بايت كود JVM

بايت كود JVM هو بنية مجموعة التعليمات (ISA) لآلة جافا الافتراضية (JVM)، وهي اللغة التي تُترجم إليها جافا وغيرها من التعليمات البرمجية المتوافقة مع JVM . ^{[ 1 ]} تُمثل كل تعليمة ببايت واحد ، ومن هنا جاء اسم بايت كود ، مما يجعله شكلاً مضغوطاً للبيانات . ^{[ 2 ]}

نظراً لطبيعة الآلات الافتراضية والرمز البايتي، يمكن تشغيل برنامج JVM bytecode على أي جهاز مزود بـ JVM متوافق، دون الحاجة إلى عملية التجميع الطويلة من التعليمات البرمجية المصدرية.

يتم استخدام بايت كود JVM في وقت التشغيل إما عن طريق تفسيره بواسطة JVM أو عن طريق تجميعه إلى كود الآلة من خلال التجميع في الوقت المناسب (JIT) وتشغيله كتطبيق أصلي.

بما أن بايت كود JVM مصمم لتحقيق التوافق والأمان بين البرامج عبر المنصات المختلفة، فإن تطبيق بايت كود JVM يميل إلى العمل بشكل متسق عبر مختلف تكوينات الأجهزة والبرامج . ^{[ 3 ]}

بشكل عام، لا يحتاج مبرمج جافا إلى فهم بايت كود JVM أو حتى الإلمام به. مع ذلك، وكما ورد في مجلة IBM developerWorks، فإن "فهم بايت كود وما يُحتمل أن يُولّده مُصرّف جافا يُفيد مبرمج جافا بنفس الطريقة التي تُفيد بها معرفة لغة التجميع مبرمج C أو C++ ". ^{[ 4 ]}

تتضمن الشفرة الوسيطة أنواعًا مختلفة من التعليمات، بما في ذلك معالجة البيانات، ونقل التحكم، وإنشاء الكائنات ومعالجتها، واستدعاء الأساليب، وكلها جزء لا يتجزأ من نموذج البرمجة الكائنية التوجه في جافا . ^{[ 1 ]}

تُعدّ آلة جافا الافتراضية (JVM) آلة مكدس وآلة مسجلات في آنٍ واحد . يحتوي كل إطار لاستدعاء دالة على "مكدس معاملات" ومصفوفة من "المتغيرات المحلية". ^{[ 5 ] : 2.6 [ 2 ]} يُستخدم مكدس المعاملات لتمرير المعاملات إلى العمليات الحسابية ولاستقبال القيمة المُعادة من الدالة المُستدعاة، بينما تؤدي المتغيرات المحلية نفس وظيفة المسجلات وتُستخدم أيضًا لتمرير وسائط الدوال. يُعدّ الحد الأقصى لحجم مكدس المعاملات ومصفوفة المتغيرات المحلية، الذي يحسبه المُصرّف، جزءًا من خصائص كل دالة. ^{[ 5 ] : 4.7.3} يمكن تحديد حجم كل منها بشكل مستقل من 0 إلى 65535 قيمة، حيث يبلغ طول كل قيمة 32 بت. longأما doubleأنواع البيانات الأخرى، التي يبلغ طولها 64 بت، فتشغل متغيرين محليين متتاليين ^{[ 5 ] : 2.6.1} (لا يشترط أن يكونا مُحاذيين لـ 64 بت في مصفوفة المتغيرات المحلية) أو قيمة واحدة في مكدس المعاملات (لكنهما يُحسبان كوحدتين في عمق المكدس). ^{[ 5 ] : 2.6.2}

انظر إلى كود جافا التالي:

في الحلقة الخارجية : for ( int i = 2 ; i < 1000 ; i ++ ) { for ( int j = 2 ; j < i ; j ++ ) { if ( i % j == 0 ) continue outer ; } System.out.println ( i ) ; }​

قد يقوم مترجم جافا بترجمة كود جافا أعلاه إلى بايت كود على النحو التالي، بافتراض أن ما سبق قد تم وضعه في دالة:

0 : iconst_2 1 : istore_1 2 : iload_1 3 : sipush 1000 6 : if_icmpge 44 9 : iconst_2 10 : istore_2 11 : iload_2 12 : iload_1 13 : if_icmpge 31 16 : iload_1 17 : iload_2 18 : irem 19 : ifne 25 22 : goto 38 25 : iinc 2, 1 28 : goto 11 31 : getstatic #84; // Field java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream; 34 : iload_1 35 : invokevirtual #85 ; // الطريقة java/io/PrintStream.println:(I)V 38 : iinc 1, 1 41 : goto 2 44 : return

تُعدّ لغة جافا اللغة الأكثر شيوعًا التي تستهدف آلة جافا الافتراضية من خلال إنتاج بايت كود JVM. في البداية، كان هناك مُصرّف واحد فقط، وهو مُصرّف javac من شركة صن مايكروسيستمز ، الذي يُصرّف شيفرة جافا المصدرية إلى بايت كود JVM؛ ولكن نظرًا لتوفّر جميع مواصفات بايت كود JVM الآن، فقد وفّرت جهات أخرى مُصرّفات تُنتج بايت كود JVM. ومن أمثلة هذه المُصرّفات:

• مُترجم Eclipse للغة Java (ECJ)
• Jikes ، يقوم بالترجمة من لغة جافا إلى بايت كود JVM (تم تطويره بواسطة IBM ، وتم تنفيذه بلغة C++ )
• يقوم برنامج Espresso بتحويل الكود من لغة Java إلى بايت كود JVM (Java 1.0 فقط)
• يقوم برنامج GNU Compiler for Java (GCJ) بالترجمة من Java إلى بايت كود JVM؛ ويمكنه أيضًا الترجمة إلى كود الآلة الأصلي وكان جزءًا من مجموعة GNU Compiler Collection (GCC) حتى الإصدار 6.

تُوفّر بعض المشاريع مُجمّعات جافا لتمكين كتابة بايت كود JVM يدويًا. كما يُمكن توليد كود التجميع بواسطة الآلة، على سبيل المثال بواسطة مُترجم يستهدف آلة جافا الافتراضية. ومن أبرز مُجمّعات جافا ما يلي:

• Jasmin ، تأخذ أوصافًا نصية لفئات Java، مكتوبة بصيغة بسيطة تشبه لغة التجميع باستخدام مجموعة تعليمات الآلة الافتراضية Java، وتنشئ ملف فئة Java ^{[ 6 ].}
• جامايكا، لغة تجميع ماكرو لآلة جافا الافتراضية. يُستخدم بناء جملة جافا لتعريف الفئات أو الواجهات. يتم تحديد أجسام الأساليب باستخدام تعليمات بايت كود. ^{[ 7 ]}
• تحتوي أدوات Krakatau Bytecode حاليًا على ثلاث أدوات: أداة فك تجميع وتفكيك لملفات فئات Java وأداة تجميع لإنشاء ملفات الفئات. ^{[ 8 ]}
• ليلاك، وهو برنامج تجميع وتفكيك لآلة جافا الافتراضية. ^{[ 9 ]}

وقد قام آخرون بتطوير مترجمات للغات برمجة مختلفة، تستهدف آلة جافا الافتراضية، مثل:

• كولد فيوجن
• JRuby و Jython ، لغتان برمجيتان مبنيتان على Ruby و Python
• أباتشي جروفي ، لغة برمجة عامة الأغراض ديناميكية ذات كتابة اختيارية، مع إمكانيات الكتابة الثابتة والترجمة الثابتة
• سكالا ، لغة برمجة عامة الأغراض آمنة من حيث النوع، تدعم البرمجة الكائنية والبرمجة الوظيفية
• JGNAT و AppletMagic، يقومان بالترجمة من لغة Ada إلى بايت كود JVM
• مترجمات لغة C إلى بايت كود جافا
• كلوجر ، لغة برمجة وظيفية، غير قابلة للتغيير، وعامة الأغراض، تنتمي إلى عائلة لغات ليسب، مع تركيز قوي على التزامن.
• كاوا ، وهي تطبيق للغة سكيم ، وهي أيضاً لهجة من لغة ليسب.
• MIDletPascal
• يتم تجميع كود JavaFX Script إلى بايت كود JVM
• كوتلن ، لغة برمجة عامة الأغراض ذات كتابة ثابتة مع استنتاج الأنواع
• يتم تجميع كود المصدر الخاص بلغة Object Pascal إلى بايت كود JVM باستخدام مُجمِّع Free Pascal 3.0+. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

تتوفر اليوم العديد من آلات جافا الافتراضية لتنفيذ بايت كود JVM، سواءً المجانية منها أو التجارية. إذا كان تنفيذ البايت كود في آلة افتراضية غير مرغوب فيه، فيمكن للمطور ترجمة كود جافا المصدر أو البايت كود مباشرةً إلى كود الآلة الأصلي باستخدام أدوات مثل مُترجم GNU لجافا (GCJ). بعض المعالجات قادرة على تنفيذ بايت كود JVM بشكل أصلي، وتُسمى هذه المعالجات بمعالجات جافا .

توفر آلة جافا الافتراضية بعض الدعم للغات ذات الكتابة الديناميكية . معظم مجموعة تعليمات آلة جافا الافتراضية الحالية ذات كتابة ثابتة - بمعنى أن توقيعات استدعاءات الدوال يتم التحقق من نوعها في وقت الترجمة ، دون وجود آلية لتأجيل هذا القرار إلى وقت التشغيل ، أو لاختيار إرسال الدالة بطريقة بديلة. ^{[ 12 ]}

أضاف طلب مواصفات جافا ( JSR ) 292 ( دعم اللغات ذات الكتابة الديناميكية على منصة جافا ) ^{[ 13 ]} تعليمة جديدة invokedynamicعلى مستوى آلة جافا الافتراضية (JVM)، للسماح باستدعاء الدوال بالاعتماد على التحقق الديناميكي من النوع (بدلاً من التعليمة الحالية التي تعتمد على التحقق الثابت من النوع invokevirtual). آلة دافنشي هي نموذج أولي لتنفيذ آلة افتراضية تستضيف امتدادات JVM التي تهدف إلى دعم اللغات الديناميكية. جميع آلات جافا الافتراضية التي تدعم منصة جافا، الإصدار القياسي (JSE) 7 تتضمن أيضًا invokedynamicرمز العملية.

• مكتبة هندسة رمز البايت
• لغة الوسيط المشتركة (CIL)، وهي منافسة مايكروسوفت لرمز بايت JVM
• أدوات نقل جافا إلى الإصدارات السابقة
• ملف فئة جافا
• آلة جافا الافتراضية
• جيستيك
• ObjectWeb ASM
• قائمة تعليمات بايت كود JVM
• قائمة لغات JVM

• مواصفات آلة جافا الافتراضية من أوراكل
• لغات البرمجة لآلة جافا الافتراضية
• برنامج Bytecode Visualizer - عارض ومصحح أخطاء لرمز البايت (إضافة مجانية لبرنامج Eclipse)
• AdaptJ StackTrace – تصحيح الأخطاء على مستوى البايت كود مع تحكم كامل في المكدس والمتغيرات المحلية وتدفق التنفيذ
• أداة فك ضغط فئات جافا - إضافة لبرنامج Total Commander، تتيح فتح ملفات الفئات كملفات مضغوطة وعرض الحقول والأساليب كملفات. يمكن عرض رمز البايت كنص باستخدام F3