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Java用于數字電視機頂盒研究與實現(1)
引言
隨著有線廣播電視網向數字化、網絡化、產業化方向發展，利用有線電視網絡作為傳輸平臺的數字電視機頂盒除了能夠讓用戶在現有模擬電視機上觀看數字電視節目之外，廣播和交互式多媒體應用功能的要求也應運而生，互動電視成為數字電視發展的方向。眾多程序員熟悉的為網絡廣泛運用的Java語言能很好地滿足機頂盒一些服務應用的要求，因此提出了包含Java虛擬機的數字電視機頂盒中間件的系統架構，該虛擬機用來執行Java應用程序，并且中間件將應用程序和底層操作系統、硬件細節隔離開，使上層的數字電視的服務應用不必考慮過多的底層細節。本文主要介紹了J2ME中主要用于數字電視領域的CDC的移植，其中又著重介紹了本地方法(nativemethod)的實現過程。
結構及工作原理
圖1 Java虛擬機的工作過程
Java虛擬機工作原理
Java虛擬機處于機器和編譯程序之間，在任何平臺上都提供給編譯程序一個共同的接口。Java源程序經過編譯器編譯后變成字節碼，字節碼由虛擬機解釋執行，虛擬機將每一條要執行的字節碼送給解釋器，解釋器將其翻譯成特定機器上的機器碼，然后在特定的機器上運行。
Java虛擬機的主要任務是裝載class文件并且執行其中的字節碼。Java虛擬機包含一個類裝載器，它可以從程序和API中裝載class文件。字節碼由執行引擎來執行，具體過程如圖1所示。
Java虛擬機結構
類裝載器的體系結構是Java虛擬機在安全性和網絡移動性上發揮重要作用的一個方面，圖中所示的類裝載器可以包含多個類裝載器的子系統，Java應用程序能夠在運行時決定需要安裝的類，并且將被不同的類裝載器裝載的類存放在不同的命名空間。
執行引擎處于Java虛擬機的核心位置，它的行為由指令集所決定，其主要作用就是解釋字節碼(即運行經過編譯后的Java程序的class文件)，不同的執行引擎實現可能非常不同。由軟件實現的虛擬機的執行引擎分為一次性解釋字節碼、即時編譯器和自適應優化器，由硬件芯片構成的虛擬機用本地方法執行Java字節碼，它的執行引擎是內嵌在芯片里。
Java虛擬機相當于一個堆棧計算機，它在指令間傳送信息時不使用任何物理寄存器，而使用堆棧的幀來表示方法的狀態、字節碼的操作對象、方法的參數空間及局部變量的空間，它的“程序計數器”為一個偽寄存器，是當前所執行指令的字節碼數組的一個指針。
Java實現方法
Java有兩種實現方法：Java方法和本地方法。Java方法是由Java語言編寫，編譯成字節碼，存儲在class文件中。本地方法是由其他語言(比如C，C++，或者匯編語言)編寫的，編譯成和處理器相關的機器代碼，保存在動態連接庫中，格式是各個平臺專有的，它是聯系Java程序和底層主機操作系統的連接方法。Java方法與平臺無關，但是本地方法卻不是，運行中的Java程序調用本地方法時，虛擬機裝載包含這個本地方法的動態庫，并調用這個方法。通過本地方法，Java程序可以直接訪問底層操作系統的資源，使程序和特定的平臺相關，一個本地方法接口——Java本地接口(JNI)使得本地方法可以在特定的主機系統的任何一個Java平臺上運行。
J2ME中的CDC移植的解決方案
我們選用的要移植的Java虛擬機是Sun公司提供的J2ME對于數字電視領域CDC配置，該虛擬機是針對Linux的軟件實現(用C語言編寫的虛擬機，該虛擬機也稱為CVirtualMachine，簡稱CVM)。Java虛擬機規范并沒有強求Java虛擬機必須支持任何特定的本地方法接口，但是Sun公司提供了本地方法接口(JavaNativeInterface)，是為移植所用。Java程序通過調用本地方法和主機交互。
Java虛擬機
圖2 Java虛擬機的位置
虛擬機處于嵌入式操作系統OS20上，因此Sun公司提供的Java虛擬機中與底層操作系統相關的操作都應該替換為OS20的內核函數。因此將Sun公司提供的CDC移植到OS20需要完成一些工作，比如：C語言中關于基本數據類型的數據位的修改，關于線程的創建機制(OS20為任務)，關于線程之間的同步、互斥，關于動態連接的實現，關于本地方法的實現等，本節主要介紹關于本地方法的實現過程。
本地方法
解釋器處理字節碼時，與給定字節碼有關的動作的語義、執行字節碼的相關動作大多是從堆棧中獲得其操作數，并將其結果送回堆棧中。典型的情況下字節碼是帶有參數的，這些參數在字節碼流中緊跟在字節碼自身之后。
在虛擬機解釋字節碼過程中，執行引擎會不時遇到請求本地方法調用的指令，虛擬機負責試著發起這個本地方法的調用。本地方法是Java虛擬機指令集的一種可編程擴展，運行這個本地方法就是Java虛擬機對這條指令的執行。
本地方法函數調用
為了增加虛擬機的性能，加快其速度，解釋器在處理一些字節碼時調用的本地方法函數用匯編實現了將Java棧轉換為C棧，然后在C堆棧上實現函數的調用。Linux下是用獨立的匯編語言程序invokeNative_i386。S實現函數CVMjniInvokeNative()，我們采用在C里面嵌入匯編的形式來實現該函數。
該函數的形參有7個，完成的主要功能是將由實參傳遞來的部分數據通過直接或者運算后得到本地方法的參數，然后壓入本地棧，通過匯編來實現本地的C函數調用。實參傳遞過來的7個數據包含JNI環境指針(env)、本地方法的函數指針(nativecode)、Java棧指針(args)、本地方法的描述符(tersesig)，Java棧的參數總數(argssize)表示靜態或非靜態方法的類對象標志(classobject)及用于存儲返回值的一個指針變量(returnvalue)，其中env要作為第一個本地方法的參數傳遞，并且nativecode也要傳遞到本地方法來實現本地方法的正確調用。
J2ME中的CDC移植
由于Linux有多個通用寄存器，在實現該函數的代碼中充分運用了如esp、ebp、esi等寄存器，但是OS20提供的可操作的寄存器只有3個通用寄存器Areg、Breg、Creg和1個工作指針寄存器Wptr(相當于堆棧指針)，在實現過程中，我們用在C函數中設立局部變量來代替Linux的通用寄存器，通過手動調整工作棧指針來實現本地方法的調用，具體實現過程如圖3所示。
當進入匯編函數時，工作區指針為Wptr，實參、狀態寄存器和指令指針寄存器的值全部自動入棧，然后是我們定義的代替Linux寄存器的局部變量自動入棧，此時的Wptr自動移到Wptr′，利用OS20的匯編指令，手動將實參傳遞過來的參數通過計算得到本地方法參數的個數，然后將本地方法所需的參數依次壓棧，最后再手動調節工作區指針實現本地方法的成功調用。這里我們先將本地方法函數指針和1個標志位flag(0x10101010)入棧，原因有兩個：
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文章來源：中國有線電視
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