golang数组组合成最小的整数_[Golang实现JVM第四篇]整数加法和条件判断指令的实现...

在上一篇中我们实现了一个能跑的解释器&＃xff0c;支持了一些基本的栈操作指令。现在我们就可以开始实现"有点用"的数学运算和条件判断了。

局部变量表、程序计数器

由于JVM字节码是基于栈的指令集&＃xff0c;因此一切操作都是以栈为基础的&＃xff0c;也就是说计算1&＃43;1,那需要先在栈中压入两个1然后进行计算&＃xff0c;如果是对象方法调用&＃xff0c;那么对象的引用、方法参数都会事先被压入栈中。除栈外还有一个跟执行相关的重要结构就是局部变量表(Local Variable Table)&＃xff0c;用来保存当前执行环境(如当前方法)下的局部变量&＃xff0c;在JVM中用一个数组来表示&＃xff0c;有专门的字节码指令用于向局部变量表的指定下标存取数据&＃xff0c;例如storeX和loadX指令。值得注意的是这个数组大小是固定的&＃xff0c;不需要动态扩容&＃xff0c;因为在编译期javac就能够确定一个方法需要用大的局部变量表&＃xff0c;然后会把这个数字写入到class文件的code属性的max_locals字段中。我们在解释字节码的时候可以直接用它来创建数组。

程序计数器比较简单&＃xff0c;就是一个整数类型&＃xff0c;永远指向下一条将要执行的字节码&＃xff0c;具体到实现就是指向下一条字节码数组的下标。

现在我们的方法栈就有三个元素了&＃xff0c;操作数栈、局部变量表、程序计数器&＃xff1a;

// 方法栈的栈帧type MethodStackFrame struct {

// 本地变量表 localVariablesTable []interface{}

// 操作数栈 opStack *OpStack

// 程序计数器 pc int

}

因为本篇暂不涉及方法调用&＃xff0c;因此栈帧创建的问题可以先忽略&＃xff0c;假定全局只有一个MethodStackFrame。

iload_n, istore_n, iconst_n指令

iload是一组指令&＃xff0c;包含iload, iload0, iload1 ... ... iload3。开头的i表示操作数必须是整数&＃xff0c;后边的数字表示需要将局部变量表的哪个槽位中的整数压到栈顶&＃xff0c;即数组下标。而对于不带数字的iload指令&＃xff0c;指令后面会紧跟着一个byte, 表示数组下标&＃xff0c;例如要把下标为5的槽位中的整数压栈那么指令就会是iload 5两个字节。了解这些以后就很容易实现了&＃xff1a;

case bcode.Iload:

// Load int from local variable // ilaod index index :&＃61; codeAttr.Code[frame.pc &＃43; 1]

frame.pc&＃43;&＃43; // (1) frame.opStack.Push(frame.localVariablesTable[index])

case bcode.Iload0:

// 将第1个slot中的值压栈 frame.opStack.Push(frame.localVariablesTable[0])

case bcode.Iload1:

frame.opStack.Push(frame.localVariablesTable[1])

case bcode.Iload2:

frame.opStack.Push(frame.localVariablesTable[2])

case bcode.Iload3:

frame.opStack.Push(frame.localVariablesTable[3])

注意(1)的位置&＃xff0c;因为不带数字的iload指令后面会跟着一个表示数组下标的字节&＃xff0c;因此我们在取出这个下标后需要将程序计数器&＃43;1, 否则下次循环后就会取到数组下标而不是字节码了。此外在操作数组的时候其实并不需要检查下标是否越界&＃xff0c;javac会保证生成的指令不会操作越界的下标。

istore指令也是类似的&＃xff0c;表示将栈顶元素出栈&＃xff0c;然后保存到局部变量表的指定槽位中&＃xff0c;例如&＃xff1a;

case bcode.Istore1:

// 将栈顶int型数值存入第二个本地变量 top, _ :&＃61; frame.opStack.PopInt()

frame.localVariablesTable[1] &＃61; top

case bcode.Istore2:

// 将栈顶int型数值存入第3个本地变量 top, _ :&＃61; frame.opStack.PopInt()

frame.localVariablesTable[2] &＃61; top

iconst指令有点不太一样&＃xff0c;虽然也是将整数压栈&＃xff0c;但是他不跟局部变量表交互&＃xff0c;压栈的值直接在指令中体现&＃xff0c;例如iconst_1就是把1压栈&＃xff0c;iconst_2就是压入2&＃xff0c;实现起来也非常简单&＃xff1a;

case bcode.Iconst1:

frame.opStack.Push(1)

iadd指令

iadd表示连续做两次出栈操作&＃xff0c;然后将得到的两个整数相加&＃xff0c;最后再把结果压回栈中。实现起来也非常简单&＃xff1a;

case bcode.Iadd:

// 取出栈顶2元素&＃xff0c;相加&＃xff0c;入栈 op1, _ :&＃61; frame.opStack.PopInt()

op2, _ :&＃61; frame.opStack.PopInt()

sum :&＃61; op1 &＃43; op2

frame.opStack.Push(sum)

还是那句话&＃xff0c;不需要在pop()前检查栈是否为空&＃xff0c;因为编译器会保证不会非法操作栈&＃xff0c;除非是我们的go代码出了问题&＃xff0c;如果是后者的话就直接让程序崩溃方便及时发现问题。

有了iload, istore, iadd后&＃xff0c;我们终于能计算1&＃43;1了&＃xff0c;然而尴尬的是&＃xff0c;计算后的结果是保存在局部变量表里的&＃xff0c;看不见摸不着&＃xff0c;不过可以在debug调试过程中看到这个值。下一篇会介绍如何实现方法调用&＃xff0c;到时候就可以实现控制台输出的功能了。

ifeq, iflt, ifeq等判断指令

if_是代表一组指令&＃xff0c;格式为if_ byte1 byte2&＃xff0c;也就是指令后面跟着两个字节&＃xff0c;用来组成一个16位的有符号整数&＃xff0c;此整数表示当条件(栈顶元素跟数字0做比较)成立时的要跳转到的目标字节码的offset, 注意这个offset是以当前if_指令的位置为基准的。例如&＃xff0c;if_lt所在的offset是10&＃xff0c;byte1 byte2组合后是5, 那么目标字节码的位置就是 10 &＃43; 5 &＃61; 15。这里如果用javap反编译的话输出结果会有一点误导人&＃xff0c;javap会输出这条指令计算好偏移量后的数值而不是byte1 byte2本身的值,例如&＃xff1a;

3: ifle 9

右侧的9表示 3 &＃43; 6 &＃61; 9&＃xff0c;即ifle后面跟着的16位数字其实是6&＃xff0c;而不是9。

我们拿ifle举例&＃xff0c;他表示将栈顶元素value出栈并且跟0作比较&＃xff0c;当value <&＃61; 0时条件成立。go代码如下&＃xff1a;

case bcode.Ifle:

// 当栈顶int型数值小于等于0时跳转 err :&＃61; i.bcodeIfCompZero(frame, codeAttr, func(op1 int, op2 int) bool {

return op1 <&＃61; op2

})

if nil !&＃61; err {

return fmt.Errorf("failed to execute &＃39;ifle&＃39;: %w", err)

}

bcodeIfCompZero()函数实现如下&＃xff1a;

func (i *InterpretedExecutionEngine) bcodeIfCompZero(frame *MethodStackFrame, codeAttr *class.CodeAttr, gotoJudgeFunc func(int, int) bool) error {

// 当栈顶int型数值小于0时跳转 // 跳转的偏移量 twoByteNum :&＃61; codeAttr.Code[frame.pc &＃43; 1 : frame.pc &＃43; 1 &＃43; 2]

var offset int16

err :&＃61; binary.Read(bytes.NewBuffer(twoByteNum), binary.BigEndian, &offset)

if nil !&＃61; err {

return fmt.Errorf("failed to read offset for if_icmpgt: %w", err)

}

op, _ :&＃61; frame.opStack.PopInt()

if gotoJudgeFunc(op, 0) {

frame.pc &＃61; frame.pc &＃43; int(offset) - 1

} else {

frame.pc &＃43;&＃61; 2

}

return nil

}

有些这些指令我们就可以解释一些类似于&＃xff1a;

int sum &＃61; 0;

if (sum > 0) {

sum &＃61; 100;

}

编译后的字节码了。我们可以照葫芦画瓢&＃xff0c;先写一段java代码编译一下&＃xff0c;然后javap -verbose看看有没有不认识的指令&＃xff0c;如果有就查规范&＃xff0c;看看应该如何解释&＃xff0c;就能够实现很多简单指令了。这里要注意有很多指令后面会携带一个_w后缀&＃xff0c;例如整数自增指令iinc_w&＃xff0c;表示对字节码后面跟着的字节进行加宽处理&＃xff0c;例如原本的iinc byte1 byte2变成了iinc_w byte1 byte2 byte3&＃xff0c;诸如此类&＃xff0c;只要对照规范看清楚就OK了。

下一篇会介绍方法调用相关指令的实现。