一、前言

几年前，接到一个开发任务：用Java开发能运行Java智能合约的虚拟机。在开发Java智能合约时，只能使用智能合约SDK提供的类和一些Java常用类（8种基本数据类型包装类；String、BigInteger、BigDecimal、List、Map、Set 相关的类）。

完整的Java智能合约虚拟机比较复杂，且要保存Java智能合约状态。 这篇文章仅介绍一个简单JVM实现，支持少量字节码。 参考 Java 虚拟机规范（Java SE 8），里面写到：要正确实现 Java 虚拟机，只需能够读取class文件格式并正确执行其中指定的操作。为了简化实现，使用了 ASM解析class文件 。

二、使用ASM解析class文件

使用 ASM Tree API 解析class文件，获得一个 ClassNode 对象，里面包含 class 文件的各种信息。要运行class定义的方法，先在ClassNode中找到这个方法（MethodNode包含方法的各种信息），然后执行方法的指令集。MethodNode.instructions 是这个方法的指令集，遍历指令集，执行每个指令，只要正确执行了指令，方法就能完成运行。

三、实现JVM运行时数据区

要正确执行指令，先要了解JVM结构，参考 Java虚拟机规范第二章（JVM结构），里面介绍了JVM运行时数据区，定义了在程序执行期间使用的各种运行时数据区，如图所示：

下面简要介绍各种运行时数据区，详细信息查看 Java虚拟机规范第二章（JVM结构），根据这些信息，可以简单实现各种运行时数据区。

3.1 程序计数器

Java 虚拟机可以同时支持多个执行线程。每个线程都有自己的程序计数器。程序计数器包含当前线程正在执行的 Java 虚拟机指令的地址。

程序计数器最主要作用就是包含当前指令，程序计数器简单实现如下：

3.2 虚拟机栈

每个 Java 虚拟机线程都有一个Java 虚拟机栈。虚拟机栈存储栈帧，推入和弹出栈帧。

虚拟机栈就是一个保存栈帧的栈，实现如下：

3.2.1 栈帧

每次调用方法时都会创建一个栈帧，每个栈帧都有自己的局部变量数组和操作数栈，局部变量数组和操作数栈的大小在编译时确定。

新栈帧推入虚拟机栈，虚拟机栈的栈顶栈帧是当前正在执行的活动栈帧，称为当前栈帧，其方法称为当前方法，定义当前方法的类是当前类。 在方法返回时，当前栈帧将其方法调用的结果（如果有）传递回前一栈帧。 虚拟机栈弹出当前栈帧，前一栈帧成为当前栈帧。 栈帧包含局部变量和操作数栈，实现如下：

3.2.2 局部变量

每个栈帧都包含一个称为局部变量的变量数组。Java 虚拟机使用局部变量在方法调用时传递参数。在类方法调用中，参数从局部变量0开始。在实例方法调用中，局部变量0用于传递对象的引用，随后从局部变量1开始传递任何参数。

局部变量用来传递方法参数，实现如下：

3.2.3 操作数栈

每个栈帧都包含一个操作数栈。创建栈帧时，操作数栈为空。Java 虚拟机提供将常量、值从局部变量、字段加载到操作数栈的指令。其他 Java 虚拟机指令从操作数栈中获取操作数，对其进行操作，并将结果推回到操作数栈上。操作数栈还用于准备要传递给方法的参数和接收方法结果。

操作数栈就是保存操作数的栈，实现如下：

3.3 虚拟机栈 堆

Java 虚拟机有一个在所有 Java 虚拟机线程之间共享的堆。堆是运行时数据区，从中分配所有类实例和数组的内存。对象的堆存储由垃圾收集器回收，对象永远不会被显式释放。

简单实现堆，不用考虑垃圾回收，就是用来保存对象实例，实现如下：

3.3.1 局部变量

对象实例是通过引用关联的，引用实现如下：

3.4 方法区

Java 虚拟机有一个在所有 Java 虚拟机线程之间共享的方法区。它存储每个类的结构，例如运行时常量池、字段和方法数据，以及方法和构造函数的代码，包括在类和实例初始化和接口初始化中使用的特殊方法。

方法区用来保存类结构，实现如下：

3.5 本地方法栈

本地方法栈是为 Java 虚拟机运行 native 方法服务的，由于很多 native 方法都是用 C 语言实现的，所以它通常又叫 C 栈。本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用非常相似，甚至有的虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

四、实现JVM

前面对JVM运行时数据区做了简单实现，现在需要把这些运行时数据区关联起来，实现一个简单JVM，这个JVM不考虑线程，直接在Jvm类中关联运行时数据区。

简单JVM实现如下：

这是一个简单JVM，不会实现所有字节码，写一个示例合约，运行这个合约时，用到了哪些字节码，就实现哪些字节码。

五、示例合约

写一个示例合约：

写一个智能合约SDK提供的工具类，里面有一个native方法，需要JVM去调用真正的实现。

native方法实现

运行示例合约

六、实现字节码

运行示例合约，可以看到需要实现哪些字节码，把这些字节码都实现。多次运行、实现后，相关字节码都实现了。再次运行，就可以看到控制台输出：1024。

实现参考 Java虚拟机规范第六章（JVM指令集），下面是其中一个字节码的实现，更多字节码实现，可以看完整代码。

七、结束

这是一个简单的JVM，很多实现都很简化。可以不断丰富示例代码，然后实现更多字节码，在实现字节码过程中，就会发现以前实现的问题，多次迭代后，JVM就会更完善。

下载完整代码：https://gitee.com/xdehuan/contract-jvm

希望以上内容能对有需要的人有所帮助

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