如果只是做賦值、循環(huán)、函數(shù)調(diào)用的話,我們還需要引入加減法,判斷,跳轉(zhuǎn)功能。

然后我們管理兩段空間,分別是指令空間、數(shù)據(jù)空間就好了。

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如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的虛擬機(jī)?

時(shí)間:2024-01-09 00:00:01 | 來(lái)源:網(wǎng)站運(yùn)營(yíng)

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如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的虛擬機(jī)?:可以參考一下CPU的相關(guān)實(shí)現(xiàn),做一個(gè)指令的子集就行。

如果只是做賦值、循環(huán)、函數(shù)調(diào)用的話,我們還需要引入加減法,判斷,跳轉(zhuǎn)功能。

然后我們管理兩段空間,分別是指令空間、數(shù)據(jù)空間就好了。

指令采用一個(gè)簡(jiǎn)單方式,1個(gè)字節(jié)的指令編碼,1個(gè)標(biāo)志判斷,2個(gè)2字節(jié)參數(shù)。

typedef struct inst{ unsigned char code; // 指令 unsigned char cond, // 執(zhí)行該指令的條件 unsigned short p1, p2; // 參數(shù)1、2} inst_t;typedef unsigned short data_t; // 我們操作的就是16位數(shù)接下來(lái)我們需要有一個(gè)保存狀態(tài)的結(jié)構(gòu)

typedef struct vm_state{ int ip; // 指令ptr int flag; // 記錄最后判斷的標(biāo)志 inst_t *code; // 代碼段地址 data_t *data; // 數(shù)據(jù)段地址} vm_state_t;定義一下需要的指令:

#define IADD 1 // 加法#define ISUB 2 // 減法#define ICMP 3 // 判斷#define IJMP 4 // 跳轉(zhuǎn)#define IMOV 5 // 賦值#define ISTIP 6 // 保存IP#define ILDIP 7 // 設(shè)置IP(跳轉(zhuǎn))#define ILD 8 // 加載一個(gè)立即數(shù)#define IOUT 9 // 輸出#define ISTOP 255 // 掛起虛擬機(jī)定義一下執(zhí)行指令的條件,也就是說(shuō)在什么條件下才執(zhí)行該指令

#define FNA 0 // 任何狀態(tài)下都執(zhí)行#define FEQ 1 // 狀態(tài)為“相等”時(shí)執(zhí)行#define FNE 2 // 狀態(tài)為“不等”時(shí)執(zhí)行好了,然后我們可以寫(xiě)一個(gè)虛擬機(jī)的執(zhí)行的函數(shù)了

void execute(vm_state_t *state){ for (;;) // 執(zhí)行到掛起為止 { inst_t *current = state->ip; state->ip++; // 取出指令以后自動(dòng)ip后移 if (current->cond != FNA && current->cond != state->flag) // 該指令要求的狀態(tài)不符合當(dāng)前狀態(tài),略過(guò) continue; switch (current->code) { case IADD: // 將p1指向的數(shù)據(jù)加上p2指向的數(shù)據(jù) state->data[current->p1] += state->data[current->p2]; break; case ISUB: state->data[current->p1] -= state->data[current->p2]; break; case ICMP: // 比較p1指向的數(shù)據(jù)和p2指向的數(shù)據(jù) if (state->data[current->p1] == state->data[current->p2]) state->flag = FEQ; else state->flag = FNE; break; case IJMP: // 跳轉(zhuǎn),指令根據(jù)p1進(jìn)行偏移 state->ip += current->p1; break; case IMOV: // 將p1指向的數(shù)據(jù)設(shè)置為p2指向的數(shù)據(jù) state->data[current->p1] = state->data[current->p2]; break; case ISTIP: // 把IP保存到p1指向的數(shù)據(jù) state->data[current->p1] = (data_t) state->ip; break; case ILDIP: // 將IP設(shè)置為p1指向的數(shù)據(jù),該指令會(huì)導(dǎo)致跳轉(zhuǎn) state->ip = state->data[current->p1]; break; case ILD: // 將立即數(shù)p2加載到p1指向的數(shù)據(jù) state->data[current->p1] = p2; break; case IOUT: // 輸出p1指向的數(shù)據(jù) printf("%d/n", state->data[current->p1]); break; case ISTOP: return; } }}這虛擬機(jī)就算寫(xiě)完了。

這個(gè)虛擬機(jī)能做點(diǎn)什么呢?比如做一個(gè)類(lèi)似這樣的加法還是可以的:

int sum = 0;for (int i = 1; i != 101; i++) sum += i;我們可以這樣處理:

保存sum在數(shù)據(jù)段0號(hào)

保存i在數(shù)據(jù)段1號(hào)

保存101立即數(shù)在數(shù)據(jù)段2號(hào)

保存立即數(shù)1在數(shù)據(jù)段3號(hào)

翻譯的指令如下:

0000 ILD 2, 100 // 放立即數(shù)101到2號(hào)位0001 ILD 3, 1 // 放立即數(shù)1到3號(hào)位0002 ILD 1, 1 // 放立即數(shù)1到變量i0003 ILD 0, 0 // 放立即數(shù)0到變量sum0004 ICMP 1, 2 // 比較i和1010005 [FEQ] IJMP 3 // 如果相等(i==101)就跳轉(zhuǎn)到9,因?yàn)橹噶顖?zhí)行完ip為6,所以+3就到了9 0006 IADD 0, 1 // sum += i0007 IADD 1, 3 // i++,3號(hào)位保存的就是10008 IJMP -5 // 跳轉(zhuǎn)到4,因?yàn)橹噶顖?zhí)行完ip為9,所以減5就到了指令40009 IOUT 0 // 輸出sum0010 ISTOP // 掛起要想測(cè)試一下,寫(xiě)一個(gè)函數(shù)把這些指令放進(jìn)去就行。

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>inst_t sample_code[] ={ { ILD, FNA, 2, 100 }, { ILD, FNA, 3, 1 }, { ILD, FNA, 1, 1 }, { ILD, FNA, 0, 0 }, { ICMP, FNA, 1, 2 }, { IJMP, FEQ, 3, 0 }, { IADD, FNA, 0, 1 }, { IADD, FNA, 1, 3 }, { IJMP, FNA, -5, 0 }, { IOUT, FNA, 0, 0 }, { ISTOP, FNA, 0, 0 }};data_t data_seg[16];void main(int argn, char *argv[]){ vm_state_t state; memset(&state, 0, sizeof(state); state->code = sample_code; state->data = data_seg; execute(state);}這個(gè)簡(jiǎn)單的虛擬機(jī)是否可以實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用呢?答案是可以的,利用ISTIP、ILDIP就可以了,返回地址可以保存在數(shù)據(jù)段中。

這個(gè)虛擬機(jī)非常簡(jiǎn)單,效率低、空間浪費(fèi)、功能有限,不過(guò)在這個(gè)基礎(chǔ)上可以自己優(yōu)化、擴(kuò)充嘛。

關(guān)于需要閱讀什么書(shū)籍?這個(gè)要看自己當(dāng)前的水平了,直接介紹專(zhuān)業(yè)著作怕是不一定能看的下去。我建議可以自己先寫(xiě)著玩玩,實(shí)現(xiàn)一些功能,嘗試編譯一些自定義的腳本代碼到自己的虛擬機(jī)上,然后再閱讀一點(diǎn)編譯原理、垃圾回收、JIT相關(guān)的文章,看看Intel、ARM的CPU的指令手冊(cè),把自己實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的虛擬機(jī)做的像樣一些。玩的差不多了,可以看看

http://www.jilp.org/vol5/v5paper12.pdf。

最后:上述代碼回答時(shí)隨手寫(xiě)的,沒(méi)有編譯調(diào)試過(guò),難免有很多筆誤...

關(guān)鍵詞:虛擬,簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)

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