | Load_Store?????????????????????????????? |? ???????????????????? Arithmetic????????????????????????????????? | Type_ Conversion????????????????????? |? Object_Create_Manipulation ????? | Operand_Stack_Management???? |? Control_Transfer???????????????????????? | Method_Invoke_Return? |
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指令語句中方法調用和返回語句的文法如表3：
????????????????????????????????? 表3 方法調用和返回語句文法
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MethodNameà Identifier? RetTypeà Type? ArgTypeà {[TypeList]}? MethodInvokeKeyword à ?? invokevirtual????????????? | invokeinterface? |? invokespecial????????????? | invokestatic ? Method_Invoke_Returnà MethodInvokeKeyword (ClassName, MethodName, RetType, ArgType) |? ?ireturn | lreturn | freturn | dreturn | areturn | return? |
??? 上表中，方法調用分為以下四種類型：
- 調用對象的示例方法，調度對象的（虛）類型：invokevirtual
- 調用由接口實現的方法：invokeinterface
- 調用需要特殊處理的實例方法，即實例初始化方法
、private方法或超類方法：invokespecial - 調用命名的類中的類（static）方法：invokestatic
3? Java字節碼生成系統功能及結構?
??? Java字節碼生成系統的輸入為Java字節碼編程語言，輸出為Java字節碼文件。字節碼生成系統的功能是讀入Java字節碼編程語言程序，通過BCEL（字節碼工程庫）生成字節碼文件。
??? BCEL字節碼工程庫是一個工具包，用于對Java類文件的靜態分析，動態創建或修改。開發人員能夠使用BCEL 庫在一個較高的抽象層次上實現所需的功能，而不用具體處理Java字節碼文件的內部細節。BCEL完全用Java語言寫成，并遵守LGPL條款。
由于BCEL庫是針對Java的class文件格式和虛擬機指令集所設計的，直接應用BCEL庫進行Java字節碼文件的生成比較困難，需要了解較多的Java虛擬機方面的知識。本文提出的Java字節碼編程語言的文法與BCEL庫的字節碼生成接口相對應，易于應用BCEL庫進行編譯，完成字節碼生成。Java字節碼編程語言成為一座連接Java源程序和字節碼文件的橋梁，先將Java源程序編譯為中間代碼,再使用BCEL庫將中間代碼編譯為Java字節碼，生成class文件。
??? Java字節碼生成系統可分為詞法分析、語法分析和字節碼生成三個階段，其用例圖如下：
???????????????????? 圖1 Java字節碼生成系統的用例圖
??? 系統的數據流圖可表示為：
???? Java字節碼生成系統中，字節碼編程語言與BCEL庫中字節碼生成接口具有對應關系，以方法調用為例，如下表：
表4 java字節碼編程語言與BCEL庫生成接口對應關系
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Java字節碼編程語言方法調用文法 |
BCEL庫生成接口 |
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MethodNameà Identifier? ? RetTypeà Type? ? ArgTypeà {[TypeList]}? ? MethodInvokeKeyword à ?? ? invokevirtual?????????? | invokeinterface? |? invokespecial?????????? | invokestatic ? ? Method_Invoke_Returnà ? MethodInvokeKeyword(ClassName, MethodName, RetType, ArgType)???? |? ireturn | lreturn | freturn | dreturn ?? | areturn | return? ? |
BCEL庫中類InstructionFactory的方法:? public InvokeInstruction createInvoke (String class_name, String name, Type ret_type,Type[] arg_types, short kind) //kind對應invokevirtual , invokeinterface?????? , invokespecial , invokestatic public static ReturnInstruction createReturn(Type type) //type類型對應關系: T_ARRAY,T_OBJECTà areturn; T_INT,T_SHORT,T_BOOLEAN, T_CHAR,T_BYTEà ireturn; T_FLOATà freturn; T_DOUBLEà dreturn; T_LONGà lreturn; T_VOIDà return; |
4?Java字節碼生成示例?
??? 下面通過生成階乘Java程序字節碼的介紹，說明Java字節碼生成系統功能。左邊是求階乘的Java源程序，右邊是相應的字節碼編程語言代碼。
??? 階乘Java源程序 其中calculateFactorial方法的字節碼編程語言代碼??
?????????????????????????? 表5 階乘程序和相應字節碼編程語言代碼
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階乘Java源程序? |
其中calculateFactorial方法的字節碼編程語言代碼? |
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public class Factorial? {? public int calculateFactorial(int x)? {? ?????? if (x<0)? ?????? ? throw? new ? IllegalArgumentException? ('x must be >=0');? int ret=1;? for(int i=1;i<=x;i++)? ?????? ? ret=ret*i;? ?????? return ret;? }? public static void main? (String[] args)? ? {? ?????? Factorial f=new Factorial();? int n=6;? ?????? System.out.println(? f.calculateFactorial(n) );? ? }? }? |
public class Factorial? {? public int calculateFactorial(int x)? ? {? ? iload? x;? ??? ifge “if1”;? ??? new “java.lang.IllegalArgumentException”;? ??? dup;? ??? ldc “x must be >=0”;? ??? invokespecial ('java.lang.IllegalArgumentException' ,? ' void, ? {'java.lang.String'});? ??? athrow;? if1:? int ret;? push 1;? ??? istore ret;? ??? int i;? ??? push 1;? ??? istore i;? for_begin:??? iload? i;? ??? iload? x;? ??? if_icmpgt “if2”;? ??? iload? ret;? ??? iload? i;? ??? imul;? ??? istore? ret;? ??? iinc? i? 1;? ??? goto “for_begin”;? if2:??? iload? ret;? ??? ireturn;? }? }? |
??? 字節碼編程語言代碼編譯為BCEL庫調用，以階乘為例，以階乘為例，分別討論：
- 類和方法聲明：?
????????????????????????????????? ? 表6 類和方法聲明轉換
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字節碼編程語言代碼? |
BCEL庫生成代碼? |
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public class Factorial { public int ?calculateFactorial(int x) ? {? …… ? } }? |
ClassGen cg = new ClassGen( "Factorial", "java.lang.Object", "Factorial", ACC_PUBLIC| ACC_SUPER, null ); ConstantPoolGen cp = cg.getConstantPool(); InstructionList il = new InstructionList(); MethodGen mg = new MethodGen( ACC_PUBLIC, Type.INT , new Type[]{Type.INT}, ??????????????????????????? new String[]{"x"} ,?????? "calculateFactorial", ??????????????????????????? "Factorial", il, cp );? |
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- 方法調用：?
?????????????????????????????????? 表7 方法調用轉換
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字節碼編程語言代碼? |
BCEL庫生成代碼? |
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invokespecial (? "java.lang.IllegalArgumentException" , " void, {"java.lang.String"}); |
il.append( factory.createInvoke( "java.lang.IllegalArgumentException", ? " ? Type.VOID, ? new Type[] {new ObjectType("java.lang.String")}, ? INVOKESPECIAL ) );? |
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結束語?
使用Java字節碼編程語言來完成字節碼的生成，屏蔽了底層生成字節碼的具體方法，通過生成相應虛擬機命令的擴展形式，降低了字節碼生成的難度。
Java字節碼編程語言的應用廣泛，可用于Java代碼優化，如對Java源程序進行部分求值優化后，可對生成的滯留程序和例化程序編譯為中間語言的形式，在利用BCEL庫生成字節碼，完成進一步的字節碼優化。還可以對Java字節碼編程語言進行優化，去掉冗余的控制轉移和方法調用，進而生成更緊湊的Java字節碼。
參考文獻?
[1] James Gosling,Bill Joy,Guy Steele,Gilad Bracha 《The Java Language Specification》 ADDISON-WESLEY? 2000
[2] Markus Dahm《Byte Code Engineering With the BCEL API》
Freie Universit?t Berlin Institut für Informatik, Technical Report B-17-98? http://inf.fuberlin.de/pub/BCEL/report.ps
[3] 玄偉劍等譯.《Java 虛擬機規范》.北京大學出版社，1997