JCVM中栈与帧的研究和设计

近年来，智能卡已经越来越广泛地应用于社会生产、生活的各个领域，相关技术也得到了迅猛发展。Java技术具有安全、简单、即时编译和跨平台的众多优点，将Java技术运用于智能卡的开发领域，已经成为智能卡技术发展的热点。Java卡是一种能运行Java应用程序的智能卡，支持部分Java编程语言，是Java技术和智能卡的一个成功结合。Java卡技术的核心是Java卡虚拟机JCVM(Java Card Virtual Machine)。不同于一般的Java虚拟机，由于受到智能卡存储与处理能力的限制，JCVM的可用资源非常有限。通常JCVM对于内部资源的管理和使用非常严格。

1 JCVM和相关技术简介

由于智能卡的可用资源非常有限，不可能在智能卡内实现JCVM的全部功能，所以，通常将JCVM分为卡外虚拟机和卡内虚拟机两部分。卡外虚拟机可运行于一般的PC或SUN工作站上，主要工作是将由Java语言编写的class文件转换成为字节码形式的CAP文件。而卡内虚拟机在智能卡内部实现，负责装载、执行字节码和支持Java语言。下面所说的JCVM主要是指卡内虚拟机部分。Java卡应用程序的开发和其他Java应用程序的开发在最初阶段基本相同，开发者编写若干Java类源代码，利用Java编译器编译成类文。然后，将相应的类文件用Java卡转换器转换成为CAP文件，CAP文件相比起类文件更加紧凑、短小，将其下载到卡内虚拟机。卡内虚拟机执行CAP文件中的代码，完成应用的安装，使应用处于能够被卡内虚拟机执行的状态。

对于JCVM的载体，Java卡的系统结构如图1所示。

Java卡系统主要由三个部分组成：COS和本地方法层、JCRE、Java卡应用程序。其中，JCRE包括JCVM、Java Card API和企业添加类。

　在系统结构图1中，位于最下层的COS和本地方法层主要用于对智能卡的硬件进行管理和操作。JCRE是Java卡的核心部分，主要工作是维护Java卡系统运行时的环境，同时也负责应用的执行和安全。JCVM是完成Java程序字节码解析和执行的主要部分。最上面的是Java卡应用程序。Java卡允许一卡多用的存在，当卡中有多个应用时，应用需要通过被选择，才能处于工作状态，其程序字节码才能通过JCVM进行解析和执行。

从图1所示可以明确得到JCVM在Java卡内所处的层次关系。JCVM本身是JCRE的一部分。JCVM通过调用COS提供的命令和一些本地方法，控制硬件的运算、存储等操作。JCVM被各个Applet通过企业添加类和API调用，执行应用程序的字节码。

2 JCVM实现难点

对于JCVM栈与帧结构的实现，主要难点可以归结为以下几点：

(1)智能卡因为其受到存储空间的限制，需要一套科学有效的管理和利用方案，以保证存储空间的高效使用。
(2)JCVM中栈与帧的结构设计，需要做到既能高效地利用有限的空间，同时又能保证Java应用程序正常执行。
(3)在栈中，如何实现帧的创建和销毁，这并非只是简单地申请空间或释放空间的操作，而且还包括整个程序执行过程的相关动态链接、全局控制等数据的处理。
(4)如何符合规范地进行帧内部数据的处理。

下面将就这些实现难点进行分析，提出设计思路和解决方案。

3 JCVM中存储空间的划分

因为受到智能卡平台的资源限制，JCVM中的存储空间非常有限。为了能够科学节约地使用和管理这些空间，将JCVM的存储空间虚拟划分为以下部分：

(1)应用代码区：用于存储CAP文件通过安装器安装以后的中间代码，主要是方法字节码等。

(2)静态变量区：用于存储非易失性应用数据内容，一般是应用的域、应用处理的最终结果、方法调用过程中Token和方法地址的转换表、常量池等重要信息。应用可以通过相关的指令读写静态空间存储的各种内容。

(3)信息共享区：属于易失性存储区域，主要用于公共信息内容的交换，由OS负责提供，应用和终端均可访问OS中的内容。其主要存储APDU的内容，也存储栈运行过程中需要用到的一些临时变量。

(4)方法执行区：用于虚拟机执行过程中栈操作的空间，保存运行的执行数据、中间结果等。
应用代码区和静态变量区可以通过文件系统进行存储，保存在智能卡的Flash中。信息共享区和方法执行区一般通过物理地址读写，保存在智能卡的RAM中。

4 JCVM中栈与帧的执行对象

由于具有方便移植、安全和程序代码小等优点，JCVM中执行的程序都是以字节码的形式存在，而栈与帧的主要执行对象就是存放在应用代码区的Java卡应用程序方法字节码。方法字节码由2个或4个字节的方法头和之后若干长度的方法执行字节码组成。方法头中主要包含了max_local，max_stack，narg等信息，其中，max_local指出了该方法需要申请用于局部变量区数组的空间大小，max_stack指出了该方法需要申请用于操作数栈执行的空间空间大小，narg则说明了需要传递的参数个数。这些信息为之后创建相应的帧提供了重要的信息。而方法执行字节码则是一串符合JCVM规范并得以实现该方法的16字节操作码。