JCVM中棧與幀的研究和設(shè)計

近年來，智能卡已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于社會生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。Java技術(shù)具有安全、簡單、即時編譯和跨平臺的眾多優(yōu)點，將Java技術(shù)運用于智能卡的開發(fā)領(lǐng)域，已經(jīng)成為智能卡技術(shù)發(fā)展的熱點。Java卡是一種能運行Java應(yīng)用程序的智能卡，支持部分Java編程語言，是Java技術(shù)和智能卡的一個成功結(jié)合。Java卡技術(shù)的核心是Java卡虛擬機JCVM(Java Card Virtual Machine)。不同于一般的Java虛擬機，由于受到智能卡存儲與處理能力的限制，JCVM的可用資源非常有限。通常JCVM對于內(nèi)部資源的管理和使用非常嚴(yán)格。

1 JCVM和相關(guān)技術(shù)簡介

由于智能卡的可用資源非常有限，不可能在智能卡內(nèi)實現(xiàn)JCVM的全部功能，所以，通常將JCVM分為卡外虛擬機和卡內(nèi)虛擬機兩部分?？ㄍ馓摂M機可運行于一般的PC或SUN工作站上，主要工作是將由Java語言編寫的class文件轉(zhuǎn)換成為字節(jié)碼形式的CAP文件。而卡內(nèi)虛擬機在智能卡內(nèi)部實現(xiàn)，負責(zé)裝載、執(zhí)行字節(jié)碼和支持Java語言。下面所說的JCVM主要是指卡內(nèi)虛擬機部分。Java卡應(yīng)用程序的開發(fā)和其他Java應(yīng)用程序的開發(fā)在最初階段基本相同，開發(fā)者編寫若干Java類源代碼，利用Java編譯器編譯成類文。然后，將相應(yīng)的類文件用Java卡轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為CAP文件，CAP文件相比起類文件更加緊湊、短小，將其下載到卡內(nèi)虛擬機?？▋?nèi)虛擬機執(zhí)行CAP文件中的代碼，完成應(yīng)用的安裝，使應(yīng)用處于能夠被卡內(nèi)虛擬機執(zhí)行的狀態(tài)。

對于JCVM的載體，Java卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Java卡系統(tǒng)主要由三個部分組成：COS和本地方法層、JCRE、Java卡應(yīng)用程序。其中，JCRE包括JCVM、Java Card API和企業(yè)添加類。

　在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1中，位于最下層的COS和本地方法層主要用于對智能卡的硬件進行管理和操作。JCRE是Java卡的核心部分，主要工作是維護Java卡系統(tǒng)運行時的環(huán)境，同時也負責(zé)應(yīng)用的執(zhí)行和安全。JCVM是完成Java程序字節(jié)碼解析和執(zhí)行的主要部分。最上面的是Java卡應(yīng)用程序。Java卡允許一卡多用的存在，當(dāng)卡中有多個應(yīng)用時，應(yīng)用需要通過被選擇，才能處于工作狀態(tài)，其程序字節(jié)碼才能通過JCVM進行解析和執(zhí)行。

從圖1所示可以明確得到JCVM在Java卡內(nèi)所處的層次關(guān)系。JCVM本身是JCRE的一部分。JCVM通過調(diào)用COS提供的命令和一些本地方法，控制硬件的運算、存儲等操作。JCVM被各個Applet通過企業(yè)添加類和API調(diào)用，執(zhí)行應(yīng)用程序的字節(jié)碼。

2 JCVM實現(xiàn)難點

對于JCVM棧與幀結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，主要難點可以歸結(jié)為以下幾點：

(1)智能卡因為其受到存儲空間的限制，需要一套科學(xué)有效的管理和利用方案，以保證存儲空間的高效使用。
(2)JCVM中棧與幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要做到既能高效地利用有限的空間，同時又能保證Java應(yīng)用程序正常執(zhí)行。
(3)在棧中，如何實現(xiàn)幀的創(chuàng)建和銷毀，這并非只是簡單地申請空間或釋放空間的操作，而且還包括整個程序執(zhí)行過程的相關(guān)動態(tài)鏈接、全局控制等數(shù)據(jù)的處理。
(4)如何符合規(guī)范地進行幀內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理。

下面將就這些實現(xiàn)難點進行分析，提出設(shè)計思路和解決方案。

3 JCVM中存儲空間的劃分

因為受到智能卡平臺的資源限制，JCVM中的存儲空間非常有限。為了能夠科學(xué)節(jié)約地使用和管理這些空間，將JCVM的存儲空間虛擬劃分為以下部分：

(1)應(yīng)用代碼區(qū)：用于存儲CAP文件通過安裝器安裝以后的中間代碼，主要是方法字節(jié)碼等。

(2)靜態(tài)變量區(qū)：用于存儲非易失性應(yīng)用數(shù)據(jù)內(nèi)容，一般是應(yīng)用的域、應(yīng)用處理的最終結(jié)果、方法調(diào)用過程中Token和方法地址的轉(zhuǎn)換表、常量池等重要信息。應(yīng)用可以通過相關(guān)的指令讀寫靜態(tài)空間存儲的各種內(nèi)容。

(3)信息共享區(qū)：屬于易失性存儲區(qū)域，主要用于公共信息內(nèi)容的交換，由OS負責(zé)提供，應(yīng)用和終端均可訪問OS中的內(nèi)容。其主要存儲APDU的內(nèi)容，也存儲棧運行過程中需要用到的一些臨時變量。

(4)方法執(zhí)行區(qū)：用于虛擬機執(zhí)行過程中棧操作的空間，保存運行的執(zhí)行數(shù)據(jù)、中間結(jié)果等。
應(yīng)用代碼區(qū)和靜態(tài)變量區(qū)可以通過文件系統(tǒng)進行存儲，保存在智能卡的Flash中。信息共享區(qū)和方法執(zhí)行區(qū)一般通過物理地址讀寫，保存在智能卡的RAM中。

4 JCVM中棧與幀的執(zhí)行對象

由于具有方便移植、安全和程序代碼小等優(yōu)點，JCVM中執(zhí)行的程序都是以字節(jié)碼的形式存在，而棧與幀的主要執(zhí)行對象就是存放在應(yīng)用代碼區(qū)的Java卡應(yīng)用程序方法字節(jié)碼。方法字節(jié)碼由2個或4個字節(jié)的方法頭和之后若干長度的方法執(zhí)行字節(jié)碼組成。方法頭中主要包含了max_local，max_stack，narg等信息，其中，max_local指出了該方法需要申請用于局部變量區(qū)數(shù)組的空間大小，max_stack指出了該方法需要申請用于操作數(shù)棧執(zhí)行的空間空間大小，narg則說明了需要傳遞的參數(shù)個數(shù)。這些信息為之后創(chuàng)建相應(yīng)的幀提供了重要的信息。而方法執(zhí)行字節(jié)碼則是一串符合JCVM規(guī)范并得以實現(xiàn)該方法的16字節(jié)操作碼。

5 JCVM中棧與幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對JCVM中存儲空間的劃分，可以得到一片預(yù)留的區(qū)域(即方法執(zhí)行區(qū))用于專門實現(xiàn)JCVM中棧的虛擬。給這片預(yù)留的區(qū)域制定一個類似于棧先進后出的操作規(guī)則，即為虛擬的出棧。而入棧的基本單位，則為幀(Frame)。幀和方法具有一一對應(yīng)的映射關(guān)系，每調(diào)用一個方法，就需要創(chuàng)建一個幀，并且入棧，而當(dāng)方法執(zhí)行完并返回值之后，相應(yīng)的幀也將出棧并銷毀。

幀主要用于存儲數(shù)據(jù)和操作結(jié)果，返回方法的值。它主要由局部變量區(qū)、操作數(shù)棧和幀控制信息(FrameCI)組成。局部變量區(qū)主要是以1個單元，也就是2個字節(jié)作為其基本單位的局部變量數(shù)組(local variable array)，而存在其中的每一個元素都是屬于該方法的一個local array。其主要用來存儲方法傳遞的參數(shù)和相關(guān)變量，是數(shù)組的結(jié)構(gòu)，在字節(jié)碼執(zhí)行過程中，通過數(shù)組的索引值進行讀寫。操作數(shù)棧(operand stacks)也是以1個單元作為其基本單位，是字節(jié)碼執(zhí)行過程中用于臨時存儲中間數(shù)據(jù)和操作結(jié)構(gòu)的一片預(yù)留區(qū)，根據(jù)相應(yīng)方法的方法頭信息確定預(yù)留空間的大小，通過執(zhí)行字節(jié)碼進行出入操作數(shù)棧的操作。此外，在調(diào)用方法的時候，操作數(shù)棧還負責(zé)存儲傳遞給該方法的參數(shù)值以及存儲由該方法返回的返回值。而幀的控制信息主要包括當(dāng)前方法物理地址(thismethodP)、當(dāng)前方法上下文(thiscontext)、調(diào)用者幀的地址(invmethodP)、調(diào)用者方法Bytecode執(zhí)行進度(invbytecodenum)、調(diào)用者方法操作數(shù)棧指針(invoperandSP)。這些信息將棧中的每一個幀都動態(tài)鏈接起來，并起到對每個方法執(zhí)行進度進行記錄的作用。當(dāng)前方法物理地址用于讀取當(dāng)前方法的Bytecode，上下文的作用相當(dāng)于防火墻，用來阻止跨界的非法訪問，調(diào)用者方法物理地址是在當(dāng)前方法執(zhí)行完成后讀取調(diào)用者幀的地址，調(diào)用者方法Bytecode執(zhí)行進度和操作數(shù)棧指針用于還原調(diào)用者幀的在調(diào)用前的現(xiàn)場。

棧與幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

6 方法調(diào)用與返回操作的處理

如圖2所示，每一個運行的方法對應(yīng)著一個幀的結(jié)構(gòu)。當(dāng)一個方法需要調(diào)用另一個方法時，首先要求將被調(diào)用者方法的參數(shù)壓入當(dāng)前幀的操作數(shù)棧中，然后為該新方法創(chuàng)建一個新的幀，并入棧，將新的幀設(shè)置為當(dāng)前幀。創(chuàng)建新幀的過程，首先是分配一個足夠大小的空間給新的幀，這里，通過讀取該方法的方法頭，可以準(zhǔn)確知道局部變量和操作數(shù)棧所需要的空間大小；然后初始化幀，將新方法的相關(guān)信息傳入FrameCI，并對一些全局變量和指針進行修改；接著是參數(shù)的傳遞。在Java卡中，新方法所需要調(diào)用的參數(shù)之前已經(jīng)被壓入調(diào)用者方法的幀中，在不考慮疊加技術(shù)的情況下，當(dāng)方法調(diào)用執(zhí)行時，先將參數(shù)從調(diào)用者方法幀的操作數(shù)棧中出棧，然后在順序進入新方法幀的局部變量區(qū)，最后根據(jù)新方法的Bytecode，執(zhí)行相關(guān)操作。

　對應(yīng)方法結(jié)束的操作，需要銷毀一個幀。這里的方法執(zhí)行結(jié)果分為正常結(jié)束執(zhí)行和不正常結(jié)束執(zhí)行。在正常結(jié)束執(zhí)行的情況下，有可能會有一個返回值給調(diào)用者方法，這時，首先將返回結(jié)果出該幀的操作數(shù)棧，通過invmethodP找到調(diào)用者幀，將調(diào)用者幀設(shè)為當(dāng)前幀，再進調(diào)用者幀的操作數(shù)棧。然后修改相關(guān)全局變量和指針的值。最后回收原方法幀的使用空間，以留給下次幀的創(chuàng)建。若是不正常結(jié)束執(zhí)行，虛擬機內(nèi)將產(chǎn)生exception或因執(zhí)行到一個拋出指令而拋出exception，這時的方法就不會有返回值返回給調(diào)用者了。

另外，之前提到的疊加技術(shù)，就是在實現(xiàn)JCVM時，可以將調(diào)用者方法幀操作數(shù)棧和被調(diào)用者方法幀的局部變量區(qū)進行疊加的技術(shù)，即不需要把之前壓入到調(diào)用者方法幀操作數(shù)棧中的參數(shù)出操作數(shù)棧再寫到被調(diào)用者方法幀的局部變量區(qū)，而是直接將調(diào)用者方法幀操作數(shù)棧的參數(shù)部分看做被調(diào)用者方法幀的局部變量區(qū)的一部分，使之實現(xiàn)部分區(qū)域重合。采用疊加技術(shù)不會對方法的創(chuàng)建和銷毀產(chǎn)生任何影響，卻能簡化方法間參數(shù)傳遞的機制，同時有效節(jié)約方法執(zhí)行區(qū)的空間。

7 幀內(nèi)部數(shù)據(jù)的操作

除了方法調(diào)用需要用到的棧操作之外，事實上在JCVM中，更多的是幀內(nèi)部數(shù)據(jù)的操作。這些操作主要包括對局部變量區(qū)的讀寫操作和對操作數(shù)棧的出入棧操作。這些操作連同調(diào)用方法的操作一起，完成整個方法的執(zhí)行。
例如，有這樣一個方法short add(short a，short b)，其執(zhí)行步驟如下：

Sload_1 //Load short from local variable 1，then push
Sload_2//oad short from local variable 2，then push
Sadd//Pop two shorts，add them，then push the result
Sstore_3//Pop，then store short into local variable 3
Sreturn//Return short from method，then destroy the Frame
當(dāng)有某方法需要調(diào)用這個方法時，首先根據(jù)方法頭創(chuàng)建幀結(jié)構(gòu)，將局部變量區(qū)和操作數(shù)棧初始化，控制信息賦值，接著根據(jù)方法的執(zhí)行指令對操作數(shù)棧和局部變量區(qū)進行操作。具體操作步驟如圖3所示。

在上例的幀執(zhí)行演示中，圖3的初始化步驟是根據(jù)方法頭進行空間的申請，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進行初始化賦值。Objectref是對象引用，視具體調(diào)用方法而定，一般調(diào)用中會以參數(shù)的形式傳給新的方法幀，賦值給Local variable 0，而相關(guān)參數(shù)a、b，也以參數(shù)形式在新的方法里分別賦值給Local variable 1、Local variable 2。而方法字節(jié)碼的前兩個指令，將存儲在局部變量區(qū)索引為1、2的兩個數(shù)據(jù)壓入操作數(shù)棧，其后Sadd指令從操作數(shù)棧中彈出這兩個數(shù)據(jù)，進行加法，再將結(jié)果壓回操作數(shù)棧中。然后Sstore_3從操作數(shù)棧中彈出結(jié)果值，存儲到局部變量區(qū)索引為3的位置。最后，Sreturn將該方法幀銷毀，完成該方法的全過程。

通過對JCVM開發(fā)規(guī)范和一些智能卡開發(fā)公司需求和測試文檔的研究和分析，本論文中所提出的存儲資源管理策略，棧與幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計完全符合要求。通過利用各大公司提供的軟件模擬環(huán)境和Applet應(yīng)用數(shù)據(jù)包對棧與幀的設(shè)計方案進行測試，證明該方案正確可行。

JCVM中棧與幀的設(shè)計與實現(xiàn)是開發(fā)JCVM的核心問題。本文提出了符合JCVM開發(fā)規(guī)范的棧與幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計和執(zhí)行策略，并對存儲空間進行劃分管理，優(yōu)化了有限的智能卡存儲空間，并成功使用疊加技術(shù)改進了參數(shù)傳遞的機制，很好地完成了JCVM中棧與幀的基本功能。本文的研究已經(jīng)成功運用到華大電子股份有限公司和清華同方公司的芯片上，并已經(jīng)通過相關(guān)部門的軟件測試。