构建C语言解释器的虚拟机和指令集设计-优快云博客

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构建C语言解释器的虚拟机和指令集设计

write-a-C-interpreter Write a simple interpreter of C. Inspired by c4 and largely based on it. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/wr/write-a-C-interpreter

本文是"手写C语言解释器"系列教程的一部分，将深入讲解如何为解释器设计一个精简的虚拟机(VM)和指令集。这个虚拟机将成为后续代码生成阶段的目标平台。

计算机内部工作原理概述

要理解虚拟机设计，首先需要了解计算机的三个核心组件：

CPU：负责执行指令
寄存器：存储计算机运行状态
内存：存储指令和数据

内存分段设计

现代操作系统将程序可用的内存划分为多个段：

text段：存储可执行代码
data段：存储已初始化数据
bss段：存储未初始化数据
stack段：处理函数调用状态和局部变量
heap段：动态内存分配

在我们的简化虚拟机中，我们只关注三个关键段：

int *text;    // 代码段
int *stack;   // 栈段
char *data;   // 数据段(仅存储字符串字面量)

寄存器设计

我们的虚拟机使用4个核心寄存器：

PC(程序计数器)：指向下一条要执行的指令
SP(栈指针)：指向栈顶(栈从高地址向低地址增长)
BP(基址指针)：用于函数调用时指向栈帧
AX(通用寄存器)：存储指令执行结果

寄存器初始化代码如下：

int *pc, *bp, *sp, ax;  // 虚拟机寄存器

// 初始化
bp = sp = (int *)((int)stack + poolsize);  // 栈指针初始化为栈顶
ax = 0;  // 通用寄存器清零

指令集设计与实现

我们的指令集基于x86架构但大幅简化，采用枚举定义所有指令：

enum { 
    LEA, IMM, JMP, CALL, JZ, JNZ, ENT, ADJ, LEV, LI, LC, SI, SC, PUSH,
    OR, XOR, AND, EQ, NE, LT, GT, LE, GE, SHL, SHR, ADD, SUB, MUL, DIV, MOD,
    OPEN, READ, CLOS, PRTF, MALC, MSET, MCMP, EXIT 
};

数据移动指令

我们将传统的MOV指令分解为5个专用指令：

IMM：将立即数加载到AX寄存器
LC：从AX指定的地址加载字符到AX
LI：从AX指定的地址加载整数到AX
SC：将AX中的字符存储到栈顶地址
SI：将AX中的整数存储到栈顶地址

实现代码：

if (op == IMM) { ax = *pc++; }          // 加载立即数
else if (op == LC) { ax = *(char *)ax; } // 加载字符
else if (op == LI) { ax = *(int *)ax; }  // 加载整数
else if (op == SC) { *(char *)*sp++ = ax; } // 存储字符
else if (op == SI) { *(int *)*sp++ = ax; }  // 存储整数

栈操作指令

PUSH：将AX的值压入栈中

else if (op == PUSH) { *--sp = ax; }

控制流指令

JMP：无条件跳转
JZ/JNZ：条件跳转(基于AX是否为0)

else if (op == JMP) { pc = (int *)*pc; }  // 无条件跳转
else if (op == JZ) { pc = ax ? pc + 1 : (int *)*pc; }  // AX为0时跳转
else if (op == JNZ) { pc = ax ? (int *)*pc : pc + 1; } // AX非0时跳转

函数调用指令

函数调用是虚拟机中最复杂的部分，需要多个指令配合：

CALL：调用子程序
ENT：创建新栈帧
ADJ：调整栈指针
LEV：恢复调用帧和PC

else if (op == CALL) { *--sp = (int)(pc+1); pc = (int *)*pc; } // 调用子程序
else if (op == ENT) { *--sp = (int)bp; bp = sp; sp -= *pc++; }  // 创建新栈帧
else if (op == ADJ) { sp += *pc++; }                            // 调整栈指针
else if (op == LEV) { sp = bp; bp = (int *)*sp++; pc = (int *)*sp++; } // 恢复调用帧

参数访问指令

LEA：加载参数地址到AX

else if (op == LEA) { ax = (int)(bp + *pc++); }  // 加载参数地址

算术运算指令

每个C语言运算符对应一个虚拟机指令，操作数从栈顶和AX中获取：

else if (op == ADD) { ax = *sp++ + ax; }  // 加法
else if (op == SUB) { ax = *sp++ - ax; }  // 减法
// 其他算术运算类似...

系统调用指令

为了与外部交互，我们实现了一些内置系统调用：

else if (op == EXIT) { printf("exit(%d)", *sp); return *sp; }  // 退出程序
else if (op == OPEN) { ax = open((char *)sp[1], sp[0]); }      // 打开文件
// 其他系统调用...