《自己动手写java虚拟机》学习笔记(九）-----指令集和解释器

红太狼 2021-01-25 17:21 537阅读 0赞

项目地址：[https://github.com/gongxianshengjiadexiaohuihui][https_github.com_gongxianshengjiadexiaohuihui]

后面的笔记将不会区分go很java，也会改变以前大篇幅的写代码，更加注重对思想的讲解，但是两种语言的代码会同步更新

我们只到cpu是通过执行一条条设定好的指令，来指挥我们的电脑，同样虚拟机的工作也是执行一条条指令，那么我们的指令放在那里呢？如果有印象的话，实在MemberInfo的Code属性中，我们需要读取里面的字节码然后，去执行指令。字节码中存放编码后的java虚拟机指令。每一条指令都以一个单字节的操作码开头，这就是字节码名称的由来。

由于只使用一个字节表示操作码,java虚拟机最多只能支持256条指令。到第八版为止。java虚拟机规范已经定义了205条指令构成了java虚拟机的指令集。和汇编语言类似，java虚拟机规范给每个操作码都指定了一个助记符。比如0x00这条指令，助记符是nop。

java虚拟机使用的是变长指令，操作码后面可以跟零字节或多字节。如果把指令想象成函数的话。操作数就是它的参数。为了让编码后的字节码更加紧凑，很多操作码本身隐含了操作数，比如把常数0推入操作数栈的助记就是iconst\_0

java虚拟机规范把已经定义的205条指令按用途分为了11类，

指令涉及的操作有 取指令  解析指令  执行指令，解析指令我们可以写一个工厂类来完成，取指令和执行指令我们可以抽象出一个接口来

package instructions.base;
    
    import rtda.Frame;
    
    /**
     * @Author:ggp
     * @Date:2019/2/28 14 02
     * @Description:指令的接口，每条指令都要实现
     */
    public interface Instruction {
        /**
         * 取指令操作
         * @param reader
         */
        void fetchOperands(ByteCodeReader reader);
    
        /**
         * 执行指令操作
         * @param frame
         */
        void execute(Frame frame);
    }

同时指令按照类型还能分为没有操作数的指令 操作数是单字节的需要访问索引，操作数是双字节的，需要访问运行时常量池。还有跳转指令

拿使用频率最高的无操作数指令的抽象父类来举例

package instructions.base;
    
    /**
     * @Author:ggp
     * @Date:2019/3/9 14 18
     * @Description:没有操作数的指令，操作数往往隐藏在指令中
     */
    public abstract class NoOperandsInstruction implements Instruction{
        @Override
        public void fetchOperands(ByteCodeReader reader){
    
        }
    }

然后下面的几种指令集只需要继承上面的几个抽象父类，实现自己的执行指令方法即可

##  常量指令  ##

常量指令把常量推入操作数栈顶。常量可以来自三个地方：隐含在操作码里、操作数和运行时常量池

##  加载指令 loads ##

加载指令是根据索引去局部变量表中拿取变量放入操作数栈中，索引来自操作数，或隐藏在操作码中

##  存储指令 stores ##

存储指令和加载指令相反，从操作数栈弹出栈顶元素，然后根据索引存储在局部变量表中，索引来自操作数或隐藏在操作码中

##  操作数栈指令 stack ##

pop系列，弹出栈顶slot

dup系列，复制栈顶变量

swap系列，交换栈顶变量

##  数学指令  math ##

弹出操作数栈的两个变量，进行数学运算，包括加减乘除取余取反位移还有逻辑运算

##  转换指令 conversions ##

弹出操作数栈的栈顶元素，进行四种基本类型的转换 int long double float

##  比较指令 comparisons ##

分两种，一种是把比较结果推入操作数栈顶，另一种是根据比较结果跳转

##  控制指令 control ##

跳转指令和switch指令

##  扩展指令 extended ##

需要访问局部变量表的指令，索引以uint8的形式存在字节码中，对于大部分方法来说，局部变量表大小一般不会超过256，所以用一个自己就可以了，但是如果有方法的局部变量表超过这限制时，java虚拟机规范定义了wide指令来扩展上面的指令

##  引用指令 references ##

本节不涉及

##  保留指令 reserved ##

保留指令一共有三条。其中一条是留给调试器的，用于实现断点，操作码是202，助记符是breakpoint。另外两条是留给java虚拟机内部使用。分别是254和266，助记符是impdep1和impdep2，这三条指令不允许出现在class文件中。

解释器

其实我们上面已经说了解释器的工作 ，取指令 解析指令 执行指令

我们看一下实现

package main
    
    import (
    	"fmt"
    	"jvmgo/classfile"
    	"jvmgo/instructions"
    	"jvmgo/instructions/base"
    	"jvmgo/rtda"
    )
    
    //解释器
    func interpret(methodInfo *classfile.MemberInfo ){
    	codeAtrr := methodInfo.CodeAttribute()
    	maxLocals := codeAtrr.MaxLocals()
    	maxStack := codeAtrr.MaxStack()
    	bytecode := codeAtrr.Code()
        //回忆一下，new线程的时候，会创建一个1024帧大小的stack
    	thread := rtda.NewThread()
    	//暂时只推进一帧，也就是只执行一个方法
    	frame := thread.NewFrame(maxLocals, maxStack)
    	thread.PushFrame(frame)
        //defer是Golang中的关键字，常用来释放资源，会在函数返回之前进行调用。如果有多个defer表达式，调用顺序类似于栈，后进先出
        //defer函数调用的执行时机是外层函数设置返回值之后，并且在即将返回之前
    	defer catchErr(frame)
        loop(thread, bytecode)
    }
    func catchErr(frame *rtda.Frame){
    	//go中可以抛出一个panic异常，然后通过在defer中通过recover捕获这个异常，然后正常处理
    	//在一个主进程中，多个go线程处理逻辑的结构中，这个很重要，如果不用recover捕获panic异常，会导致整个进程出错中断
    	if r := recover(); r != nil{
    		fmt.Printf("LocalVars:%v\n", frame.LocalVars())
    		fmt.Printf("OperandStack:%v\n", frame.OperandStack())
    		panic(r)
    	}
    }
    //循环执行 计算pc，解码指令，执行指令
    func loop(thread *rtda.Thread, bytecode []byte){
    	fmt.Printf("**\n")
    	frame := thread.PopFrame()
    	reader := &base.ByteCodeReader{}
    	for{
    		//取指令
    		pc := frame.NextPC();
    		thread.SetPC(pc);
    		//主要针对跳转指令
    		reader.Reset(bytecode,pc)
    		opcode := reader.ReadUint8()
    
    		//解码
    		inst := instructions.NewInstruction(opcode);
            inst.FetchOperands(reader)
            frame.SetNextPC(reader.PC())
    
            //执行
            fmt.Printf("pc:%2d inst:%T %v\n",pc, inst, inst)
            inst.Execute(frame)
    	}
    }

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