Java虛擬機(jī)應(yīng)用于數(shù)字電視機(jī)頂盒的研究與實(shí)現(xiàn)

    為了促使數(shù)字電視朝著基于Java虛擬機(jī)的中間件標(biāo)準(zhǔn)DVB。MHP (多媒體家庭平臺(tái))發(fā)展，簡(jiǎn)略介紹Java虛擬機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，從由Sun公司提供的基于Linux的J2ME到嵌入式操作系統(tǒng)OS20的移植過(guò)程，重點(diǎn)介紹Java本地方法調(diào)用的移植實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠使簡(jiǎn)單的Java程序在數(shù)字電視機(jī)頂盒上成功運(yùn)行。 
        

        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(tái)的數(shù)字電視機(jī)頂盒除了能夠讓用戶(hù)在現(xiàn)有模擬電視機(jī)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(yùn)而生，互動(dòng)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(yùn)用的Java語(yǔ)言能很好地滿足機(jī)頂盒一些服務(wù)應(yīng)用的要求，因此提出了包含Java虛擬機(jī)的數(shù)字電視機(jī)頂盒中間件的系統(tǒng)架構(gòu)，該虛擬機(jī)用來(lái)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(xì)節(jié)隔離開(kāi)，使上層的數(shù)字電視的服務(wù)應(yīng)用不必考慮過(guò)多的底層細(xì)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(shí)現(xiàn)過(guò)程。 

        結(jié)構(gòu)及工作原理 

        Java虛擬機(jī)工作原理  
        

    Java虛擬機(jī)處于機(jī)器和編譯程序之間，在任何平臺(tái)上都提供給編譯程序一個(gè)共同的接口。Java源程序經(jīng)過(guò)編譯器編譯后變成字節(jié)碼，字節(jié)碼由虛擬機(jī)解釋執(zhí)行，虛擬機(jī)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(jī)器上的機(jī)器碼，然后在特定的機(jī)器上運(yùn)行。 

　　Java虛擬機(jī)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(jī)包含一個(gè)類(lèi)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(lái)執(zhí)行，具體過(guò)程如圖1所示。 



        圖1　Java虛擬機(jī)的工作過(guò)程 

        Java虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)  
         

    類(lèi)裝載器的體系結(jié)構(gòu)是Java虛擬機(jī)在安全性和網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性上發(fā)揮重要作用的一個(gè)方面，圖中所示的類(lèi)裝載器可以包含多個(gè)類(lèi)裝載器的子系統(tǒng)， Java應(yīng)用程序能夠在運(yùn)行時(shí)決定需要安裝的類(lèi)，并且將被不同的類(lèi)裝載器裝載的類(lèi)存放在不同的命名空間。  

    執(zhí)行引擎處于Java虛擬機(jī)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(yùn)行經(jīng)過(guò)編譯后的Java程序的class文件) ，不同的執(zhí)行引擎實(shí)現(xiàn)可能非常不同。由軟件實(shí)現(xiàn)的虛擬機(jī)的執(zhí)行引擎分為一次性解釋字節(jié)碼、即時(shí)編譯器和自適應(yīng)優(yōu)化器，由硬件芯片構(gòu)成的虛擬機(jī)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(jī)相當(dāng)于一個(gè)堆棧計(jì)算機(jī)，它在指令間傳送信息時(shí)不使用任何物理寄存器，而使用堆棧的幀來(lái)表示方法的狀態(tài)、字節(jié)碼的操作對(duì)象、方法的參數(shù)空間及局部變量的空間，它的“程序計(jì)數(shù)器”為一個(gè)偽寄存器，是當(dāng)前所執(zhí)行指令的字節(jié)碼數(shù)組的一個(gè)指針。 

        Java實(shí)現(xiàn)方法  
        

    Java有兩種實(shí)現(xiàn)方法：Java方法和本地方法。Java方法是由Java 語(yǔ)言編寫(xiě)，編譯成字節(jié)碼，存儲(chǔ)在class文件中。本地方法是由其他語(yǔ)言(比如C，C++，或者匯編語(yǔ)言)編寫(xiě)的，編譯成和處理器相關(guān)的機(jī)器代碼，保存在動(dòng)態(tài)連接庫(kù)中，格式是各個(gè)平臺(tái)專(zhuān)有的，它是聯(lián)系Java程序和底層主機(jī)操作系統(tǒng)的連接方法。Java方法與平臺(tái)無(wú)關(guān)，但是本地方法卻不是，運(yùn)行中的Java程序調(diào)用本地方法時(shí)，虛擬機(jī)裝載包含這個(gè)本地方法的動(dòng)態(tài)庫(kù)，并調(diào)用這個(gè)方法。通過(guò)本地方法， Java程序可以直接訪問(wèn)底層操作系統(tǒng)的資源，使程序和特定的平臺(tái)相關(guān)，一個(gè)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(jī)系統(tǒng)的任何一個(gè)Java平臺(tái)上運(yùn)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(jī)是Sun公司提供的J2ME對(duì)于數(shù)字電視領(lǐng)域CDC配置，該虛擬機(jī)是針對(duì)Linux的軟件實(shí)現(xiàn)(用C語(yǔ)言編寫(xiě)的虛擬機(jī)，該虛擬機(jī)也稱(chēng)為C Virtual Machine，簡(jiǎn)稱(chēng)CVM) 。Java虛擬機(jī)規(guī)范并沒(méi)有強(qiáng)求Java虛擬機(jī)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(guò)調(diào)用本地方法和主機(jī)交互。 

            Java虛擬機(jī) 



        圖2　Java虛擬機(jī)的位置  

    虛擬機(jī)處于嵌入式操作系統(tǒng)OS20 上，因此Sun公司提供的Java虛擬機(jī)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(yǔ)言中關(guān)于基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的數(shù)據(jù)位的修改，關(guān)于線程的創(chuàng)建機(jī)制(OS20為任務(wù)) ，關(guān)于線程之間的同步、互斥，關(guān)于動(dòng)態(tài)連接的實(shí)現(xiàn)，關(guān)于本地方法的實(shí)現(xiàn)等，本節(jié)主要介紹關(guān)于本地方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 

        本地方法  
        

    解釋器處理字節(jié)碼時(shí)，與給定字節(jié)碼有關(guān)的動(dòng)作的語(yǔ)義、執(zhí)行字節(jié)碼的相關(guān)動(dòng)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(jī)解釋字節(jié)碼過(guò)程中，執(zhí)行引擎會(huì)不時(shí)遇到請(qǐng)求本地方法調(diào)用的指令，虛擬機(jī)負(fù)責(zé)試著發(fā)起這個(gè)本地方法的調(diào)用。本地方法是Java虛擬機(jī)指令集的一種可編程擴(kuò)展，運(yùn)行這個(gè)本地方法就是Java虛擬機(jī)對(duì)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(jī)的性能，加快其速度，解釋器在處理一些字節(jié)碼時(shí)調(diào)用的本地方法函數(shù)用匯編實(shí)現(xiàn)了將Java棧轉(zhuǎn)換為C棧，然后在C堆棧上實(shí)現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用。Linux下是用獨(dú)立的匯編語(yǔ)言程序invokeNative_i386。 S實(shí)現(xiàn)函數(shù)CVMjniInvokeNative () ，我們采用在C里面嵌入?yún)R編的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)該函數(shù)。  

    該函數(shù)的形參有7個(gè)，完成的主要功能是將由實(shí)參傳遞來(lái)的部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)直接或者運(yùn)算后得到本地方法的參數(shù)，然后壓入本地棧，通過(guò)匯編來(lái)實(shí)現(xiàn)本地的C函數(shù)調(diào)用。實(shí)參傳遞過(guò)來(lái)的7個(gè)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(lèi)對(duì)象標(biāo)志(class object)及用于存儲(chǔ)返回值的一個(gè)指針變量(return value) ，其中env要作為第一個(gè)本地方法的參數(shù)傳遞，并且native code也要傳遞到本地方法來(lái)實(shí)現(xiàn)本地方法的正確調(diào)用。 

        J2ME中的CDC移植  
         

    由于Linux有多個(gè)通用寄存器，在實(shí)現(xiàn)該函數(shù)的代碼中充分運(yùn)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(gè)通用寄存器Areg、Breg、Creg和1個(gè)工作指針寄存器Wptr (相當(dāng)于堆棧指針) ，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，我們用在C函數(shù)中設(shè)立局部變量來(lái)代替Linux的通用寄存器，通過(guò)手動(dòng)調(diào)整工作棧指針來(lái)實(shí)現(xiàn)本地方法的調(diào)用，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。 



 圖3　Java棧到本地棧的轉(zhuǎn)換  

    當(dāng)進(jìn)入?yún)R編函數(shù)時(shí)，工作區(qū)指針為Wptr，實(shí)參、狀態(tài)寄存器和指令指針寄存器的值全部自動(dòng)入棧，然后是我們定義的代替Linux寄存器的局部變量自動(dòng)入棧，此時(shí)的Wptr自動(dòng)移到Wptr′，利用OS20的匯編指令，手動(dòng)將實(shí)參傳遞過(guò)來(lái)的參數(shù)通過(guò)計(jì)算得到本地方法參數(shù)的個(gè)數(shù)，然后將本地方法所需的參數(shù)依次壓棧，最后再手動(dòng)調(diào)節(jié)工作區(qū)指針實(shí)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(gè)標(biāo)志位flag(0x10101010)入棧，原因有兩個(gè)：  

    ①當(dāng)隨后我們手動(dòng)調(diào)節(jié)工作指針Wptr′到Wptr"時(shí)，工作棧已由先前的嵌套匯編的函數(shù)進(jìn)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(shí)無(wú)效，也就是說(shuō)此時(shí)如果用以前實(shí)參傳遞過(guò)來(lái)的本地函數(shù)指針調(diào)用本地的函數(shù)肯定不會(huì)成功，因此要把這個(gè)函數(shù)指針先手動(dòng)保存起來(lái)。  

    ②flag的設(shè)置的原因是：本地方法的參數(shù)的個(gè)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(diǎn)時(shí)只彈出Wptr"指向的4 個(gè)單元的內(nèi)容，因此多余的參數(shù)出棧操作也必須通過(guò)調(diào)節(jié)Wptr手動(dòng)完成，通過(guò)向下移動(dòng)Wptr查找flag標(biāo)志，再調(diào)節(jié)Wp tr到Wtpr+2即可正確地回到匯編函數(shù)。當(dāng)本地方法的參數(shù)完全手動(dòng)入棧后就可以手動(dòng)調(diào)節(jié)工作區(qū)指針Wptr而進(jìn)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(lèi)型作為嵌入?yún)R編的函數(shù)的返回值，此時(shí)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(guò)對(duì)Sun公司下載的CDC代碼的修改與編寫(xiě)，對(duì)CDC中的加載的類(lèi)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(jiǎn)化程序，成功地生成了在機(jī)頂盒上可以運(yùn)行簡(jiǎn)單的Java程序的虛擬機(jī)。