CN100356326C - 基于操作栈记录的恢复的Java线程迁移的方法 - Google Patents
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Abstract
基于操作栈记录与恢复的Java线程迁移的方法属于线程迁移技术领域，其特征在于：它通过动态的解释载入的字节码，使得在载入目标字节码的同时，动态地修改插入的目标字节码。对于赋值操作，它把相应的代码段隔离，以此代替对操作栈中的内容进行隔离；对于保存操作栈内容的操作，针对每一次出栈入栈的操作，都用插入相应的字节码的方法来记录相应的操作，它操作安全效率也高。
Description
技术领域
基于操作栈记录的恢复的Java线程迁移的方法属于线程迁移技术领域，尤其涉及Java线程迁移技术。
背景技术
随着分布式计算系统(distributed computing)以及移动式计算系统的发展，线程迁移技术的重要性越来越显现出来，而随着异构系统的需要Java平台的普遍使用，Java线程迁移策略越来越被重视，它被广泛的应用到容错，负载平衡等领域。
Java线程迁移(Java Thread Migration)指的是，将在我们的系统中运行的线程(Thread)，以线程(Thread)为最小单位，从正在运行的节点(node)暂停执行，将该线程的代码(code)以及数据(data)传输到系统中其他的可运行节点，继续执行的过程。通常，我们所说的透明迁移(transparent migration)，指的是，系统在捕捉和恢复线程的代码以及数据的过程中，没有外部的介入，这个外部指的是用户。
目前，Java线程迁移领域里，由于java虚拟机没有相应的接口，不能提供给外部程序使其得到正在运行的线程的各种状态，其中包括PC(指令指针)以及操作栈内的内容，公认的可行的方法有两种：
第一种：直接修改虚拟机代码，这样的处理方法很直接，但是带来的问题也是很明显的，这种不透明的处理方法会产生很严重的兼容性问题，众所周知，拥有Java虚拟机版权的SUNMicrosystems(太阳微系统)公司对版权问题是很敏感而且很严格控制其版本的。
第二种：不涉及到修改虚拟机的任何代码，根据Java代码的执行特点，在代码动态加载的时候，动态的修改需要执行的代码，在目标代码中增加所需要的代码段，记录所需要的环境变量包括PC(指令指针)的值，同时利用Java提供的调试工具JPDA(Java Platform DebugArchitecture Java调试平台体系结构)，抽取java虚拟机中的操作栈中的内容。
我们阐述的重点将放在第二种方案，针对Java线程(Thread)中的PC(Program Counter程序指针计数器)值以及Local Variables(局部变量)的恢复，目前有一些研究机构提出了自己的策略，如比利时的KULEUVEN研究院采用了Java线程序列化策略，以色列技术学院采用了重新改装Java编译器的策略。我们沿用了利用JPDA捕捉PC以及Local Variables的数值，采用了Java线程序列化来保存，并利用插入Byte Code(字节码)来恢复这些值的状态的方案。
虽然很多研究机构对上述的两种PC和Local Variables的捕捉和恢复，有很多方案，但是很少提及对Thread的Operand Stack(操作栈)的捕捉和恢复，并且没有研究机构能发表出明确可行的方案，这一点是我们参考的文献中没有任何一家研究提到过的。
针对这个线程迁移中的重点和难点，我们提出了自己的可行方案，实现了Java Thread线程中的Operand Stack(操作栈)的恢复，我们的策略可以很安全有效地实现。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种安全有效的基于操作栈记录的恢复的Java线程迁移方法。
其特征在于：它通过动态地解释载入的目标字节码，使得在载入目标字节码的同时，动态地修改载入的目标字节码，对下述不同的程序操作进行不同的处理：
[1]进入目标字节码，判断用户java程序的目标字节码中定义的所有方法是否处理完毕，如果处理完毕，退出Java线程迁移处理程序；
[2]读入用户java程序的目标字节码定义的下一个未处理的方法；
[3]判断该方法是否为java语言中的类的初始化方法，即开头标识为“<init>”，如果是初始化方法，则不进行任何处理；
[4]如果该方法不是初始化方法，则逐条依次读入该方法的每条语句；
[5]进入该方法的定义体，判断该方法中的语句是否全部处理完毕，如果处理完毕，退出该方法的处理部分，转到步骤[1]；
[6]读入该方法中下一条未处理的语句，判断该语句是否为赋值语句，如果该语句是赋值语句，则进行赋值类型语句的相应处理，如果该语句是表达式类型的语句，则进行表达式类型的相应处理；处理结束后重复步骤[5]：
(1)赋值操作：把相应的代码段隔离，以便当执行到这些隔离代码段时去阻止迁移，以此代替对操作栈中的内容进行隔离：
赋值类型语句的处理：
I.在赋值类型语句的前面插入代码隔离段开始部分标志：iconst_1，istore_2，
II.在赋值类型语句的后面插入代码隔离段结束部分标志：iconst_0，istore_2，
(2).操作栈内容保存的操作，它是针对表达式类型语句的：在载入目标字节码的过程中，插入相应的处理代码，及时对每一次出栈入栈的操作，都用插入相应的字节码的方法来记录相应的操作：
表达式类型语句处理：
I.读入表达式类型语句的目标代码段下一条未处理语句；
II.插入代码隔离段开始部分标志：iconst_1，istore；
III.插入代码隔离段结束部分标志：iconst_0，istore；
IV.转到I直到表达式类型语句的目标代码段处理完毕。
使用证明：它同时保证了线程迁移的正确性和Java线程迁移的效率。
附图说明
图1，基于操作栈记录的恢复的Java线程迁移方法的程序流程框图。
具体实施方式
本发明采用的方法是不对Java虚拟机进行任何的修改，而从目标代码入手。Java是一种解释性的语言，它通过动态的解释载入的目标字节码(Byte Code)，使我们在载入目标字节码的同时，动态的修改插入目标字节码的策略成为可能，这样一来，Java虚拟机(JVM)解释的就是经过我们的程序处理过的代码了。
Java本质上是一种面向堆栈的语言，这种特点决定了，Java里面任何与数值有关的操作比如赋值，表达式的计算都需要借助栈来完成，而我们的目的是要在目标代码计算的同时，记录和保存操作栈中的内容，以便于在程序迁移到其他的目标节点的时候能够恢复操作栈的内容。
我们针对不同的程序操作进行了不同的处理。第一种赋值操作，我们的策略是将相应的代码段隔离，当执行到这些隔离代码段的时候，不进行迁移，这样也就不用对操作栈中的内容进行隔离了。第二种情况是我们需要进行操作栈内容保存的，在载入目标字节码的过程中，如果遇到了下面这样类型的语句赋值、表达式运算(形如以下的表达式代码段)：x＝y+z；我们要插入相应的处理代码。方法如下：
[1]进入目标字节码，判断用户java程序的目标字节码中定义的所有方法是否处理完毕，如果处理完毕，退出Java线程迁移处理程序；
[2]读入用户java程序的目标字节码定义的下一个未处理的方法；
[3]判断该方法是否为java语言中的类的初始化方法，即开头标识为“<init>”，如果是初始化方法，则不进行任何处理；
[4]如果该方法不是初始化方法，则逐条依次读入该方法的每条指令；
[5]进入该方法的定义体，判断该方法中的指令是否全部处理完毕，如果处理完毕，退出该方法的处理部分，转到步骤[1]；
[6]读入该方法中下一条未处理的语句，判断该语句是否为赋值语句，如果该指令是赋值语句，则进行赋值类型语句的相应处理，如果该语句是表达式类型的语句，则进行表达式类型的相应处理；处理结束后重复步骤[5]：
(1)赋值操作：把相应的代码段隔离，以便当执行到这些隔离代码段时去阻止迁移，以此代替对操作栈中的内容进行隔离：
赋值类型语句的处理：
I.在赋值类型语句的前面插入代码隔离段开始部分标志：iconst_1，istore_2，
II.在赋值类型语句的后面插入代码隔离段结束部分标志：ieonst_0，istore_2，
(2).操作栈内容保存的操作(针对表达式类型语句)：在载入目标字节码的过程中，插入相应的处理代码，及时对每一次出栈入栈的操作，都用插入相应的字节码的方法来记录相应的操作：
表达式类型语句处理：
I.读入表达式类型语句的目标代码段下一条未处理指令；
II.插入代码隔离段开始部分标志：iconst_1，istore_2；
III.判断表达式类型语句的目标代码段：
1)如果是表达式类型当中的计算部分，记录操作栈中的内容计数器加1，复制操作栈顶的内容，弹出并保存操作栈顶的内容到新插入的变量中；
2)否则，如果是表达式类型中的最后一个赋值操作，记录操作栈中的内容计数器减1，弹出并保存操作栈顶的内容到新插入的变量中；
IV.插入代码隔离段结束部分标志：iconst_0，istore_2；
V.转到I直到表达式类型语句的目标代码段处理完毕。
下面，我们针对这两种不同的处理过程，给出两个简单的例子
A)赋值操作的处理：
。。。。。。。
x＝100；//X变量的值设置成100
。。。。。。。
普通汇编的结果是：
0： bipush 100 //常数100进入操作栈(Operand stack)
2： istore_1 //将操作栈顶的数值弹出并设置变量X
我们的处理，在该代码段的前后都插入我们的代码隔离标志，向系统表明，该代码段不可以打断，只有执行完毕才可以迁移。
处理的结果的代码是：
0： iconst_1 //插入的代码隔离段开始部分标志
1： istore_2 //插入的代码隔离段开始部分标志
2： bipush 100 //原来的代码段
4： istore_1 //原来的代码段
5： iconst_0 //插入的代码隔离段结束部分结束标志
6： istore_2 //插入的代码隔离段结束部分标志
B)表达式操作的处理：
。。。。。。。
x＝y+z；//将y，z相加并将结果赋值给X
。。。。。。。
普通汇编的结果是：
8： iload_2 //将变量y的值压入操作栈
9： iload_3 //将变量z的值压入操作栈
10： iadd //将操作栈顶的两个值相加并将结果放入栈顶
11： istore_1 //将操作栈顶的数值弹出并设置变量X
我们的处理是针对每一次出栈入栈操作，都用插入相应的byte code来记录相应的操作，
针对上面第8条语句就处理成如下结果：
26： iconst_1 //插入的代码隔离段开始部分标志
27： istore_2 ％4 //插入的代码隔离段开始部分标志
29： iload_2 //原来的代码段
30： iinc ％5-1//记录操作栈中的内容计数器+1
33： dup //复制操作栈顶的内容
34： istore ％6 //弹出并保存操作栈顶的内容到新插入的变量中
36： iconst_0 //插入的代码隔离段结束部分标志
37： istore_2％4 //插入的代码隔离段结束部分标志
经过针对每条语句的类似的处理，结果的代码如下：
//对第8条语句iload_2的修改
26： iconst_1 //插入的代码隔离段开始部分标志
27： istore_2％4 //插入的代码隔离段开始部分标志
29： iload_2 //原来的代码段
30： iinc ％5-1 //记录操作栈中的内容计数器+1(操作栈为1个值)
33： dup //复制操作栈顶的内容
34： istore ％6 //弹出并保存操作栈顶的内容到新插入的变量中
36： iconst_0 //插入的代码隔离段结束部分标志
37： istore_2％4 //插入的代码隔离段结束部分标志
//对第9条语句iload_3的修改
39： iconst_1 //插入的代码隔离段开始部分标志
40： istore_2 ％4 //插入的代码隔离段开始部分标志
42： iload_3 //原来的代码段
43： iinc ％5 -1 //记录操作栈中的内容计数器+1(操作栈为2个值)
46： dup //复制操作栈顶的内容
47： istore ％7 //弹出并保存操作栈顶的内容到新插入的变量
49： iconst_0 //插入的代码隔离段结束部分标志
50： istore_2 ％4 //插入的代码隔离段结束部分标志
//对第10条语句iadd的修改
52： iconst_1 //插入的代码隔离段开始部分标志
53： istore_2 ％4 //插入的代码隔离段开始部分标志
55： iadd //原来的代码段
56： iinc ％5 1 //记录操作栈中的内容计数器-1(此时操作栈数为1)
59： dup //复制操作栈顶的内容
60： istore ％6 //弹出并保存操作栈顶的内容到新插入的变量
62： iconst_0 //插入的代码隔离段结束部分标志
63： istore_2 ％4 //插入的代码隔离段结束部分标志
//对第11条语句istore_1的修改
65： iconst_1 //插入的代码隔离段开始部分标志
66： istore_2 ％4 //插入的代码隔离段开始部分标志
68： istore_1 //原来的代码段
69： iinc ％5 1 //记录操作栈中的内容计数器-1(此时操作栈为空)
72： iconst_0 //插入的代码隔离段结束部分标志
73： istore_2 ％4 //插入的代码隔离段结束部分标志
综上所述，针对我们的目标，保证Java线程迁移的过程中的栈能够被正确的恢复，同时考虑到迁移过程中的效率问题，我们采用的策略是分析目标代码的类型，采用了对赋值表达式利用类似数据库中的事务处理进行隔离，也就是说把赋值表达式的目标代码看作一个整体，进行原子操作。而同时针对Java线程中的表达式操作，我们则采用了上面所描述的方法，同时上面也展示了被我们的策略修改前和修改之后的目标代码。
经过测试，我们的策略能够保证Java线程在迁移过程栈能够正确的恢复，从而保证了线程迁移的正确性，同时我们的策略也保证了Java线程迁移的效率。
相应的一般性的程序流程框图见图1。
首先，需要指出和说明的是，本文中的算法采用的机制是对透明的算法，这里透明的含义是指，本文上面流程中阐述的，针对用户提交程序迁移的过程中所需要的，捕捉用户程序的程序指针，程序的变量的数值，和用户程序操作栈的内容，并且在目标代码迁移到目标代码之后，针对用户程序指针，程序的变量的数值，和用户程序操作栈的内容的恢复工作，所有的上面的工作，都是在用户透明的情况下进行的，也就是说，用户不需要对上面所阐述的种种工作进行参与和操作，这些工作都是由，元计算系统中的线程迁移模块来完成的。
因此，鉴于上面的阐述，拥有本文中的所描述的线程迁移的算法的元计算系统中，如果需要迁移用户提交的任务到目标节点，用户无需做出额外的动作。
Claims (1)
1.基于操作栈纪录的恢复的Java线程迁移的方法，其特征在于：它通过动态地解释载入的目标字节码，使得在载入目标字节码的同时，动态地修改载入的目标字节码，对下述不同的程序操作进行不同的处理：
[1]进入目标字节码，判断用户java程序的目标字节码中定义的所有方法是否处理完毕，如果处理完毕，退出Java线程迁移处理程序；
[2]读入用户java程序的目标字节码定义的下一个未处理的方法；
[3]判断该方法是否为java语言中的类的初始化方法，即开头标识为“<init>”，如果是初始化方法，则不进行任何处理；
[4]如果该方法不是初始化方法，则逐条依次读入该方法的每条语句；
[5]进入该方法的定义体，判断该方法中的语句是否全部处理完毕，如果处理完毕，退出该方法的处理部分，转到步骤[1]；
[6]读入该方法中下一条未处理的语句，判断该语句是否为赋值语句，如果该语句是赋值语句，则进行赋值类型语句的相应处理，如果该语句是表达式类型的语句，则进行表达式类型的相应处理；处理结束后重复步骤[5]：
(1).赋值操作：把相应的代码段隔离，以便当执行到这些隔离代码段时去阻止迁移，以此代替对操作栈中的内容进行隔离：
赋值类型语句的处理：
I.在赋值类型语句的前面插入代码隔离段开始部分标志：iconst_1，istore_2，
II.在赋值类型语句的后面插入代码隔离段结束部分标志：iconst_0，istore_2，
(2).操作栈内容保存的操作，它是针对表达式类型语句的：在载入目标字节码的过程中，插入相应的处理代码，及时对每一次出栈入栈的操作，都用插入相应的字节码的方法来记录相应的操作：
表达式类型语句处理：
I.读入表达式类型语句的目标代码段下一条未处理语句；
II.插入代码隔离段开始部分标志：iconst_1，istore；
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IV.转到I直到表达式类型语句的目标代码段处理完毕。
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