X-JVM - C++实现的Java虚拟机

作者: zhukovasky
项目名称: zhukovasky的Java虚拟机
开发语言: C++14
构建系统: CMake
支持平台: Windows, Linux, macOS

项目简介

X-JVM是一个用C++14编写的Java虚拟机实现，目标是能够解析、加载和执行Java字节码。该项目实现了JVM的核心组件，包括类文件解析、运行时环境、指令执行引擎和内存管理等功能。

项目架构

核心模块

1. 类文件解析 (classfile/)

• ClassFile: Java类文件解析器
• ConstantPools: 常量池解析
• MethodInfo/FieldInfo: 方法和字段信息解析
• AttributeInfo: 属性信息解析（支持多种属性类型）
• 支持完整的Java类文件格式规范

2. 运行时环境 (runtime/)

• ClassLoader: 类加载器，支持Bootstrap和用户类路径
• JavaThread: Java线程实现
• ThreadPool: 线程池管理
• JavaFrame: 栈帧实现
• OperandStack: 操作数栈
• LocalVariableTables: 本地变量表
• Slots: 变量槽位管理

3. 堆内存管理 (runtime/heap/)

• JavaClass: 运行时类表示
• JavaHeap: 堆内存管理
• Object: Java对象模型
• StringConstantPools: 字符串常量池
• MethodDescriptor: 方法描述符解析
• ClassMember: 类成员管理
• RuntimeConstantsPool: 运行时常量池

4. 垃圾回收 (runtime/gc/)

• GarbageCollector: 垃圾回收器框架
• GCThreadPool: GC专用线程池
• 支持标记-清除算法基础框架

5. 指令执行 (instructions/)

• InstructionFactory: 指令工厂
• 常量指令 (constants/): NOP, CONST, LDC, BIPUSH, SIPUSH等
• 加载指令 (load/): ILOAD, ALOAD等变体
• 存储指令 (store/): ISTORE, ASTORE等变体
• 算术指令 (maths/): IADD等算术运算
• 栈操作指令 (stack/): DUP等栈操作
• 控制流指令 (control/): RETURN, GOTO等
• 引用指令 (reference/): NEW, GETSTATIC, INVOKESTATIC等
• 比较指令 (comparisons/): 各种比较操作

6. 字节码解释器 (interpret/)

• Interpret: 字节码解释执行引擎
• ByteCodeReader: 字节码读取器
• 支持循环执行Java方法

7. 工具类 (utils/)

• FileUtils: 文件操作工具
• StringUtils: 字符串处理工具
• ZipUtils: ZIP文件处理（支持JAR文件）

🚀 跨平台编译和运行

系统要求

• 通用: CMake 3.12+, C++14编译器, Git
• Windows: Visual Studio 2017+ 或 MinGW
• Linux: GCC 7+ 或 Clang 6+
• macOS: Xcode 10+ 或 Homebrew GCC

依赖项

• Boost库: system, filesystem, program_options (≥1.65)
• zlib库: 用于ZIP/JAR文件处理

🖥️ Windows 编译

快速开始

# 1. 安装依赖
setup-deps.bat

# 2. 编译项目
build.bat

# 3. 运行测试
run-example.bat Hello.class

详细选项

# 批处理脚本
build.bat --debug          # Debug构建
build.bat --clean          # 清理后构建

# PowerShell脚本 (推荐)
.\build.ps1                               # Release构建
.\build.ps1 -BuildType Debug              # Debug构建
.\build.ps1 -Clean -InstallDeps           # 清理、安装依赖并构建
.\build.ps1 -Generator "MinGW Makefiles"  # 使用MinGW

手动编译 (Windows)

# 使用vcpkg安装依赖
git clone https://github.com/Microsoft/vcpkg.git
cd vcpkg && .\bootstrap-vcpkg.bat
vcpkg install boost-system boost-filesystem boost-program-options zlib --triplet x64-windows
vcpkg integrate install

# 编译项目
mkdir build && cd build
cmake .. -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=C:\vcpkg\scripts\buildsystems\vcpkg.cmake
cmake --build . --config Release

🐧 Linux 编译

快速开始

# 给脚本添加执行权限
chmod +x build.sh

# 1. 安装依赖并编译
./build.sh -i

# 2. 或者分步骤
./build.sh -i        # 仅安装依赖
./build.sh           # 编译项目

详细选项

./build.sh -h                    # 显示帮助
./build.sh -t Debug              # Debug构建
./build.sh -c -t Release         # 清理后Release构建
./build.sh -g Ninja -j 8         # 使用Ninja构建器，8个并行任务
./build.sh -v                    # 详细输出

手动编译 (Linux)

# Ubuntu/Debian
sudo apt update
sudo apt install -y libboost-all-dev zlib1g-dev cmake build-essential

# CentOS/RHEL
sudo yum install -y boost-devel zlib-devel cmake gcc-c++ make

# Fedora
sudo dnf install -y boost-devel zlib-devel cmake gcc-c++ make

# Arch Linux
sudo pacman -S boost zlib cmake gcc make

# 编译项目
mkdir build && cd build
cmake .. -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
cmake --build . -j$(nproc)

🍎 macOS 编译

快速开始

# 给脚本添加执行权限
chmod +x build.sh

# 1. 安装依赖并编译
./build.sh -i

# 2. 或者使用Homebrew手动安装
brew install boost zlib cmake
./build.sh

手动编译 (macOS)

# 安装Homebrew (如果没有)
/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"

# 安装依赖
brew install boost zlib cmake

# 编译项目
mkdir build && cd build
cmake .. -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
cmake --build . -j$(sysctl -n hw.ncpu)

🔧 CMake 配置选项

本项目的CMakeLists.txt已经过跨平台优化，支持以下特性：

• 自动平台检测: 自动检测Windows/Linux/macOS并应用相应配置
• 智能依赖查找: 优先使用系统库，回退到内置库
• 编译器适配: 自动适配MSVC/GCC/Clang编译器
• 多构建类型: Release/Debug/RelWithDebInfo/MinSizeRel
• 并行构建: 自动检测CPU核心数
• IDE集成: 支持Visual Studio和Xcode项目生成

高级构建选项

# 使用特定生成器
cmake .. -G "Visual Studio 16 2019"  # Windows
cmake .. -G "Xcode"                   # macOS
cmake .. -G "Ninja"                   # 跨平台

# 指定构建类型
cmake .. -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug

# 指定安装路径
cmake .. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local

# 使用特定的Boost版本
cmake .. -DBOOST_ROOT=/path/to/boost

运行方式

# Linux/macOS
./jvm --xjre /path/to/jre --classpath . --javaclass Hello.class

# Windows
jvm.exe --xjre "C:\Program Files\Java\jdk-11\jre" --classpath . --javaclass Hello.class

参数说明

• --xjre: JRE主目录路径
• --classpath: 用户类路径
• --javaclass: 要执行的Java类文件名（必须以.class结尾）
• --help: 显示帮助信息

🔧 故障排除

常见问题:

1. CMake找不到Boost库:

   • Windows: 使用vcpkg或设置BOOST_ROOT环境变量
   • Linux: 安装libboost-all-dev或boost-devel
   • macOS: 运行brew install boost

2. 编译器错误:

   • 确保C++14兼容编译器（GCC 7+, Clang 6+, MSVC 2017+）
   • 检查PATH环境变量

3. zlib未找到:

   • 项目包含内置zlib，通常会自动回退使用
   • 手动安装：apt install zlib1g-dev (Ubuntu) 或 brew install zlib (macOS)

4. 权限问题 (Linux/macOS):

   chmod +x build.sh

支持的JVM特性

✅ 已实现功能

1. 类文件解析: 完整支持Java类文件格式
2. 常量池解析: 支持所有常量池项类型
3. 类加载: 支持Bootstrap类路径和用户类路径
4. 基础指令: 支持常见的JVM指令（约50+条）
5. 栈帧管理: 完整的栈帧、操作数栈、本地变量表实现
6. 方法调用: 支持静态方法调用
7. 对象创建: 基础的对象实例化
8. 内存管理: 基础堆内存分配
9. 多线程: 线程池和Java线程抽象

🚧 部分实现功能

1. 垃圾回收: 框架已搭建，具体算法待实现
2. 异常处理: 异常框架存在，处理逻辑不完整
3. 本地方法: 接口定义完成，具体实现待补充

项目特色

1. 现代C++: 使用C++14标准，充分利用现代C++特性
2. 跨平台设计: 原生支持Windows、Linux、macOS三大平台
3. 模块化架构: 清晰的模块划分，便于理解和维护
4. 智能构建: 自动检测依赖和平台配置
5. 多编译器支持: 支持MSVC、GCC、Clang
6. 自动化脚本: 提供完整的构建和部署脚本
7. 标准兼容: 严格按照JVM规范实现

开发状态

这是一个学习型项目，主要用于理解JVM内部工作原理。目前可以执行简单的Java程序，但还不是一个完整的生产级JVM。

完成度约45% - 适合学习JVM内部机制的参考项目

许可证

LICENSE文件

贡献

欢迎提交Issue和Pull Request来改进这个项目。

支持的平台和工具链：

• Windows: Visual Studio, MinGW, CLion
• Linux: GCC, Clang, Qt Creator, CLion
• macOS: Xcode, GCC (Homebrew), CLion

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注意: 这是一个教育性质的JVM实现，主要用于学习JVM内部机制，不建议用于生产环境。