مدخل إلى جافا آلة جافا الافتراضية (Java Virtual Machine)

تتألّف لغة الآلة من تعليماتٍ بسيطةٍ جدًا يُمكن تنفيذها مباشرةً من قبل وحدة المعالجةِ المركزيّة للحاسوب. رغم ذلك، فإنّ جميع البرامج تقريبًا مكتوبةٌ بلغات برمجة عالية المستوى (high-level programming languages) مثل جافا أو بايثون أو C++‎. لا يُمكن تنفيذ البرنامج المكتوب بلغة برمجةٍ عالية المستوى مباشرةً على أيّ حاسوب. يجب أوّلًا أن يُترجم إلى لغة الآلة. يُمكن إجراء التّرجمة هذه من قبل برنامجٍ يُدعى المُصرّف (Compiler). يأخذ المُصرّف برنامجًا مكتوبًا بلغة برمجةٍ عالية المستوى ويترجمه إلى برنامج قابلٍ للتّنفيذ بلغة الآلة. حالما تنتهي التّرجمة، يُمكن تنفيذ البرنامج المُترجم إلى لغة الآلة في أي وقتٍ ولأيّ عددٍ من المرات على نوعٍ واحد من الحواسيب (نظرًا لأنّ لكلّ نوعٍ من الحواسيب لغة آلةٍ فريدةٌ خاصةٌ به). إذا ما أُريد للبرنامج أن يُنفّذ على نوع حواسيب مختلف، يجب إعادة ترجمته إلى لغة الآلة الموائمة باستخدام مُصرّف مختلف.

هنالك بديلٌ لترجمة البرامج المكتوبة بلغاتٍ عالية المستوى. عوضًا عن استخدام المُصرّف الذي يُترجم البرنامج دفعةً واحدة، يمكنك استخدام المُفسّر (Interpreter) الذي يترجمه تعليمةً تلو تعليمةٍ حسب الحاجة. المُفسّر هو برنامج يعمل بنفس آلية عمل وحدة المعالجة المركزيّة، عبر ما يشبه دورة جلب وتنفيذ خاصّة به. لتنفيذ برنامجٍ ما، يقوم المُفسّر بتشغيل حلقةٍ يقوم فيها بقراءة تعليمة واحدةٍ من البرنامج، تحديد ما يلزم لتنفيذ هذه التّعليمة، ومن ثم تنفيذ أوامر لغة الآلة الموافقة.

(يُشبه المُصرّف المُترجم البشريّ الذي يترجم كتابًا كاملًا من لغة إلى أخرى مما يُنتج كتابًا جديدًا في اللغة الهدف. أما المُفسّر فيقابل المُفسّر البشري الذي يترجم خطابًا في الأمم المتحدة من لغة إلى أخرى في الوقت ذاته الذي يُلقى فيه الخطاب.)

أحد استخدامات المفسّرات هو تنفيذ البرامج المكتوبة بلغات عالية المستوى. تُنفَّذ لغة البرمجة Lisp، على سبيل المثال، باستخدام مفسّر وليس مُصرّف. على أيّة حال، للمفسّرات غرضٌ آخر: تسمح المفسّرات لك باستخدام برنامج بلغة الآلة مُخصّص لنوع حواسيب معين على نوع آخر مختلفٍ كليًّا. على سبيل المثال، كان Commodore 64 أو "C64" أحد الحواسيب المنزليّة الأولى. وعلى الرغم من أنّك لن تجد C64 متوفرًا الآن في الأسواق، إلا أنّك تستطيع العثور على برامج محاكية له تعمل على حواسيب أخرى أو حتى ضمن مُتصفحات الويب. يستطيع محاكٍ كهذا تنفيذ برامج الحاسوب C64 عبر العمل كمفسّر للغة آلة C64.

اختار مصممو جافا استخدام مزيج بين التّصريف والتّفسير. تُصرّف البرامج المكتوبة بلغة جافا إلى لغة آلة، لكنها لغة آلة لحاسوبٍ غير موجود في الواقع. يُعرف هذا الحاسوب الافتراضي المزعوم بآلة جافا الافتراضيّة (Java Virtual Machine)، أو JVM. تُدعى لغة الآلة الخاصّة بآلة جافا الافتراضيّة بشيفرة جافا الثُّمانيّة أو جافا بايتكود (Java bytecode). لا يوجد سببٌ يمنع استخدام شيفرة جافا الثُّمانيَّة أو لغة البايتكود كلغة آلة لحاسوبٍ حقيقيٍّ بدلًا من الحاسوب الافتراضي. إلّا أنّ استخدام الآلة الافتراضيّة يفتح الطريق أمام أهم نقاط قوّة وشعبيّة جافا ألا وهي إمكانيّة استخدام هذه الشّيفرة على أي حاسوب. جلّ ما سيحتاجه هذا الحاسوب هو مفسّر لشيفرة جافا الثُّمانيَّة. يُحاكي مفسّر كهذا آلة جافا الافتراضيّة كما يُحاكي محاكي C64 حاسوبَ Commodore 64 الأصلي.

يُستخدم مصطلح آلة جافا الافتراضيّة أيضًا للإشارة إلى برنامج مفسّر شيفرة البايتكود الذي سيقوم بعمليّة المحاكاة، لذا نقول أنّ الحاسوب سيحتاج إلى آلة جافا الافتراضيّة لكي يُنفّذ برامج جافا. من الأدقّ – تقنيًّا – القول أنّ المفسّر يعمل على تحقيق أو تنفيذ (implement) آلة جافا الافتراضيّة بدلًا من القول أنّ المفسّر هو آلة جافا الافتراضيّة.

نحتاج بالطّبع إلى مفسّر مختلف لشيفرة جافا بايتكود من أجل كل نوعٍ من الحواسيب، لكن ما أن يتوفّر مفسّر شيفرة جافا بايتكود على حاسوبٍ ما حتّى يتسنّى له تنفيذ أيّ برنامج مكتوب بلغة جافا بايتكود، ويمكن تنفيذ هذا البرنامج نفسه على أيّ حاسوبٍ يمتلك مفسّرًا مشابهًا. هذه واحدةٌ من أهم ميّزات جافا: يمكن تنفيذ البرنامج المُصرّف ذاته على عدّة أنواعٍ مختلفةٍ من الحواسيب.

قد تتساءل الآن، لم استخدام شيفرة جافا بايتكود من الأصل؟ لم لا نقوم فقط بتوزيع برنامج جافا الأصلي وندعُ كل مستخدمٍ يُصرّفه إلى لغة الحاسوب الذي يريد تشغيل البرنامج عليه؟ هناك عدّة أسبابٍ. بادئ ذي بدء، على المُصرّف أن يفهم جافا، والتي هي لغةٌ معقّدةٌ عالية المستوى. المُصرّف بحدِّ ذاته برنامج معقّد. بالمقابل، مُفسّر شيفرة جافا بايتكود هو برنامج بسيط صغيرٌ نسبيًّا. تجعل هذه الحقيقةُ كتابةَ مفسّر شيفرة بايتكود لأي حاسوب جديد أمرًا أكثر سهولةً؛ وما أن يتمّ ذلك حتى يصبح هذا الحاسوب قادرًا على تنفيذ أي برنامج جافا مُصرّف. بينما تكون كتابة مُصرّف جافا لذلك الحاسوب نفسه أمرًا أصعب بكثير.

علاوةً على ذلك، يُفترض أنّ بعض برامج جافا سيتمّ تنزيلها عبر شبكة. يؤدي هذا إلى مخاوف أمنيّة بديهية: أنت لا ترغب بالتأكيد بتنزيل وتنفيذ برنامج قد يتسبب بأذية لحاسوبك أو ملفاتك. يؤدي مُفسّر الشّيفرة بايتكود دور مخزنٍ مؤقّت (buffer) بينك وبين البرنامج الذي قمت بتنزيله. أنت في الحقيقة تُنفّذ برنامج المُفسّر، الأمر الذي يُنفّذ البرنامج المُحمّل على نحوٍ غير مباشر. يُمكن للمُفسّر أن يحميك من الأنشطة الخطرة المُحتملة من طرف هذا البرنامج.

انتُقِدت جافا عندما كانت لغةً حديثةً العهد لأنها بطيئة: نظرًا لأن شيفرة جافا بايتكود تُنفّذ من قبل مُفسّر، كان يبدو أنّ برامج شيفرة جافا بايتكود لا يمكن لها أبدًا أن تُنفّذ بسرعة البرامج المُصرّفة إلى لغة آلة أصيلة (يُقصد بها لغة الآلة الحقيقيّة للحاسوب الذي يُنفّذ البرنامج عليه). مع ذلك، حُلّت هذه المشكلة إلى حدٍّ كبير باستخدام المُصرّفات في الوقت المُناسب (Just-in-time compilers) لتنفيذ شيفرة جافا بايتكود. يترجم المُصرّف في الوقت المناسب شيفرة جافا بايتكود إلى لغة آلة أصيلة وذلك أثناء تنفيذ البرنامج. يكون دخل المُصرّف في الوقت المناسب – كما أيّ مُفسّر عادي- عبارةً عن برنامج شيفرة جافا بايتكود ومهمّته هي تنفيذ هذا البرنامج. إلّا أنه أثناء تنفيذ البرنامج، يترجم أيضًا أجزاء منه إلى لغة الآلة. يُمكن عندئذٍ للأجزاء المترجمة من البرنامج أن تُنفّذ على نحو أسرع بكثيرٍ من الزمن اللازم لتفسيرها. نظرًا لأنّ بعض أجزاء البرنامج تُنفّذ عادةً مرّاتٍ كثيرة أثناء تنفيذ البرنامج، يُمكن للمصرف في الوقت المناسب أن يزيد من سرعة زمن التنفيذ الكلّي.

يجدرُ بالذكر أنّ لا يوجد رابطٌ بالضرورة بين جافا وشيفرة جافا بايتكود. يمكن بالتأكيد تصريف برنامج مكتوب بلغة جافا إلى لغة الآلة لحاسوب حقيقيّ. ويمكن تصريف البرامج المكتوبة بلغات أخرى إلى شيفرة جافا بايتكود. بيد أنّ اتحاد جافا وشيفرة جافا الثمانيّة مستقلٌّ عن المنصة، آمن، ومتوافق مع الشبكة ويسمح لك في الوقت ذااته بالبرمجة بلغة حديثة عالية المستوى وكائنيّة التّوجّه.

في السنوات الأخيرة الماضية، غدا شائعًا إحداثُ لغات برمجة جديدة أو إصدارات من لغات قديمة تُصرّف إلى شيفرة جافا بايتكود. يمكن لبرامج الشيفرة الثمانية المُصرّفة أن تُنفّذ على آلة جافا الافتراضيّة المعياريّة. من اللغات الحديثة التي طُوّرت خصيصًا لبرمجة آلة جافا الافتراضيّة نذكرُ: Scala، و Groovy، و Clojure و Processing. بينما Jython وJRuby هما الإصداران من لغتين قديمتين هما Python و Ruby اللذان يستهدفان آلة جافا الافتراضية. تسمح هذه اللغات بالاستفادة من مزايا آلة جافا الافتراضية وفي الوقت ذاته تجنّب بعض التفاصيل التقنية للغة جافا. في الحقيقة، إنّ استخدام لغات أخرى مع آلة جافا الافتراضيّة أصبح مهمًا للدرجة التي استدعت إضافة عدّة ميزات جديدة إلى آلة جافا الافتراضيّة خصيصًا لإضافة دعم أفضل لبعض هذه اللغات. بدورها، فتحت هذه التحسينات في آلة جافا الافتراضيّة المجال أمام ميزات جديدة في جافا.

يجدر أيضًا أن نذكر أنّ الجزء الأصعب بحقٍّ في الاستقلالية عن المنصة هو تأمين "واجهة مستخدم رسوميّة" (Graphical User Interface) تتضمن نوافذ، وأزرارًا وغيرها يمكنها العمل على جميع المنصات التي تدعم جافا. سنتطرق للمزيد حول هذا لاحقًا.

ترجمة -وبتصرف- للفصل The Java Virtual Machine من الكتاب Introduction to Programming Using Java