如何实现一个简单的虚拟机？第1页

doinglu 网友的相关建议:

可以参考一下CPU的相关实现，做一个指令的子集就行。

如果只是做赋值、循环、函数调用的话，我们还需要引入加减法，判断，跳转功能。

然后我们管理两段空间，分别是指令空间、数据空间就好了。

指令采用一个简单方式，1个字节的指令编码，1个标志判断，2个2字节参数。

       typedef struct inst {     unsigned char code; // 指令     unsigned char cond, // 执行该指令的条件     unsigned short p1, p2; // 参数1、2 } inst_t; typedef unsigned short data_t; // 我们操作的就是16位数

接下来我们需要有一个保存状态的结构

       typedef struct vm_state {     int ip; // 指令ptr     int flag; // 记录最后判断的标志     inst_t *code; // 代码段地址     data_t *data; // 数据段地址 } vm_state_t;

定义一下需要的指令：

       #define IADD    1 // 加法 #define ISUB    2 // 减法 #define ICMP    3 // 判断 #define IJMP    4 // 跳转 #define IMOV    5 // 赋值 #define ISTIP   6 // 保存IP #define ILDIP   7 // 设置IP（跳转） #define ILD     8 // 加载一个立即数 #define IOUT    9 // 输出 #define ISTOP   255 // 挂起虚拟机

定义一下执行指令的条件，也就是说在什么条件下才执行该指令

       #define FNA     0 // 任何状态下都执行 #define FEQ     1 // 状态为“相等”时执行 #define FNE     2 // 状态为“不等”时执行

好了，然后我们可以写一个虚拟机的执行的函数了

       void execute(vm_state_t *state) {     for (;;) // 执行到挂起为止     {         inst_t *current = state->ip;         state->ip++; // 取出指令以后自动ip后移         if (current->cond != FNA && current->cond != state->flag)             // 该指令要求的状态不符合当前状态，略过             continue;         switch (current->code)         {             case IADD:                 // 将p1指向的数据加上p2指向的数据                 state->data[current->p1] += state->data[current->p2];                 break;             case ISUB:                 state->data[current->p1] -= state->data[current->p2];                 break;             case ICMP:                 // 比较p1指向的数据和p2指向的数据                 if (state->data[current->p1] == state->data[current->p2])                     state->flag = FEQ;                 else                     state->flag = FNE;                 break;             case IJMP:                 // 跳转，指令根据p1进行偏移                 state->ip += current->p1;                 break;             case IMOV:                 // 将p1指向的数据设置为p2指向的数据                 state->data[current->p1] = state->data[current->p2];                 break;             case ISTIP:                 // 把IP保存到p1指向的数据                 state->data[current->p1] = (data_t) state->ip;                 break;             case ILDIP:                 // 将IP设置为p1指向的数据，该指令会导致跳转                 state->ip = state->data[current->p1];                 break;             case ILD:                 // 将立即数p2加载到p1指向的数据                 state->data[current->p1] = p2;                 break;             case IOUT:                 // 输出p1指向的数据                 printf("%d
", state->data[current->p1]);                 break;             case ISTOP:                 return;         }     } }

这虚拟机就算写完了。

这个虚拟机能做点什么呢？比如做一个类似这样的加法还是可以的：

       int sum = 0; for (int i = 1; i != 101; i++)     sum += i;

我们可以这样处理：

保存sum在数据段0号

保存i在数据段1号

保存101立即数在数据段2号

保存立即数1在数据段3号

翻译的指令如下：

       0000 ILD 2, 100   // 放立即数101到2号位 0001 ILD 3, 1     // 放立即数1到3号位 0002 ILD 1, 1     // 放立即数1到变量i 0003 ILD 0, 0     // 放立即数0到变量sum 0004 ICMP 1, 2    // 比较i和101 0005 [FEQ] IJMP 3 // 如果相等（i==101）就跳转到9，因为指令执行完ip为6，所以+3就到了9  0006 IADD 0, 1    // sum += i 0007 IADD 1, 3    // i++，3号位保存的就是1 0008 IJMP -5      // 跳转到4，因为指令执行完ip为9，所以减5就到了指令4 0009 IOUT 0       // 输出sum 0010 ISTOP        // 挂起

要想测试一下，写一个函数把这些指令放进去就行。

       #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); }

这个简单的虚拟机是否可以实现函数调用呢？答案是可以的，利用ISTIP、ILDIP就可以了，返回地址可以保存在数据段中。

这个虚拟机非常简单，效率低、空间浪费、功能有限，不过在这个基础上可以自己优化、扩充嘛。

关于需要阅读什么书籍？这个要看自己当前的水平了，直接介绍专业著作怕是不一定能看的下去。我建议可以自己先写着玩玩，实现一些功能，尝试编译一些自定义的脚本代码到自己的虚拟机上，然后再阅读一点编译原理、垃圾回收、JIT相关的文章，看看Intel、ARM的CPU的指令手册，把自己实验性质的虚拟机做的像样一些。玩的差不多了，可以看看

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

。

最后：上述代码回答时随手写的，没有编译调试过，难免有很多笔误...

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