Zusammenfassung und Ausblick

Durch die Relevanz von Java ist die Implementierung virtueller Maschinen wieder zu einem Gegenstand aktiver Forschungsaktivitäten geworden. Dabei werden bekannte Techniken erweitert und an einen neuen Kontext angepaßt als auch neue Konzepte entwickelt und erprobt.

Diese Arbeit gibt einen Überblick über die Architektur virtueller Maschinen, speziell im Hinblick auf Java. Die drei Hauptkomponenten ,,Programmausführung``, ,,Speicherverwaltung`` und ,,Thread-System`` werden auf ihre Aufgabe und die Techniken ihrer Implementierung hin analysiert. Dabei wird eine enge Verzahnung dieser Komponenten offenbar.

Der dynamische Compiler bedient sich der Speicherverwaltung bei der Allokation der von ihm benötigten Strukturen wie Klassen- und Methodenobjekten. Im Gegenzug erfüllt er wichtige Aufgaben wie die Inline-Expansion von Allokationsoperationen, ,,Read Barriers`` und ,,Write Barriers`` für generationale und nebenläufige Garbage Collection sowie die Generierung von Referenztabellen für exakte Garbage Collection.

Mit dem Thread-System kooperiert der Compiler, indem er Synchronisations- und Unterbrechungscode erzeugt. Außerdem identifiziert er die Programmpunkte, an denen sich der ausführende Thread in einem konsistenten Zustand befindet, d.h. wenn Referenztabellen zur Identifikation der Inhalte von Registern und Stack vorliegen.

Die Speicherverwaltung muß mit dem Thread-System zusammenarbeiten, um thread-lokale Allokationspuffer mit den Ausführungskontexten zu assoziieren. Zur Einleitung einer Garbage Collection muß das Thread-System alle Threads an konsistenten Punkten stoppen.

Abbildung 6.1: Die drei Hauptkomponenten einer virtuellen Maschine

Weiterhin wird in dieser Arbeit beschrieben, welche Techniken dem aktuellen Stand verfügbarer Implementierungen entsprechen. Diese stellen nach einfachen Interpretern und Maschinen mit nicht-adaptiven Compilern die dritte Generation in der Entwicklung dar. Es wird ersichtlich, durch welche Komponenten sie sich auszeichnen:

• Die Ausführung findet durch gemeinsamen Einsatz eines Interpreters und eines optimierenden Compilers oder durch ein Paar von schnellem und optimierendem Compiler statt. Die Optimierung wird durch dynamisch gewonnene Profildaten gesteuert. Dynamische Methodenaufrufe werden zum einen durch inline caches sowie durch statische Aufrufbindung in Verbindung mit Methodenintegration beschleunigt. Die hierzu erforderliche Empfängertypvorhersage findet aufgrund statischer Typinformationen sowie begrenzter globaler Analysen statt; um das volle Potential dieser Optimierungen ausschöpfen zu können, muß die dynamische Deoptimierung von Methoden vorgesehen sein. Optimierungen auf niedrigerer Ebene werden mit Hilfe klassischer Optimierungstechniken vollzogen, wobei zunehmend das Kosten/Nutzen-Verhältnis der verwendeten Compileralgorithmen in den Mittelpunkt rückt.
• Die Speicherbereinigung basiert auf wohlverstandenen Technik der generationalen Garbage Collection mit zwei Generationen. Dabei wird entweder in der jüngsten Generation ein separater Bereich (,,Eden``) zur Allokation reserviert, oder es kommen thread-lokale Allokationsbuffer zum Einsatz. Weiterhin wird verstärkt auf den ,,Train``-Algorithmus für die inkrementelle Bereinigung der alten Generation zurückgegriffen.
• Die Thread-Implementierungen setzen vorwiegend auf Bibliotheken des Betriebssystems auf, die die Ausführung auf mehreren Prozessoren erlauben. Einige Maschinen realisieren zweistufiges Scheduling statt dessen durch eigene Implementierungen, um höhere Skalierbarkeit zu erzielen. Die Synchronisationskonstrukte werden auf Basis atomarer Prozessorinstruktionen direkt in der VM implementiert, da die Verwendung von Systemkonstrukten aus Platzgründen nicht möglich ist.

Die Arbeit zeigt weiterhin auf, welche Bereiche Gegenstand aktiver Forschung sind und Fortschritte erwarten lassen. Hierzu zählen folgende Punkte:

• Die unoptimierte Ausführungsphase durch einen Interpreter wird durch einen schnellen, schwach optimierenden Compiler ersetzt werden. Der erzeugte Maschinencode läuft schneller ab als interpretierter Code bei sehr geringen Übersetzungskosten.
• Für die optimierenden Compiler werden zunehmend Algorithmen entwickelt werden, die schneller ablaufen und dabei nahezu gleich effizienten Code erzeugen wie die zur Zeit gebräuchlichen.
• Globale Analyseverfahren wie escape analysis werden zunehmend an Bedeutung gewinnen.
• Die adaptive Steuerung der dynamischen Compilerkomponente beruht zur Zeit auf einfachen Heuristiken. Die verwendeten Verfahren sind schwer vergleichbar und oftmals eng an die VM-Architektur gekoppelt. Auf diesem Gebiet ist eine weitere Formalisierung in Form von Standardalgorithmen und -darstellungen zu erwarten.
• Architekturen mit vielen Prozessoren stellen den klassischen ,,stop-the-world``-Ansatz der Garbage Collection infrage. Das Anhalten aller Threads auf einem System mit mehr als 8 Prozessoren wird zunehmend unwirtschaftlich; für diesen Einsatz sind daher nebenläufige und parallele Algorithmen zur Speicherbereinigung notwendig. Zur Zeit existieren keine Algorithmen, die die Ansprüche der Praxistauglichkeit erfüllen können, jedoch befinden sich zur Zeit mehrere vielversprechende Ansätze in der Entwicklung.

In Bezug auf den Entwicklungsprozess virtueller Maschinen ist zu erwarten, daß die Schnittstellen der Komponenten klarer dokumentiert werden. Ansätze hierzu lassen sich beispielsweise im Garbage Collection Interface der Sun Research VM [White and Garthwaite, 1998] erkennen. Hier wird versucht, die Verantwortlichkeiten und Abhängigkeiten der Speicherverwaltung in Form einer Programmschnittstelle festzuhalten.

Gelingt es, durch ein Bootstrapping die virtuelle Maschine in der Sprache selbst zu implementieren, kann somit auch bei der Entwicklung des Laufzeitsystems von den Vorteilen der Sprache Java profitiert werden. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, die VM selbst mit Hilfe dynamischer Profile zu optimieren. Eine solche Implementierung existiert bereits mit der Jalapeño VM.

Abschließend lässt sich sagen, daß moderne virtuelle Maschinen in ihrer Komplexität in den Bereich sehr großer Softwaresysteme wie Datenbanksysteme [Lockemann and Schmidt, 1987] und Betriebssysteme [Tanenbaum, 1992] gerückt sind. Sie übernehmen dabei zunehmend Aufgaben des Betriebssystems als Ausführungsumgebung für Anwendungsprogramme. Durch eine enge Kooperation ihrer Komponenten werden Ausführungsgeschwindigkeiten erreicht, die statisch kompilierten Sprachen in nichts nachstehen und sie sogar übertreffen können.