PA3-JVM 实验说明

JVM 字节码生成

注意：本阶段仅 Scala 版必做。

任务概述

本阶段的任务与 PA3 相同，只不过采用的中间表示是 JVM 字节码。

本阶段的测试方法与 PA3 一致：测试脚本会自动调用 java 运行你的编译器生成的 JVM class 文件，检查其输出与标准输出是否完全一致。与 PA3 所采用的 TAC 相比，JVM 拥有十分丰富的指令集，且具备完善的运行时错误捕获机制。 PA3 中要求的除零错误无需你来实现，JVM 的运行时能自动捕获并抛出异常。因此，在这一阶段中，你的主要任务是~~学习 JVM~~完成新特性的代码生成。

实验内容

在正式开始实验之前，请先阅读实验指导书关于 JVM 字节码简介的部分，了解 JVM 最基本的知识。如有必要，请查阅官方文档。请注意：本次实验生成的字节码的 major version 是 52（即 Java 8），这已经在框架中实现好了，请勿修改！

新特性 1：抽象类

支持用 abstract 关键字定义抽象类，及修饰其中的抽象成员方法。

提示：在生成抽象类对应的 JVM class 文件时，使用修饰符 ACC_ABSTRACT 修饰该类以及其中的抽象成员。

新特性 2：局部类型推导

支持编译器进行局部变量的类型推导。由于类型已经在 PA2 阶段推导完成并标注在语法树上，故变量定义的逻辑与框架中 LocalVarDef 完全相同，不需要进行额外处理。

新特性 3：First-class Functions

PA3 的文档中给出了一种基于函数“闭包”（由函数指针和捕获变量构成）的机制来实现。但是，由于 JVM 不支持直接操作内存，这里给出一种面向对象风格的实现方法。

此部分仅供参考，你也可以查阅资料选择其他你认为更好的方法来实现。

在 JVM 中，虽然函数不是一等公民，但是对象总是一等公民。因此，一个简单的想法就是把所有的函数（尤其是 lambda 表达式）都看作一个对象。与其他对象不同的是，这类对象都有一个叫做 apply 的成员方法，该方法完成对此函数的调用。如果一个 lambda 表达式具有捕获变量，那么把这些捕获变量全都作为这个对象的成员就可以了。例如：

class A {
    int field;

    int(int) getf(int local) {
        return fun(int x) {
            return field + local + x;
        };
    }

    int callf() {
        return getf(10)(20);
    }
}

可以翻译为如下等价的 Java 代码：

import java.util.function.Function;

public class Lam$1 implements Function<Integer, Integer> {
    A self; // captured: object of class A
    int local; // captured local variable

    @Override
    public Integer apply(Integer x) {
        return self.field + local + x;
    }
}

public class A {
    int field;

    public Function<Integer, Integer> getf(int local) {
        Lam$1 funcObj = new Lam$1();
        funcObj.self = this;
        funcObj.local = local;
        return funcObj;
    }

    public int callf() {
        return getf(10).apply(20);
    }
}

可以看出，我们为 fun(int x) { return field + local + x; } 这个 lambda 表达式专门生成 (synthesize) 了一个新的类 Lam$1，并且把 lambda 表达式的函数体实现在 apply 方法里面。这个类继承了 Java 的“函数式”接口 (Functional Interface) Function<T, R>，它表示一个输入 T 返回 R 的函数对象。特别地，捕获变量 self 和 local 都成为该类的成员。而在 getf 方法中，我们要做的事情就是，new 出来这个 Lam$1 的实例（对象），初始化其中的捕获变量成员，然后返回该实例 funcObj。最后，在 callf 方法中，我们通过调用函数对象的 apply 方法来迂回地实现对 lambda 表达式的调用。

上述翻译策略总结如下：

为每个 lambda 表达式生成一个类，继承合适的 Functional Interface，在类中声明其捕获变量作为成员变量，并在 apply 方法中真正地实现该 lambda 表达式的函数体；
在每个 lambda 表达式的定义处，new 一个它对应的类（第1步生成的那个）的实例，注意初始化其中的捕获变量；
在每个 lambda 表达式的调用处，调用那个实例（第2步生成的那个）的 apply 方法，正常传入用户给的参数。

插入一段题外话：熟悉匿名类的同学会发现，上面这一段 Java 代码可以简写为：

public class A {
    int field;

    public Function<Integer, Integer> getf(int local) {
        return new Function<Integer, Integer>() {
            @Override
            public Integer apply(Integer x) {
                return field + local + x;
            }
        };
    }

    public int callf() {
        return getf(10).apply(20);
    }
}

但是，这样的实现并不能简化 JVM 字节码生成的过程！如果你把上述代码交给 Java 编译器 javac 处理，你会发现它除了生成 A.class 外，还会生成 A$1.class。这个 A$1.class 的功能与 Lam$1 是一样的。

另外一种需要考虑的情况是，方法名直接当做函数使用。如：

class A {
    void() getf() { return f; }
    void f() { Print("A"); }
}

class B extends A {
    void f() { Print("B") }
}

class Main {
    static void main() {
        class A b = new B();
        b.getf()();
    }
}

我们需要为该方法（例子中是 f）自动生成一个函数对象，它的 apply 方法很简单——真正调用那个方法（f）。如下面的 Java 代码所示：

public interface Action$ { public void apply(); } // function of type () => void

public class Action$1 implements Action$ {
    A self;

    @Override
    public void apply() {
        self.f();
    }
}

public class A {
    public Action$ getf() {
        Action$1 funcObj = new Action$1();
        funcObj.self = this;
        return funcObj;
    }

    public void f() {
        System.out.print("A");
    }
}

public class B extends A {
    public void f() {
        System.out.print("B");
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        A b = new B();
        b.getf().apply();
    }
}

这里的 Action$1 类的对象 funcObj 就是对 f 方法的一层包装，它的 apply 方法体就是单纯地调用一下 f 而已。

除了上述方法外，JVM 从 7 开始（我们用的8）支持 INVOKEDYNAMIC 以更加高效地实现 lambda 调用。感兴趣的同学可以参考这个以及这个（更加详细）进行实现。

提示

使用 javap -v class文件名 反编译字节码，输出可读的 JVM 指令序列，以检查它是否与预期一致。
当 JVM 报出你从未见过的错误时，请尝试用搜索引擎查找错误信息，并理解出错的原因，以便后续的调试。
JVM 文档和 Java Functional Interface 文档是你的好朋友。由于 Java Functional Interface 似乎不支持3个参数以上的函数，你可以考虑像 Scala 那样搞一堆 Function3, Function4, ... 以适应不同参数个数的函数。
学习 Scala 编译器的实现：你可以将测例翻译成 Scala 代码，然后查看 Scala 编译器生成的字节码，这可以启发你找到科学的实现方案（如果你打算采用 Scala 编译器的那一套的话）。

公开测例

本阶段的公开测例与 PA3 相同，即 S3/ 下的测例。由于这一阶段不考查对运行时错误的处理，测试脚本已忽略 test_divisionbyzero1.decaf 和 test_divisionbyzero2.decaf 这两个例子。隐藏测试集里面的所有测例都不会有运行时错误。

实验评分和实验报告

我们提供了若干测试程序和标准输出，你的输出需要与标准输出完全一致才行。我们会有未公开的测例。但是，这一阶段的全部测例与 PA3 相同（刨开有运行时错误的例子），因此你的实现只要达到 PA3 的要求即可—— 对于 PA3 明文规定不考察的那些特性，你无需实现。

实验评分分两部分：

评测结果：80%。这部分是机器检查，要求你的输出和标准输出一模一样。
实验报告（根目录下 report-PA3-JVM.pdf 文件）：20%。要求用中文或英文简要叙述你的工作内容，并回答以下两个问题：

Q1. 请举出至少两处本阶段与 PA3 阶段在实现机制上的不同，包括你实现的部分和框架中已经完成的部分。

Q2. 框架中是如何将类似于 x >= y 这种比较运算表达式翻译成语义等价的 JVM 指令的？

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