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Auteur(s)
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Jean-Michel DOUIN : Docteur en informatique - Maître de conférences au Conservatoire national des arts et métiers (CNAM)
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Lire l’articleINTRODUCTION
La popularité du web a promu Java comme langage de programmation sur Internet. Ce succès vient principalement de l’intégration d’une machine virtuelle Java au sein de tout navigateur. Le code intermédiaire engendré par la compilation d’un code source Java est chargé et exécuté par la machine dans une fenêtre du navigateur. L’exécution du même code intermédiaire quelle que soit la plate-forme offre aux développeurs en Java une large diffusion de leurs programmes. La machine virtuelle et les librairies associées garantissent une exécution du code Java indépendante du système d’exploitation et d’une architecture matérielle. Les composantes de la machine virtuelle Java et le format du code intermédiaire permettent l’accès aux objets distants et la migration de codes à travers le réseau. Ces caractéristiques sont essentielles dans un environnement distribué et contribuent au succès actuel du langage et de la machine virtuelle. La machine est également intégrée au sein de systèmes embarqués, comme une plate-forme équipée d’un microcontrôleur avec peu de mémoire centrale.
La machine Java est un programme interprétant les instructions transmises par le réseau ou les instructions extraites d’un fichier local. Les avantages de cette solution éprouvée sont connus et multiples :
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le code est portable quelle que soit la plate-forme, car il suffit que chaque plate-forme possède un interpréteur de ce code et les librairies d’accès aux ressources de la machine hôte ;
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le code chargé peut être vérifié au chargement. La vérification du code est facilitée et primordiale dans un environnement ouvert comme Internet ;
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le code est en général plus compact. L’architecture de la machine Java est de type machine à pile, les opérandes des instructions devenues implicites engendrent une taille de code moins importante qu’une machine traditionnelle à registres.
L’inconvénient majeur réside dans le surcoût en temps d’exécution dû à cette couche logicielle supplémentaire.
L’architecture de la machine est liée aux concepts de la programmation en langage orienté objet, mais la machine reste indépendante du langage de programmation. Le seul type en entrée admis par la machine est le type du fichier compilé. Le format de ce fichier a permis des extensions conséquentes du langage Java sans aucune modification de la machine.
Cet article présente une architecture synthétique de la machine, le format du fichier compilé et le jeu d’instructions. Le format du fichier compilé est détaillé et accompagné d’un exemple concret de code source Java. Les instructions de la machine sont regroupées par famille, leur description est associée aux codes sources Java les ayant engendrées, et les opérations sur la machine virtuelle sont également proposées.
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VERSIONS
- Version courante de août 2013 par Jean-Michel DOUIN
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Classes Java2. Architecture de la machine
Les principales composantes de la machine Java (figure 2) sont le chargeur de classes, la mémoire des objets, les librairies natives et l’exécutif ou processeur virtuel. Cet exécutif est lui-même composé de l’interpréteur des instructions, de la zone du code et des données de classe et de la zone des environnements. L’implémentation de ces composantes peut être réalisée par du matériel ou du logiciel. L’architecture développée ici complète l’architecture de la machine virtuelle proposée par SUN [3].
2.1 Types de données
Le langage Java distingue les types primitifs et un type unique référence (reference ) pour les instances de classe (tableau 1). Cette distinction se retrouve dans la machine par le format des données utilisées et les instructions associées. Tous les types primitifs du langage Java, à l’exception du type boolean, sont des types primitifs de la machine virtuelle. Les types numériques sont discrets ou flottants. Les types discrets sont byte, short, int, long et char. Les types flottants sont les types float et double. Le type Java boolean est représenté dans la machine par un entier de type int ou byte, l’entier 0 est associé à la valeur false, une valeur différente de 0 correspond à la valeur true.
Les valeurs de type reference sont inaccessibles au programmeur, elles représentent les adresses en mémoire des objets. En cours d’exécution, ces adresses sont obtenues à l’allocation des objets. L’objet alloué est soit une instance de classe, soit un tableau.
Également invisible au programmeur, le type address implémente une adresse dans le code de la méthode en cours. Les valeurs de ce type sont utilisées lors de l’exécution du bloc de gestion des exceptions avec la clause finally.
L’unité de base de la mémoire de la machine virtuelle est le mot. Un mot doit être choisi afin qu’il puisse contenir une variable de type Java byte, short, int, long ou char. Deux mots sont nécessaires pour les types long et double. Une implémentation minimale de l’unité de base est un mot de 32 bit. L’implémentation du mot correspond en général à la taille d’une adresse de la machine hôte.
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