Виртуальная Java-машина, байт-код, JIT-компиляция. Категории программ, написанных на языке Java

Первоначально слово “программа” означало последовательность инструкций процессора для решения какой-либо задачи. Эти инструкции являлись машинными кодами, и разницы между исходным и исполняемым кодом программы не было. Разница появилась, когда программы стали писать на языках программирования. При этом программой стали называть как текст, содержащийся в файле с исходным кодом, так и исполняемый файл.

Для устранения неоднозначности термина “программа”, исполняемый код программы принято называть приложением (application). Термин “приложение” – сокращение от фразы “приложение операционной системы”. Он означает, что исполняемый код программы может работать только под управлением соответствующей операционной системы. Работа под управлением операционной системы позволяет избежать зависимости программы от устройства конкретного варианта аппаратуры на компьютере, где она должна выполняться. Например, как автору программы, так и пользователю совершенно безразлично, как устроено устройство, с которого считывается информация – будет ли это жёсткий диск с одной, двумя или шестнадцатью считывающих головок. Или это будет CD-привод, DVD-привод или ещё какой-либо другой тип носителя. Но переносимость обычных приложений ограничивается одним типом операционных систем. Например, приложение MS Windows^® не будет работать под Linux, и наоборот. Программы, написанные на языке Java, выполняются под управлением специальной программы -виртуальной Java-машины, и поэтому обладают переносимостью на любую операционную систему, где имеется соответствующая Java-машина. Благодаря этому они являются не приложениями какой-либо операционной системы, а приложениями Java.

Программы, написанные на языке Java, представляют из себя наборы классов и сохраняются в текстовых файлах с расширением .java. (Про то, что такое классы, будет рассказано несколько позже). При компиляции текст программы переводится (транслируются) в двоичные файлы с расширением .class. Такие файлы содержат байт-код - инструкции для абстрактного Java-процессора в виде байтовых последовательностей команд этого процессора и данных к ним. Для того, чтобы байт-код был выполнен на каком-либо компьютере, он должен быть переведён в инструкции для соответствующего процессора. Именно этим и занимается Java-машина. Первоначально байт-код всегда интерпретировался: каждый раз, как встречалась какая-либо инструкция Java-процессора, она переводилась в последовательность инструкций процессора компьютера. Естественно, это значительно замедляло работу приложений Java.

В настоящее время используется более сложная схема, называемая JIT-компиляцией (Jast-In-Time) – компиляцией “по ходу дела”, “налету”. Когда какая-либо инструкция (или набор инструкций) Java-процессора выполняется в первый раз, происходит компиляция соответствующего ей байт-кода с сохранением скомпилированного кода в специальном буфере. При последующем вызове той же инструкции вместо её интерпретации происходит вызов из буфера скомпилированного кода. Поэтому интерпретация происходит только при первом вызове инструкции.

Сложные оптимизирующие JIT-компиляторы действуют ещё изощрённей. Поскольку обычно компиляция инструкции идёт гораздо дольше по сравнению с интерпретацией этой инструкции, время её выполнения в первый раз при наличии JIT-компиляции может заметно отличаться в худшую сторону по сравнению с чистой интерпретацией. Поэтому бывает выгоднее сначала запустить процесс интерпретации, а параллельно ему в фоновом режиме компилировать инструкцию. Только после окончания процесса компиляции при последующих вызовах инструкции будет исполняться её скомпилированный код. – До этого все её вызовы будут интерпретироваться. Разработанная Sun виртуальная машина HotSpot осуществляет JIT-компиляцию только тех участков байт-кода, которые критичны к времени выполнения программы. При этом по ходу работы программы происходит оптимизация скомпилированного кода.

Благодаря компиляции программ Java в платформонезависимый байт-код обеспечивается переносимость этих программ не только на уровне исходного кода, но и на уровне скомпилированных приложений. Конечно, при этом на компьютере, где выполняется приложение, должна быть установлена программа виртуальной Java-машины (Java Virtual Machine - JVM), скомпилированная в коды соответствующего процессора (native code – “родной” код). На одном и том же компьютере может быть установлено несколько Java-машин разных версий или от разных производителей. Спецификация Java-машины является открытой, точно так же, как требования к компилятору языка Java. Поэтому различные фирмы, а не только Sun, разрабатывают компиляторы Java и Java-машины.

Приложение операционной системы запускается с помощью средств операционной системы. Приложение Java, напротив, запускается с помощью виртуальной Java-машины, которая сама является приложением операционной системы. Таким образом, сначала стартует Java-машина. Она получает в качестве параметра имя файла с компилированным кодом класса. В этом классе ищется и запускается на выполнение подпрограмма с именем main.

Приложения Java обладают не только хорошей переносимостью, но и высокой скоростью работы. Однако даже при наличии JIT-компиляции они всё-таки могут выполняться медленнее, чем программы, написанные на C или C++. Это связано с тем, что JIT-компиляция создаёт не такой оптимальный код как многопроходный компилятор C/C++, который может тратить очень большое время и много ресурсов на отыскивание конструкций программы, которые можно оптимизировать. А JIT-компиляция происходит “на лету”, в условиях жёсткой ограниченности времени и ресурсов. Для решения этой проблемы были разработаны компиляторы программ Java в код конкретных программно-аппаратных платформ (native code – “родной” код). Например, свободно распространяемый фондом GNU компилятор gjc. Правда, заметные успехи Sun в усовершенствовании Java-машины позволили практически достичь, а в ряде случаев даже обогнать по быстродействию программы, написанные на других языках. В частности, приложения Java, активно занимающиеся выделением-высвобождением памяти, работают быстрее своих аналогов, написанных на C/C++, благодаря специальному механизму программных слотов памяти (slot – “паз, отверстие для вставления чего-либо”).

Виртуальная Java-машина не только исполняет байт-код (интерпретирует его, занимается JIT-компиляцией и исполняет JIT-компилированный код), но и выполняет ряд других функций. Например, взаимодействует с операционной системой, обеспечивая доступ к файлам или поддержку графики. А также обеспечивает автоматическое высвобождение памяти, занятой ненужными объектами – так называемую сборку мусора (garbage collection).

Программы Java можно разделить на несколько основных категорий:

· Приложение (application) – аналог “обычной” прикладной программы.

· Апплет (applet) – специализированная программа с ограниченными возможностями, работающая в окне WWW-документа под управлением браузера.

· Сервлет (servlet) - специализированная программа с ограниченными возможностями, работающая в WWW на стороне сервера. Используется преимущественно в рамках технологии JSP (Java Server Pages - Серверных Страниц Java) для программирования WWW-документов со стороны сервера.

· Серверное приложение (Enterprise application) – предназначено для многократного использования на стороне сервера.

· Библиотека (Java Class Library – библиотека классов, либо NetBeans Module – модуль платформы NetBeans) – предназначена для многократного использования программами Java

Между приложениями и апплетами Java имеется принципиальное различие: приложение запускается непосредственно с компьютера пользователя и имеет доступ ко всем ресурсам компьютера наравне с любыми другими программами. Апплет же загружается из WWW с постороннего сервера, причём из-за самой идеологии WWW сайт, с которого загружен апплет, в общем случае не может быть признан надёжным. А сам апплет имеет возможность передавать данные на произвольный сервер в WWW. Поэтому для того, чтобы избежать риска утечки конфиденциальной информации с компьютера пользователя или совершения враждебных действий у апплетов убраны многие возможности, имеющиеся у приложений.

Сервлеты – это приложения Java , запускаемые со стороны сервера. Они имеют возможности доступа к файловой системе и другим ресурсам сервера через набор управляющих конструкций, предопределённых в рамках технологии JSP и пакета javax.servlet. Технология JSP заключается в наличии дополнительных конструкций в HTML- или XML-документах, которые позволяют осуществлять вызовы сценариев (“скриптов”), написанных на языке Java. В результате удаётся очень просто и удобно осуществлять обработку данных или элементов документа, и внедрять в нужные места документа результаты обработки. Сценарии Java перед первым выполнением автоматически компилируются на сторо не сервера, поэтому выполняемый код выполняется достаточно быстро. Но, конечно, требует, чтобы была установлена соответствующая Java-машина. Например, входящая в состав Sun Application Server – программного обеспечения, обеспечивающего поддержку большого количества необходимых серверных возможностей для работы в WWW. Отметим, что Sun Application Server также распространяется бесплатно и входит в комплект NetBeans Enterprise Pack.

Первоначально Java позиционировался Sun как язык, обеспечивающий развитые графические возможности WWW-документов благодаря включению в них апплетов. Однако в настоящее время основными областями использования Java является прикладное программирование на основе приложений, страниц JSP и сервлетов, а также других видов серверных программ. При этом использование апплетов играет незначительную роль.

Виртуальную Java-машину часто называют исполняющей средой (Java Runtime Environment - JRE).

Существует два основных способа установки Java-машины на клиентский компьютер:

· JRE из поставки Software Development Kit (SDK) - Комплекта разработки программного обеспечения.

· Специализированный вариант JRE в составе Интернет-браузера, называющийся Java plugin.

Комплект последних версий SDK можно свободно загружать с сайта Sun http://java.sun.com/ .

При использовании апплетов требуется, чтобы в состав браузера входил специализированный комплект JRE. Как правило, он поставляется вместе с браузером, и может при необходимости обновляться. Для MS Internet Explorer такой комплект и его обновления могут быть свободно загружены с сайта Microsoft.

Имеется возможность установки Java-машины от различных производителей, не обязательно устанавливать комплект SDK от Sun. На одном и том же компьютере может быть установлено сразу несколько различных Java-машин, в том числе комплекты SDK разных версий. Правда, опыт показывает, что при этом некоторые программы, написанные на Java, теряют работоспособность (частично или полностью).

Комплекты SDK имеют классификацию, опирающуюся на версию Java (языка программирования и, соответственно, Java-машины) и тип создаваемых приложений. Так, ко времени написания данного текста выходили версии SDK 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 и 1.6. У каждой версии имеется ряд подверсий, не сопровождающихся изменением языка программирования, а связанных в основном с исправлением ошибок или внесением небольших изменений в библиотеки. Например, 1.4.1_01 или 1.5.0_04.

Версии Java 1.0 и 1.1 принято называть Java 1. Все версии Java начиная c 1.2 называют Java 2. Однако более надёжно классифицировать по номеру SDK, так как язык Java для версии SDK 1.5 очень заметно отличается по возможностям от языка Java для более ранних версий SDK – в него добавлено большое количество новых синтаксических конструкций, а также изменён ряд правил. Поэтому код, правильный в Java для версии SDK 1.5, может оказаться неправильным в Java для версии SDK 1.4. Не говоря уж про Java для версии SDK 1.3 или 1.2. Кроме того, недавно компания Sun перестала использовать в названиях комплектов программного обеспечения термин Java 2 и происходящие от него сокращения вида j2.

Комплекты разработки SDK одной версии отличаются по типу создаваемых с их помощью приложений. Имеется три типа SDK:

· Java ME – комплект Java Micro Edition (микро-издание) http://java.sun.com/j2me/, предназначенный для программирования “тонких аппаратных клиентов”. То есть устройств, обладающих малыми ресурсами - наладонных компьютеров, сотовых телефонов, микроконтроллеров, смарт-карт. Старое название J2ME.

· Java SE – комплект Java Standard Edition (стандартное издание) http://java.sun.com/j2se/, предназначенный для программирования “толстых клиентов”. То есть устройств, обладающих достаточно большими ресурсами - обычных компьютеров. Старое название J2SE.

· Java EE– комплект Java Enterprise Edition http://java.sun.com/j2ee/, предназначенный для написания серверного программного обеспечения. Старое название J2EE.

При распространении какого-либо продукта, написанного на Java, возможна установка только программного обеспечения Java-машины (JRE – Java Runtime Environment). Например, в случае использования Java 1.4.1_01 - комплекта j2re1.4.1_01. При этом создаётся папка с именем j2re1.4.1_01 с вложенными папками bin и lib. В папке bin содержатся файлы и папки, необходимые для работы Java-машины и дополнительных инструментов для работы с ней в специальных режимах. В папке lib содержатся вспомогательные файлы и библиотеки, в основном связанные с параметрами настроек системы.

Также возможна установка целиком SDK. Например, при установке SDK Java SE 1.5.0_04 создаётся папка JDK1.5.0_04 с вложенными папками bin, demo, include, jre, lib, sample, а также архивом src.zip с исходными кодами стандартных классов Java. В папке bin содержатся файлы инструментов разработки, в папке demo - файлы примеров с исходными кодами. В папке include - заголовки файлов C для доступа к ряду библиотек Java и отладчику виртуальной Java-машины на платформо-зависимом уровне - на основе интерфейсов JNI (Java Native Interface) и JVMDI (Java Virtual Machine Debugging Interface), соответственно. В папке jre находятся файлы, необходимые для работы с виртуальной Java-машиной. Папка lib содержит ряд библиотек и сопроводительных файлов, необходимых для работы инструментов из папки bin. В папке sample находятся примеры с исходными кодами.

Аббревиатура JDK расшифровывается как Java Development Kit – комплект разработки программного обеспечения на Java. К сожалению, в комплекте отсутствует даже самая простейшая документация с описанием назначения имеющихся в нём инструментов – даны ссылки на сайт компании Sun, где можно найти эту информацию. Поэтому перечислим назначение основных инструментов. Они делятся на несколько категорий.