Herzlich willkommen. SJC ein schlanker modularer Java Compiler für Forschung und Lehre

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1 SJC ein schlanker modularer Java Compiler für Forschung und Lehre Herzlich willkommen zum Vortrag SJC ein schlanker modularer Java Compiler für Forschung und Lehre am 5. Oktober 2010 an der Java ist ein eingetragenes Warenzeichen von Oracle / Sun 05. Oktober

2 SJC ein schlanker modularer Java Compiler für Forschung und Lehre Inhalt 1. Motivation 2. Zielsetzung 3. Implementierung 4. Beispielanwendungen 5. Zusammenfassung und Fazit 05. Oktober

3 SJC ein schlanker modularer Java Compiler für Forschung und Lehre 1. Motivation 1. Motivation 2. Zielsetzung 3. Implementierung 4. Beispielanwendungen 5. Zusammenfassung und Fazit 05. Oktober

4 SJC 1. Motivation 1.1 Umfeld Motivierendes übergeordnetes Vorhaben: Komplett eigenes Betriebssystem System kann verteilt werden Verständliches Konzept Verständlicher Code Cluster-Dauer-Betrieb Erweiterung zur Laufzeit möglich Homogene und heterogene Hardware Entwicklung: nicht nur unter MS-Windows 05. Oktober

5 SJC 1. Motivation 1.2 Wunschliste Initialer Wunschzettel Kategorie must have : Typsicherheit und Objektorientierung Systemprogrammierung möglich Compiler übersetzt sich selbst Memory-Layout anpassbar Nice to have Wünsche: Tool-Chain verständlich Sprache weit verbreitet Schlank und modular 05. Oktober

6 SJC 1. Motivation 1.3 Sprachauswahl Welche Sprache? C, C++: nicht typsicher Oberon: nicht verbreitet (diverse andere: skipped) Java: wäre schon toll, aber Selbstübersetzungsfähigkeit des JDK?!? Systemprogrammierung mit JDK?!? Änderung zur Laufzeit mit JDK?!? JDK schlank und modular?!? Eigener Java-Compiler! 05. Oktober

7 SJC ein schlanker modularer Java Compiler für Forschung und Lehre 2. Zielsetzung 1. Motivation 2. Zielsetzung 3. Implementierung 4. Beispielanwendungen 5. Zusammenfassung und Fazit 05. Oktober

8 SJC 2. Zielsetzung 2.1 Ausgabe-Anforderungen Gesucht: Java-Compiler plus Memory-Layout-Anpassbarkeit Fähigkeit zur Selbstübersetzung Erzeugung von nativem Maschinencode von 8-Bit Mikrocontrollern bis 64 Bit Multicores Einschränkbarer Zugriff auf Hardware in Java Abstinenz von Bibliotheken und JNI-Funktionen Grundlage für Implementierung eines Cluster-OS Alles bitte schlank, modular, vermittelbar, ;-) 05. Oktober

9 SJC 2. Zielsetzung 2.2 Compiler-Anforderungen Kompatibilität mit Java-Sprache Compiler selbst vollständig in Java Kompatibilität mit SunJava / Eclipse etc. Einschränkungen bei Syntactic Sugar kein Auto-(Un)Boxing, Generics, Enumerations optional ohne implizite Basistyp-Konvertierungen Compiler versteht eigenen Quellcode Selbstübersetzbarkeit in Mini-OS Anforderungen an OS minimal Keine externen Bibliotheken 05. Oktober

10 SJC 2. Zielsetzung 2.3 System-Anforderungen Erweiterungen für die Systemprogrammierung Zugänglich für Kernel- und Treiberprogrammierer MAGIC: Hardwarezugriff und mehr Magisches direkter Zugriff auf Hauptspeicher und I/O-Raum Zugang zu RTE und Meta-Informationen STRUCT: Speicherstruktur-Abbild keine echten Objekte, nur Compilerhinweise z.b. für Profiler-Aktivierung, Interrupt-Handler Direkt für HW-Emulation in Java verwendbar 05. Oktober

11 SJC 2. Zielsetzung 2.4 Use-Case I Use-Case Videospeicher : Java-Seite Normales Java für normale Funktionalität public static void main() { print("hallo liebe Kollegen"); } public static void print(string str) { for (int i=0; i<str.length(); i++) print(str.charat(i)); } private static int vidpos; public static void print(char c) { if (vidpos<0 vidpos>=2000) vidpos=0; vidmem.digit[vidpos].ascii=(byte)c; vidmem.digit[vidpos++].color=0x07; } 05. Oktober

12 SJC 2. Zielsetzung 2.4 Use-Case II Use-Case Videospeicher : Magische Seite Magische Initialisierung für STRUCT private static VidMem vidmem =(VidMem)MAGIC.cast2Struct(0xB8000); Java-konforme Deklaration des Speicherlayouts public class VidChar extends STRUCT { byte ascii, color; } public class VidMem extends STRUCT VidChar[] digit; } Somit typsicherer und Überlauf-sicherer HW-Zugriff 05. Oktober

13 SJC 2. Zielsetzung 2.5 Cross-/Target-Übersetzung Abbild mit vollständigem Zielsystem Speicherabbild vom Compiler erzeugt Abbild-Lader in wenig Assembler initialisiert CPU, Stack etc. Entwicklungs- Rechner Quelltext in Java Compiler Nativ ausführbares Speicherabbild Ziel- Rechner Abbild-Lader Programmausführung 05. Oktober

14 SJC 2. Zielsetzung 2.6 Bootstrap-Übersetzung Compiler-Erst-Übersetzung mit Sun-JDK Bootstrap- Rechner Compiler- Quelltext SunJDK Entwicklungs- Rechner Quelltext in Java, z.b. Compiler Compiler (nativ oder mit SunJRE) Nativ ausführbares Speicherabbild Ziel- Rechner Abbild-Lader Programmausführung, z.b. Compiler 05. Oktober

15 SJC 2. Zielsetzung 2.7 In-System-Übersetzung In-System-Übersetzung im Cluster Entwicklungs- Rechner Nativ ausführbares Speicherabbild Cluster- Rechner Abbild-Lader Programmausführung (inklusive OS, Editor, Compiler...) Neuer oder geänderter Quelltext in Java 05. Oktober

16 SJC ein schlanker modularer Java Compiler für Forschung und Lehre 3. Implementierung 1. Motivation 2. Zielsetzung 3. Implementierung 4. Beispielanwendungen 5. Zusammenfassung und Fazit 05. Oktober

17 SJC 3. Implementierung 3.1 Modularisierung Modularisierungsregeln für den Compiler Sub-Packages implementieren je eine Schnittstelle Schnittstelle ist im zugehörigen Root-Package definiert Kein Zugriff auf Klassen fremder Sub-Packages Minimierung von Klassen in Root-Packages Klassische Modulbenennung Frontend: Quelltext Parse-Tree Backend: Parse-Tree Maschinen-Code Hilfsmodule: OS-Zugriff, Abbild-Erzeugung etc. 05. Oktober

18 Image SJC 3. Implementierung 3.2 Arbeitsschritte 1. Scannen und Parsen 2. Namensauflösung 3. Deskriptorenerzeugung 4. Codierung und Optimierung 5. Ausgabe des Speicherabbilds Text 1 Header Text 2 1 Parse- 2 Tree Decorated Parse- Tree 3 3 ClssDscs Constants 5 Output- File Text 3 4 Code 05. Oktober

19 Image SJC 3. Implementierung 3.3 Paketisierung SJC- Root- Package backend compbase compression debug emulation frontend memory osio output real relations symbols ui Frontend Context Backend Output Text 1 Header Text 2 1 Parse- 2 Tree Decorated Parse- Tree 3 3 ClssDscs Constants 5 Output- File Text 3 4 Code 05. Oktober

20 SJC 3. Implementierung 3.4 Größenvergleich SJC- Root- Package backend compbase compression debug emulation frontend memory osio output real relations symbols ui SJC- Sub- Package arm atmel ssa x86 binimp clist prepobj sjava lin sun win Stand: Größenvergleich SunJDK JikesRVM SJC Dateien Textzeilen 7.60 Mio 0.48 Mio 0.05 Mio Textzeichen Mio Mio 1.99 Mio 05. Oktober

21 SJC 3. Implementierung 3.5 Objekt- und Code-Design Speicherlayout mit zweiköpfigen Objekten Trennung von Referenzen und Skalaren Objektanalyse ohne zus. Feldinformation Optionale Indirektion für Skalare flexible Konsistenzmodellwechsel Standard-Stack für Methoden Für Parameter und lokale Variablen Registerbasierte Code-Erzeugung Stack nur einbezogen, falls keine Register frei 05. Oktober

22 SJC 3. Implementierung 3.6 Speicherlayout-Design Wahlmöglichkeiten für Gesamt-Speicherlayout Objekt-Verschiebbarkeit bei ROM-Image unsinnig Code-Verschiebbarkeit für Cluster erforderlich Wenig Zusatz-Code für verschiedene Modi Speichermodell-Auswahl Absolute (=statische) Adressberechnung bei Übersetzung (falls möglich) Relative (=indirekte) Adressberechnung zur Laufzeit verk. Obj., ROMable Objekte verkürzt normale Objekte normale Objekte Skalare indirekt embedded lean static dynamic indirscalars 05. Oktober

23 SJC ein schlanker modularer Java Compiler für Forschung und Lehre 4. Beispielanwendungen 1. Motivation 2. Zielsetzung 3. Implementierung 4. Beispielanwendungen 5. Zusammenfassung und Fazit 05. Oktober

24 SJC 4. Beispielanwendungen 4.1 Minimal-Hello-World Hello World x86-bootfähig in Java 16 Zeilen für vollständiges Hello World 59 Zeilen für Minimal-Laufzeitumgebung Speicherabbild insgesamt 724 Bytes groß* * Bootsektor der Diskette: +512 Bytes 05. Oktober

25 SJC 4. Beispielanwendungen 4.2 Eingebettete Systeme Zeitmessung für Rennbahn 8 Bit ATmega8 mit 8 kb Flash, 1 kb RAM Eingebettete mobile Datenaufzeichnung auf SD 8 Bit ATmega32 mit 32 kb Flash, 2 kb RAM 05. Oktober

26 SJC 4. Beispielanwendungen 4.3 Test-Betriebssystem Testsystem PicOS nur 34 bis 40 kb groß 32 oder 64 Bit mit gemeinsamer Codebasis inkl. Raytracer, Fraktalgenerator, MMU Oktober

27 SJC 4. Beispielanwendungen 4.4 Forschungsprojekte Forschungsprojekt Rainbow der Uni Ulm Verteiltes transaktionales 64 Bit Cluster-System vollständiges Betriebssystem inkl. Treiber (nic, gpu...) Derzeit diverse Dissertationen auf Basis von SJC demnächst: Dissertation zu Code- und Instanzevolution Wissenheim -Demonstrator als 3D-Umgebung Teilpaket des EU-Forschungsprojekts XtreemOS läuft mit SJC übersetzt nativ unter Linux im Grid gleicher Quellcode als JDK-Applet im Browser Kooperation mit Uni Ulm / Uni Düsseldorf 05. Oktober

28 SJC 4. Beispielanwendungen 4.5 Lehrverwendungen Lehr-Einsatz an der Vorlesung Betriebssystem im Eigenbau Vorlesung Verteiltes BS im Eigenbau Vielleicht bald mehr? Sehr gern! Lehr-Einsatz an der Uni Ulm VL Systemprogrammierung VL Technische Informatik PK BS im Eigenbau VL GPS-Logger 05. Oktober

29 SJC ein schlanker modularer Java Compiler für Forschung und Lehre 5. Zusammenfassung und Fazit 1. Motivation 2. Zielsetzung 3. Implementierung 4. Beispielanwendungen 5. Zusammenfassung und Fazit 05. Oktober

30 SJC 5. Zusammenfassung und Fazit 5.1 SJC in Stichworten SJC übersetzt Java-Quellen in Maschinencode Unterstützt werden diverse Systeme 8 bis 64 Bit SJC ist einsetzbar für Forschung und Lehre Unterstützt werden diverse Speicherlayouts SJC ist schlank und modular aufgebaut Leicht erweiterbar und gut verständlich Fazit: viel Arbeit, aber viel Spaß :-) 05. Oktober

31 SJC ein schlanker modularer Java Compiler für Forschung und Lehre Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit SJC steht unter GPLv3 und ist erhältlich unter SJC ist entstanden als Ein-Personen-Freizeitprojekt. Für die produktiven Diskussionen vor allem mit P. Schulthess, M. Schöttner und P. Schmidt möchte ich mich herzlich bedanken. 05. Oktober