Презентация на тему "Виртуальные машины"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Виртуальные машины

• 
  Слайд 2
  

  2 Одним из распространенных подходов, применяемых при разработке переносимого программного обеспечения, является использование виртуальных машин. Виртуальные машины представляют собой практическую реализацию теоретических абстрактных вычислительных машин (таких как, например, машина Тьюринга или машина Поста)

• 
  Слайд 3
  

  3 Виртуальная машинасовокупность ресурсов, которые эмулируют поведение реальной вычислительной машины

• 
  Слайд 4
  

  4 Концепция виртуальных машин была развита в 1960-е гг. при разработке операционных систем третьего поколения как расширение концепции виртуальной памяти. Первоначальной целью разработки виртуальных машин была организация одновременной работы нескольких вычислительных процессов в рамках одной физической системы (т.е. многозадачный и/или многопользовательский режим).

• 
  Слайд 5
  

  5 В соответствии с концепцией ВМ, вычислительный процесс полностью определяется содержимым того рабочего пространства (памяти), к которому он имеет доступ. При условии, что конкретная ситуация в рабочем пространстве процесса соответствует ожидаемой, процесс не имеет никаких средств для определения того, является ли предоставленный ему ресурс действительно физическим ресурсом этого типа, или же он реализован в результате совместных действий других ресурсов, которые в совокупности приводят к аналогичным изменениям содержимого рабочего пространства процесса.

• 
  Слайд 6
  

  6 В виртуальной машине ни один процесс не может монопольно использовать никакой ресурс, и все системные ресурсы потенциально считаются ресурсами совместного использования. Использование виртуальных машин обеспечивает изоляцию нескольких процессов и обеспечивает определенный уровень защиты данных.

• 
  Слайд 7
  

  7 Начиная с 1970-х гг. виртуальные машины стали использоваться при разработке трансляторов языков программирования. При таком подходе исходный язык транслируется в коды некоторой специально разработанной вычислительной машины, которая не обязательно существует. Затем для каждой целевой платформы пишется интерпретатор виртуальной машины.

• 
  Слайд 8
  

  Без виртуальной машины Машина 1 8 Транслятор 1 Машина 2 Транслятор 2 Машина 3 Транслятор 3

• 
  Слайд 9
  

  С использованием виртуальной машины Машина 1 9 Виртуальная машина 1 Машина 2 Машина 3 Транслятор Виртуальная машина 2 Виртуальная машина 3

• 
  Слайд 10
  

  10 Архитектура виртуальной машины обычно проектируется разработана таким образом, чтобы конструкции исходного языка удобно отображались в систему команд виртуальной машины, но и сама система команд при этом не была бы слишком сложной. При выполнении этих условий можно достаточно быстро написать интерпретатор виртуальной машины для требуемой целевой платформы.

• 
  Слайд 11
  

  11 Одна из первых широко известных виртуальных машин такого рода была разработана Никлаусом Виртом при написании компилятора Pascal-P. Этот компилятор генерировал специальный код, названный P-кодом и представляющий собой последовательность инструкций гипотетической стековой машины.

• 
  Слайд 12
  

  12 В настоящее время концепция виртуальных машин приобрела широкую известность благодаря языку Java, компиляторы которого генерируют последовательность команд для виртуальной Java-машины.

• 
  Слайд 13
  

  13 Архитектура виртуальной машины Java Виртуальная машина Java описывается следующими характеристики: 1. Поддерживаемые типы данных 2. Регистры 3. Локальные переменные 4. Стек операндов 5. Область метода 6. Среда выполнения 7. Куча и сборщик мусора 8. Система команд 9. Ограничения виртуальной машины

• 
  Слайд 14
  

  14 Поддерживаемые типы данных JVM – почти все примитивные типы данных Java, за исключением boolean: byte, short, int, long, float, double, char – ссылочный тип данных object; – адрес возврата returnAdress Для примитивных типов данных контроль соответствия типов осуществляется на этапе компиляции, для ссылочных типов – на этапе исполнения.

• 
  Слайд 15
  

  15 Регистры JVM (32-разрядные) pcадрес следующей команды, которая будет исполняться виртуальной машиной; varsадрес области памяти для хранения локальных переменных метода; optopадрес вершины стека операндов; frameадрес структуры среды исполнения

• 
  Слайд 16
  

  16 Локальные переменные Локальные переменные метода хранятся в области памяти, начиная с адреса vars. Для хранения одной переменной отводится 4 байта, значения типа long, doubleзанимают 8 байт (как две переменные). Для доступа к переменным указывается смещение от начала области (0, 4, 8, 12 и т.д.)

• 
  Слайд 17
  

  17 Стек операндов Стек операндов используется для передачи параметров методам и получения возвращаемого значения метода, а также для выполнения арифметических действий и хранения их результатов. Каждый элемент стека операндов имеет размер 4 байта, значения всех типов хранятся в одной ячейке стека, значения типов long, double– две ячейки стека.

• 
  Слайд 18
  

  18 Область метода Область метода хранит код метода и таблицы символов метода.

• 
  Слайд 19
  

  19 Среда исполнения содержит информацию, которая характеризует: – динамическую компоновку объектов и их методов; – информацию для возврата из методов; – информацию для распространения исключений; Среда исполнения может быть дополнена специфической информацией, например, отладочной информацией.

• 
  Слайд 20
  

  20 Среда исполнения содержит ссылки на таблицу символов текущего метода. Вызовы методов и обращения к полям классов осуществляются с использованием символических ссылок. Во время динамической компоновки виртуальная машина переводит эти символические вызовы методов в фактические вызовы методов, загружая классы по мере необходимости.

• 
  Слайд 21
  

  21 При нормальном завершении текущего метода управление передается в вызывающий метод. Среда выполнения используется для того, чтобы восстановить регистры вызывающего метода. Выполнение продолжается в среде исполнения вызывающего метода.

• 
  Слайд 22
  

  22 При возникновении исключения осуществляется анализ таблицы исключений, связанной с текущим методом. Каждая запись таблицы исключений определяет диапазон программного кода, для которого она действительна; содержит тип и адрес кода для обработки исключения. Если в таблице исключений найдена запись, соответствующая возникшему исключению, то виртуальная машина передает управление соответствующему обработчику.

• 
  Слайд 23
  

  23 Если запись, соответствующая исключению, не найдена, то результатом текущего метода является исключение. Состояние вызывающего метода восстанавливается по среде исполнения, и распространение исключения продолжается, как если бы исключение только что произошло в этом вызывающем методе.

• 
  Слайд 24
  

  24 Куча и сборщик мусора Во время исполнения Java-программыобъекты хранятся в динамически распределяемой памяти – куче. Периодически осуществляется "сборка мусора" – поиск и уничтожение объектов, не используемых в программе (на которые отсутствуют ссылки). Для реализации сборщика мусора используются различные алгоритмы, в зависимости от требований системы.

• 
  Слайд 25
  

  25 Система команд виртуальной машины Инструкция виртуальной машины Java состоит из однобайтового кода операции, определяющего действие, которое будетвыполнено, и может сопровождаться дополнительными операндами. Число и размер дополнительных операндов определяется кодом операции. Если дополнительный операнд содержит более одного байта, то они хранятся в порядке от старшего разряда к младшему.

• 
  Слайд 26
  

  26 Ограничения виртуальной машины Большинство существующих ограничений обусловлены тем, что для представления индексов операндов команд отводится 1-2 байта (8-16 бит). Список констант ("пул констант") для каждого класса может содержать максимум 65535 элементов. Длина кода метода ограничена 65535 байтами (включая код метода, таблицу исключений, таблицу номеров строк и таблицу локальных переменных). Число аргументов в вызове метода ограничено 255.

• 
  Слайд 27
  

  27 Система команд виртуальной машины Java Система команд виртуальной машины Java включает в себя 201 инструкцию. Большинство из них относятся к двум группам: – команды работы со стеком; – арифметические команды. Особенностью системы команд JVM является то, что имеется много схожих инструкций, отличающихся только обрабатываемым типом данных.

• 
  Слайд 28
  

  28 Команды загрузки констант в стек (15 команд)предназначены для загрузки в стек операндов часто используемых констант (null, -1, 0, 1, …) типconst_значение Примеры. iconst_0 – загрузить в стек целочисленную константу 0 dconst_1 – загрузить в стек вещественную константу 0

• 
  Слайд 29
  

  29 Команды загрузки констант из пула константпредназначены для загрузки в стек значений констант, находящихся в пуле констант. Загрузка выполняется безразлично к фактическому типу значений. ldc индекс ldc2индекс

• 
  Слайд 30
  

  30 Команды загрузки значений переменных в стек (33 шт.)предназначены для загрузки в стек значений локальных переменных из списка локальных переменных типload индекс Примеры. iload 5 – загрузить в стек пятую локальную переменную (целочисленную) dload 10 – загрузить в стек десятую локальную переменную (вещественную)

• 
  Слайд 31
  

  31 Особенности команд загрузки переменных: 1. Параметры методов хранятся как локальные переменные (с индексами 0, 1, 2, …) 2. Для часто используемых индексов (0, 1, 2, 3) имеются сокращенные варианты команд, занимающие один байт, например: fload_0 aload_1

• 
  Слайд 32
  

  32 Команды сохранения значения вершины стека в локальной переменной (33 шт.)извлекают значение из вершины стека операндов и сохраняют их в списке локальных переменных типstore индекс Примеры. istore 5 – сохранить вершину стека в пятой локальной переменной (целочисленной) dstore 10 – сохранить вершину стека в десятой локальной переменной (вещественной)

• 
  Слайд 33
  

  33 Особенности команд сохранения переменных: Для часто используемых индексов (0, 1, 2, 3) имеются сокращенные варианты команд, занимающие один байт, например: fstore_0 astore_1

• 
  Слайд 34
  

  34 Прочие команды работы со стеком (9 шт.) К этой группе относятся команды, которые удаляют (pop, pop2), дублируют (dup, dup2), меняют местами верхние элементы стека операндов (swap), а также выполняют другие, более сложные манипуляции со стеком.

• 
  Слайд 35
  

  35 Арифметические команды (24 шт.) Все арифметические команды извлекают из стека два операнда, выполняют арифметическое действие и в стек заносят получившийся результат. типдействие Примеры. iadd – сложение целых чисел lsub – вычитание длинных целых чисел fmul – умножение дробных чисел (одинарной точности) ddiv – деление дробных чисел (двойной точности) irem – остаток от деления целых чисел fneg – изменение знака дробного числа

• 
  Слайд 36
  

  36 Логические команды (12 шт.) Логические команды выполняют действия с целыми (длинными целыми) числами: арифметический сдвиг, "и", "или", "исключающее или" типдействие Примеры. iand – логическое "и" с двумя целыми числами lor – логическое "или" с двумя длинными целыми числами Логические команды также используются для вычисления истинности булевских выражений.

• 
  Слайд 37
  

  37 Команды преобразования типа (15 шт.) Используются для преобразования значений базовых типов тип2тип Примеры. i2f – преобразование целого числа в дробное (одинарной точности) d2f – преобразование дробного числа (двойной точности) в дробное число (одинарной точности) В некоторых случаях требуется прибегнуть к цепочке преобразований, например: d2i i2s (double  short)

• 
  Слайд 38
  

  38 Команды для работы с массивами Используются: – для создания массивов требуемого типа; – для вычисления длины существующего массива; – для загрузки элемента массива в стек; – для сохранения вершины стека в элементе массива Примеры. newarray T_INT – создание целочисленного массива iaload – загрузка целого числа из массива в стек iastore – сохранение целого числа в массиве При обращении к элементам массива в стек должен быть загружен его индекс

• 
  Слайд 39
  

  39 Команды передачи управления Используются: – для выполнения условного перехода; – для выполнения безусловного перехода (goto); – для организации выбора (switch); – для вызова и возврата из подпрограмм; – для вызова и возврата из методов Команды условного и безусловного переходов используются для организации базовых алгоритмических структур (ветвление, повторение).

• 
  Слайд 40
  

  40 Команды условного перехода (вариант 1, 8 шт.) ifусловиеадрес Извлекается значение из вершины стека. Если условие истинно, осуществляется переход по указанному адресу, например: ifeq – переход, если значение равно 0 ifgt – переход, если значение больше 0

• 
  Слайд 41
  

  41 Команды условного перехода (вариант 2, 8 шт.) if_типcmpусловиеадрес Из стека извлекаются два значения и сравниваются между собой. Если условие истинно, осуществляется переход по указанному адресу, например: if_icmpeq – переход, если значения равны if_icmpne – переход, если значения не равны

• 
  Слайд 42
  

  42 Команды вызова методоввыполнение команд связано не только с передачей управления, но и с анализом разного рода таблиц. invokevirtual – вызывает (виртуальный) метод на основе анализа информации времени выполнения; invokenonvirtual – осуществляет вызов на основе информации времени компиляции (например, вызов метода родительского класса); invokestatic – вызывает статический метод класса; invokeinterface – вызывает метод, предоставленный интерфейсом.

• 
  Слайд 43
  

  43 Команды манипулирования с полями объектов команды позволяют установить/прочитать обычное/статическое поле объекта: getfield putfield getstatic putstatic Прочие объектные операциисоздать объект, проверить тип объекта

• 
  Слайд 44
  

  44 Команда возбуждения исключительной ситуацииathrow – позволяет выбросить исключительную ситуацию. Команды синхронизациииспользуются для организации работы параллельных процессов (войти в критическую секцию, выйти из него).

• 
  Слайд 45
  

  45 Реализация арифметических операций Машинный код, генерируемый компилятором Java, позволяет вычислять значения арифметических выражений на основе ПОЛИЗ.

• 
  Слайд 46
  

  46 Пример. Вычисление выражения S = a * b / 2 ПОЛИЗ выражения:a b * 2 / Алгоритм вычисления по ПОЛИЗ: 1. Загрузить в стек значение переменной a 2. Загрузить в стек значение переменной b 3. Выполнить умножение 4. Загрузить в стек константу 2 5. Выполнить деление 6. Сохранить результат

• 
  Слайд 47
  

  47 На языке Java: float a,b,S; S = a * b / 2; Машинный код JVM: fload_1 // загрузить в стек значение первой локальной переменной fload_2 // загрузить в стек вторую локальную переменную fmul// выполнить умножение fconst_2 // загрузить в стек константу 2 fdiv// выполнить деление fstore_3 // результат загрузить в третью локальную переменную

• 
  Слайд 48
  

  48 Пример 1. Реализация оператора ветвления if (выражение) оператор_1; else оператор_2; Машинный код: вычислить выражение ifne оператор_2 оператор_1: … … gotoконец оператор_2: … … конец:

• 
  Слайд 49
  

  49 Пример 2. Реализация оператора повторения while (выражение) оператор; Машинный код: цикл: вычислить выражение ifne конец оператор goto цикл конец:

• 
  Слайд 50
  

  50 Пример 3. Реализация оператора повторения do оператор; while (выражение); Машинный код: цикл: оператор вычислить выражение ifne цикл конец:

• 
  Слайд 51
  

  51 Алгоритм объектно-ориентированной реализации стековой виртуальной машины Использование объектно-ориентированного подхода позволяет значительно упростить процесс реализации стековой виртуальной машины.

• 
  Слайд 52
  

  52 Основные классы, используемые при реализации стековой ВМ StackVMстековая виртуальная машина VariableStorageхранилище переменных Instructionбазовый класс для команд виртуальной машины

• 
  Слайд 53
  

  53 Класс StackVM public class StackVM { private VariableStorage storage; private Stack stack; public StackVM(VariableStorage storage) { this.storage = storage; stack=new Stack(); } Экземпляр виртуальной машины использует внешнее (глобальное) хранилище переменных и локальный стек для реализации алгоритма вычисления по ПОЛИЗ.

• 
  Слайд 54
  

  54 Вычисление арифметического выражения сводится к последовательному выполнению отдельных команд виртуальной машины. public double execute(Instruction[] program) { stack.clear(); for(Instruction instruction:program) { instruction.execute(stack,storage); } return stack.peek(); } Результат вычислений извлекается из вершины стека. public double getLastValue() { return stack.peek(); }

• 
  Слайд 55
  

  55 Все команды виртуальной машины реализуются как классы-потомки одного абстрактного класса (интерфейса). publicinterface Instruction { publicvoid execute(Stack stack, VariableStorage storage); }

• 
  Слайд 56
  

  56 Реализация арифметических команд выполняется тривиально. public class Add implements Instruction { public void execute(Stack stack, VariableStorage storage) { double op2=stack.pop(); double op1=stack.pop(); stack.push(op1+op2); } }

• 
  Слайд 57
  

  57 Реализация команд загрузки в стек значений переменных и констант. public class Variable implements Instruction { private String variable; public Variable(String variable) { this.variable = variable; } public void execute(Stack stack, VariableStorage storage) { stack.push(storage.getVariable(variable)); } } public class Constant implements Instruction { private double value; public Constant(double value) { this.value = value; } public void execute(Stack stack, VariableStorage storage) { stack.push(value); } }

• 
  Слайд 58
  

  58 Реализация команды присваивания. public class Assign implements Instruction { private String variable; public Assign(String variable) { this.variable = variable; } public void execute(Stack stack, VariableStorage storage) { storage.putVariable(variable, stack.peek()); } }

• 
  Слайд 59
  

  59 Пример. Вычисление дискриминанта Instruction[] expr1={ new Constant(1), new Assign("a") }; // a=1; Instruction[] expr2={ new Constant(-5),new Assign("b")}; // b=-5; Instruction[] expr3={ new Constant(6),new Assign("c")}; // c=6; Instruction[] expr4={ // d=b*b-4*a*c; new Variable("b"), new Variable("b"), new Mul(), new Constant(4), new Variable("a"), new Mul(), new Variable("c"), new Mul(), new Sub(), new Assign("d") };

• 
  Слайд 60
  

  60 Пример. Вычисление дискриминанта Instruction[] expr1={ new Constant(1), new Assign("a") }; // a=1; Instruction[] expr2={ new Constant(-5),new Assign("b")}; // b=-5; Instruction[] expr3={ new Constant(6),new Assign("c")}; // c=6; Instruction[] expr4={ // d=b*b-4*a*c; new Variable("b"), new Variable("b"), new Mul(), new Constant(4), new Variable("a"), new Mul(), new Variable("c"), new Mul(), new Sub(), new Assign("d") };

• 
  Слайд 61
  

  61 VariableStorage storage = new VariableStorage(); StackVM stackVM = new StackVM(storage); stackVM.execute(expr1); // a=1; stackVM.execute(expr2); // b=-5; stackVM.execute(expr3); // c=6; stackVM.execute(expr4); // d=b*b-4*a*c; System.out.println("Ответ: " + stackVM.getLastValue());

• 
  Слайд 62
  

  62 Алгоритм объектно-ориентированной реализации виртуальной машины, интерпретирующей синтаксическое дерево программы При разнообразной обработке структур данных, содержащих объекты различных классов, оказывается удобным следовать паттерну проектирования Visitor ("Посетитель")

• 
  Слайд 63
  

  63 Под паттерном проектирования обычно понимается описание взаимодействия объектов и классов, адаптированных для решения общей задачи проектирования в конкретном контексте.

• 
  Слайд 64
  

  64 Паттерн проектирования Visitor ("Посетитель") Позволяет применять различные операции к каждому объекту из некоторой структуры данных. Вместо того, чтобы реализовывать каждую операцию в каждом классе, все однотипные операции выносятся в отдельные классы.

• 
  Слайд 65
  

  65 Было Стало class A {class A { операция1(); принятьПосетителя(); операция2(); } } class B{ class B { принятьПосетителя(); операция1(); } операция2();classПосетитель1 { } операцияНадА(); операцияНадB(); } classПосетитель2{ операцияНадА(); операцияНадB(); }

• 
  Слайд 66
  

  66 Преимущества, получаемые в результате реализации паттерна Visitor ("Посетитель") Однотипные операции над различными объектами локализуются в одном классе, а не "размазываются" по нескольким классам. Легко добавлять новые операции над объектами, не изменяя их, а добавляя новые классы-посетители.

• 
  Слайд 67
  

  67 Особенности реализации паттерна Visitor ("Посетитель") 1. Все классы-посетители являются предками абстрактного класса, в котором для каждого типа объекта объявлен свой метод вида: classАбстрактныйПосетитель { операцияНадА(ТипА объект); операцияНадB(ТипB объект); . . . }

• 
  Слайд 68
  

  68 2. В каждом классе-элементе структуры данных объявляется метод, обращающийся к классу-посетителю: class A{ принятьПосетителя(АбстрактныйПосетитель п) { п.операцияНадА(this); } } class B{ принятьПосетителя(АбстрактныйПосетитель п) { п.операцияНадB(this); } }

• 
  Слайд 69
  

  69 3. Описываются классы-посетители, выполняющие требуемую обработку объектов структуры. 4. Пользователь паттерна должен а) сформировать требуемую структуру данных;б) выполнить полный обход структуры данных и для каждого элемента структуры вызвать метод "принятьПосетителя".

• 
  Слайд 70
  

  70 При реализации виртуальной машины также могут быть использованы другие паттерны проектирования, например, Interpreptator ("Интерпретатор")