Algorytmika Inżynieria oprogramowania Programowanie Programowanie webowe

Java, Kotlin, Scala – co łączy te trzy języki programowania? Rzecz o ekosystemie JVMa

Mateusz M. 28/02/2019

🕑 9 minuty czytania

No cześć,

na swojej ścieżce „kariery” zawodowej miałem przyjemność poznać sporo technologii. Chociaż, jakby się zastanowić, to słowo „poznać” jest lekkim nadużyciem, lepszym słowem byłoby „dotknąć” – tak czy siak, drepcząc radośnie ową ścieżką, miałem przyjemność przez jakiś czas spacerować w towarzystwie Javy. Dziś więc trochę o niej i o językach które maja z Javą pewną cechę wspólną.

Żeby zrozumieć to co chcę pokazać, muszę się trochę cofnąć względem głównego tematu. No więc zacznijmy od pre-początku:)

Jak uruchamiane są programy Javowe?

W pewnym uproszczeniu wygląda to tak:

I co, wygląda to trochę inaczej niż włączenie IntelliJ’a, napisanie programu i kliknięcie zielonego przycisku, który jeszcze jakiś czas temu kojarzył się ze słowem „play”, nie?

Wszystko zaczynam się podobnie jak w IDE – od napisania programu i zapisaniu go do pliku *.java. Gdy plik ten jest gotowy to kompilator javy (javac) przygotuje dla nas plik wynikowy *.class.

Plik ten jest natomiast przekazywany do JVM’a (Java Virtual Machine) czyli maszyny wirtualnej Javy. Tam przebiega proces interpretacji, wspomagany technologią JIT, dzięki któremu do procesora trafia nasz program, już w formie zrozumiałej dla procesora a więc, na najniższym poziomie abstrakcji, w formie kodu maszynowego.

Czym jest plik *.class

Zatrzymajmy się na chwilę przy plikach *.class – pliki te to binarny zapis kodu pośredniego – kodu który jest pomiędzy tym co My piszemy w Javie i tym, co procesor dostaje do przetworzenia. Pisząc „pomiędzy” mam na myśli że jest to taki półprodukt procesu uruchamiania programu Javowego.

Takie rozwiązanie pozwala Javie na to by programy pisane w niej były kompilowane raz a skompilowany kod był przenośmy pomiędzy systemami i architekturami. Jest to efekt tego że po prostu ten kod nie ma prawa działać na żadnym procesorze. Więc nie musi być JESZCZE zgodny z docelową architekturą.

By skompilowany kod uruchomić, potrzebujemy zainstalować JRE – Java Runtime Environment – czyli zestaw narzędzi niezbędnych do obsługi programów napisanych w Javie. Jednym ze składowych tego zestawu jest właśnie JVM.

JRE jest niewystarczające jeśli chcemy tworzyć programy w Javie – żeby móc to robić należy zainstalować JDK – Java Development Kit który zawiera już w sobie JRE. I ma to oczywiście logiczny sens.

Jak wygląda kod pośredni?

Bytecode, bo i tak się mówi na kod pośredni, możemy sobie wygenerować. Napiszmy prosty program w Javie:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

package pl.flomedia;

public class Main {

public static void main(String[] args) {
int a = 15;
int b = 20;

int sum = a + b;

System.out.println(sum);
}
}

Nooo, wzbiliśmy się tu na wyżyny umiejętności co najmniej kilkuletniego seniora :)

Wynik tego kunsztu developerskiego to oczywiście 35.

No i teraz w konsoli pierw generujemy plik *.class:

javac pl/flomedia/Main.java

oczywiście z folderu przed namespace’em. I teraz na pliku Main.class użyjemy deassemblera:

javap -v pl/flomedia/Main.class > bytecode.s

co spowoduje przekierowanie standardowego wyjścia polecenia javap do pliku bytecode.s który dla wyżej napisanego programu wygląda tak:

Classfile /home/mmazurek/IdeaProjects/Blaog1/src/pl/flomedia/Main.class
  Last modified 2019-02-26; size 412 bytes
  MD5 checksum 4e6b585d05de2b6be8767a63d8ac08e3
  Compiled from "Main.java"
public class pl.flomedia.Main
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #5.#14         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #15.#16        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Methodref          #17.#18        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #4 = Class              #19            // pl/flomedia/Main
   #5 = Class              #20            // java/lang/Object
   #6 = Utf8               <init>
   #7 = Utf8               ()V
   #8 = Utf8               Code
   #9 = Utf8               LineNumberTable
  #10 = Utf8               main
  #11 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #12 = Utf8               SourceFile
  #13 = Utf8               Main.java
  #14 = NameAndType        #6:#7          // "<init>":()V
  #15 = Class              #21            // java/lang/System
  #16 = NameAndType        #22:#23        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Class              #24            // java/io/PrintStream
  #18 = NameAndType        #25:#26        // println:(I)V
  #19 = Utf8               pl/flomedia/Main
  #20 = Utf8               java/lang/Object
  #21 = Utf8               java/lang/System
  #22 = Utf8               out
  #23 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #24 = Utf8               java/io/PrintStream
  #25 = Utf8               println
  #26 = Utf8               (I)V
{
  public pl.flomedia.Main();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        15
         2: istore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        13: iload_3
        14: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        17: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 3
        line 9: 6
        line 11: 10
        line 12: 17
}
SourceFile: "Main.java"

Pierwsze 5 linijek jest pewnie jasnych, dalej mamy:

  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

Co oznacza wersję Javy i może przyjmować wartości

Java SE 10 = 54 (0x36 hex)
Java SE 9 = 53 (0x35 hex)
Java SE 8 = 52 (0x34 hex)
Java SE 7 = 51 (0x33 hex)
Java SE 6.0 = 50 (0x32 hex)

a mniejsze numery to oczywiście – wcześniejsze wersje Javy. Flagi to po prostu flagi jakie są używane w tej klasie.

Dalej mamy Constant Pool – czyli sekcję która przechowuje informacje o stałych używanych w programie a niże to już czysty bytecode:

{
  public pl.flomedia.Main();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        15
         2: istore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        13: iload_3
        14: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        17: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 3
        line 9: 6
        line 11: 10
        line 12: 17
}

Zanim sobie w niego zerkniemy, czuję że warto przypomnieć jak działa struktura danych zwana stosem.

Stos to bufor „pracujący w trybie” Last In, First Out – czyli ten element który ostatnio został odłożony, zostanie jako pierwszy pobrany. Trochę jak ze stosem książek – żeby dobrać się do którejś, trzeba zdjąć wszystkie które są na niej.

Z ciekawostek to warto wspomnieć o tym że logo stackoverflow przedstawia stos

który się po prostu przepełnił;)

Czekaj, stop!

Podoba Ci się to co tworzę? Jeśli tak to zapraszam Cię do zapisania się na newsletter:

a w ramach prezentu otrzymasz całkowicie za darmo, dwa dokumenty PDF „6 (nie zawsze oczywistych) błędów popełnianych podczas nauki programowania” który jest jednym z efektów ponad siedmioletniej pracy i obserwacji rozwoju niejednego programisty oraz „Wstęp do testowania w Pythonie”, będący wprowadzeniem do biblioteki PyTest.
Jeśli to Cię interesuje to zapraszam również na swoje social media.

Jak i do ewentualnego postawienia mi kawy :)

Ale wracając do kodu pośredniego – zerknijmy na niego sobie.

public pl.flomedia.Main();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0

czyli konstruktor klasy Main który robi tylko tyle że woła konstruktor klasy Object. Dalej mamy naszego main’a:

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        15
         2: istore_1
         3: bipush        20
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        13: iload_3
        14: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        17: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 3
        line 9: 6
        line 11: 10
        line 12: 17

I kawałek z kodem wraz z tłumaczeniem:

0: bipush        15 // odłóż na stos liczbę 15
2: istore_1 // weź wartość ze stosu (15) i zapisz do zmiennej nr 1
3: bipush        20 // odłóż na stos liczbę 20
5: istore_2 // weź wartość ze stosu (20) i zapisz do zmiennej nr 2
6: iload_1 // weź wartość zmiennej nr 1 i odłóż na stos
7: iload_2 // weź wartość zmiennej nr 2 i odłóż na stos
8: iadd // dodaj dwie wartości z wierzchołka stosu i umieść na nim wynik
9: istore_3 // zapisz do zmiennej nr 3 wartość z wierzchołka stosu
10: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; - odłóż ten obiekt na stos
13: iload_3 // odłóż wartość zmiennej nr 3 (35) na stos
14: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V - wykonaj metodę a jako argument weź element ze stosu
17: return // zakończ

Czym jest wcześniej wspomniany JIT?

Ten temat jest akurat mega ciekawy.

Jak już wcześniej sobie powiedzieliśmy – etap pomiędzy plikiem *.class a działającym kodem jest realizowany za pomocą techniki zwanej interpretacją, która jest wspomagana technologią JIT.

Interpretacja to mechanizm w którym nasz kod jest wykonywany linijka po linijce, sposób ten jest z definicji wolniejszy od kompilacji, co dało pole do popisu w kwestii optymalizacji.

No i taką właśnie optymalizacją jest JIT (just-in-time compiler).

JIT to pomysł na kompilację fragmentów kodu które są często wykonywane.

W celu wyboru którą metodą warto skompilować, nasz kod, podczas wykonywania jest na bieżąco analizowany i to właśnie statystyka naszego kodu odpowiada którego jest miejsca są „gorące” – czyli często używane i te stara się kompilować.

Ale to dopiero czubek góry! Ponieważ JIT nie tylko kompiluje fragmenty ale przed kompilacją je optymalizuje co daje w efekcie turbo ciekawe efekty. Ale bez pustego gadania, zerknijmy na przykład:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

public class Main {

public static void checkValidation(Object o){
if (o == null){
System.out.println("Object is NOT valid!");
}
}

public void checkRules(){
checkValidation(this);
}

public static void main(String[] args) {
Main m = new Main();
m.checkRules();
}
}

Sądzę że w przypadku tego kodu, wnikliwy obserwator, łatwo zauważy że coś tu jest bez sensu, ale zostawmy to na razie, przyjrzyjmy się bliżej temu kawałkowi

1
2
3
4
5
6
7
8
9

public static void checkValidation(Object o){
if (o == null){
System.out.println("Object is NOT valid!");
}
}

public void checkRules(){
checkValidation(this);
}

JIT analizując sobie nasz kod uznał że metodę checkRules trzeba skompilować. Przed tym jednak zaczął ją optymalizować.

Pierwszą, podstawową optymalizacją jest „zagnieżdżanie metod” czyli inline’ing i polega on na zastępowaniu wywołania metody jej ciałem, oczywiście tam gdzie można. I tu efekt jest taki:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

public static void checkValidation(Object o){
if (o == null){
System.out.println("Object is NOT valid!");
}
}

public void checkRules(){
if (this == null){
System.out.println("Object is NOT valid!");
}
}

Po prostu wywołanie zamieniliśmy na definicję i w warunku podmieniliśmy parametr na this’a.

Kolejna optymalizacja sprawdzi nam warunek – skoro porównujemy this’a z nullem to przecież to nigdy nie może być prawdą, więc zachodzi optymalizacja i kod wygląda tak:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

public static void checkValidation(Object o){
if (o == null){
System.out.println("Object is NOT valid!");
}
}

public void checkRules(){
if (false){
System.out.println("Object is NOT valid!");
}
}

No jak się domyślacie, teraz wejdzie optymalizacja usuwająca martwy kod, czyli taki który nigdy się nie wykona. Łatwo zobaczyć jaki będzie jej efekt na powyższym kodzie. Ale dla porządku, zerknijcie:

1
2
3
4
5
6
7

public static void checkValidation(Object o){
if (o == null){
System.out.println("Object is NOT valid!");
}
}

public void checkRules(){ }

Przyznaj proszę że niesamowite:)

Po więcej informacji zapraszam do wystąpienia Jarka:

Java, Kotlin, Scala – co je w końcu łączy?

No, wstęp był długi, ale za to jaki wartościowy!

No więc skoro to plik *.class są plikami które efektywnie są uruchamiane przez JVMa, to co stoi na przeszkodzie by to nie Java była językiem wyjściowym?

Z dokładnie tego samego pomysłu wyszli twórcy Kotlina i Scali. Ale żebym nie był gołosłowny, pobawmy się w poliglotę i napiszmy ten sam program dodający liczby w tych językach.

Kotlin pierwszy:

1
2
3
4
5
6
7
8

fun main(args: Array<String>){
val a:Int = 20
val b:Int = 15

val sum:Int = a + b

println(sum)
}

i w IntelliJ’u klikamy sobie w Tools -> Kotlin -> Show Bytecode i naszym oczom ukazuje się


1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
    LINENUMBER 3 L1

    BIPUSH 20

    ISTORE 1

   L2

    LINENUMBER 4 L2

    BIPUSH 15

    ISTORE 2

   L3

    LINENUMBER 6 L3

    ILOAD 1

    ILOAD 2

    IADD

    ISTORE 3

   L4

    LINENUMBER 8 L4

   L5

    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;

    ILOAD 3

    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (I)V

   L6

   L7

    LINENUMBER 9 L7

    RETURN

   L8

Co jest dokładnie tym samym co w Javie! Ha!

Lecimy ze Scalą:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

object Main {
def main(args: Array[String]): Unit = {
var a: Int = 20
var b: Int = 15

var sum: Int = a + b

println(sum)

}
}

i jego kod pośredni:


1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
    BIPUSH 20

    ISTORE 2

    BIPUSH 15

    ISTORE 3

    ILOAD 2

    ILOAD 3

    IADD

    ISTORE 4

    GETSTATIC scala/Predef$.MODULE$ : Lscala/Predef$;

    ILOAD 4

    INVOKESTATIC scala/runtime/BoxesRunTime.boxToInteger (I)Ljava/lang/Integer;

    INVOKEVIRTUAL scala/Predef$.println (Ljava/lang/Object;)V

    RETURN

    MAXSTACK = 2

    MAXLOCALS = 5

Tu już trochę ten kod się różni od Kotlina i Javy, chociażby tym że Kotlin korzysta z println’a Javowego a Scala nie, ale nie przeszkadza to w odnalezienie fragmentu bytecode’u podobnego do tego z Javy/Kotlina.

Do brzegu

Pisząc ten wpis chciałem pokazać przede wszystkim jak fajnym a jednocześnie jak bardzo skomplikowanym rozwiązaniem jest JVM a sam fakt że powstają języki oparte o tę technologię tylko to potwierdza.

Dzięki za wizytę,
Mateusz Mazurek

mmazurek.dev

Podsumowanie lutego już gotowe. Zapraszam! 😄

Cześć! Na blogu pojawił się nowy artykuł 😄

Na bloga wleciało podsumowanie stycznia 😄 Zapr

Na blogu pojawił się nowy artykuł 😄 tym raze

Obserwuj na Instagramie

A może wolisz nowości na mail?

Podobne artykuły:

Otagowano:java jit jvm kotlin programmig programowanie scala

Subskrybuj

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.

6 komentarzy

Inline Feedbacks

View all comments

Łukasz

5 lat temu

Bardzo fajny artykuł, od dłuższego czasu obserwuję Twój blog i można dowiedzieć się wiele ciekawych rzeczy ;) Pozdrawiam :)

Odpowiedz

Mateusz M.

Autor

Reply to Łukasz

5 lat temu

Dzięki ogromne za krzepiące słowa! :) To wiele znaczy, serio:)

Odpowiedz

Mateusz Mazurek – programista z pasją

Mateusz Mazurek – programista z pasją

Java, Kotlin, Scala – co łączy te trzy języki programowania? Rzecz o ekosystemie JVMa

Jak uruchamiane są programy Javowe?

Czym jest plik *.class

Jak wygląda kod pośredni?

Czekaj, stop!

Czym jest wcześniej wspomniany JIT?

Java, Kotlin, Scala – co je w końcu łączy?

Do brzegu

mmazurek.dev

A może wolisz nowości na mail?

Podobne artykuły:

Cześć

Szukaj

Serie artykułów

Zadbaj aby nic Ci nie uciekło

Czytam aktualnie

Przeczytane książki

Halo, halo, czekaj chwilę, nie zamykaj!

„6(nie zawsze oczywistych) błędów popełnianych podczas nauki programowania”

„Wstęp do testowania w Pythonie”

Java, Kotlin, Scala – co łączy te trzy języki programowania? Rzecz o ekosystemie JVMa

Jak uruchamiane są programy Javowe?

Czym jest plik *.class

Jak wygląda kod pośredni?

Czekaj, stop!

Czym jest wcześniej wspomniany JIT?

Java, Kotlin, Scala – co je w końcu łączy?

Do brzegu

mmazurek.dev

A może wolisz nowości na mail?

Podobne artykuły:

Cześć

Szukaj

Serie artykułów

Zadbaj aby nic Ci nie uciekło

Czytam aktualnie

Przeczytane książki

Kategorie

Halo, halo, czekaj chwilę, nie zamykaj!

„6(nie zawsze oczywistych) błędów popełnianych podczas nauki programowania”

„Wstęp do testowania w Pythonie”