如何实现一个简单的虚拟机？

好的，咱们不聊那些高大上的术语，也不管它听起来有多“智能”，咱们就一步步，把一台简单的虚拟机是怎么“生出来”的，给你掰扯清楚。这玩意儿就像是咱们电脑里又套了一个小电脑，能运行它自己的程序，和外面的大电脑（宿主机）互不干扰。

你想想，虚拟机最核心的功能是什么？就是它能模拟一个完整的计算环境，包括一个 CPU、内存、输入输出设备等等。不过，咱们今天讲的是“简单”的，所以咱们就抓住最关键的部分：CPU 和内存。

第一步：CPU 的“魂”——指令集和执行器

你想让一个电脑干活，得给它指令吧？这些指令就是CPU要执行的操作，比如加法、减法、移动数据等等。把这些指令集合起来，就叫做“指令集”。不同的CPU有不同的指令集，比如x86就是我们电脑里最常见的指令集。

咱们自己做一个简单的虚拟机，就得自己设计一套指令集。别搞得太复杂，就简单点：

数据移动类：
`LOAD A, [address]`：把内存地址 `address` 的值加载到寄存器 A。
`STORE A, [address]`：把寄存器 A 的值存储到内存地址 `address`。
`MOV A, B`：把寄存器 B 的值复制到寄存器 A。
算术运算类：
`ADD A, B`：把寄存器 B 的值加到寄存器 A 里。
`SUB A, B`：把寄存器 B 的值从寄存器 A 里减去。
控制流类：
`JMP address`：无条件跳转到内存地址 `address` 执行。
`JZ address`：如果前面某个运算结果为零，则跳转到内存地址 `address` 执行。
输入输出类（简单起见）：
`OUT A`：把寄存器 A 的值输出（比如打印到屏幕）。

有了指令集，咱们就需要一个“执行器”，这就是虚拟机的CPU。这个执行器要能一步一步地读取指令，理解指令是什么意思，然后去执行。怎么执行呢？靠一套逻辑电路（在咱们的软件模拟里，就是一系列的判断和操作）。

这个执行器需要有几个关键的“零件”：

1. 程序计数器 (Program Counter, PC)： 这个东西就像是你的手指，指着下一条要执行的指令在内存中的位置。每执行完一条指令，PC 就会自动增加，指向下一条。
2. 寄存器 (Registers)： CPU 内部的临时存储空间，用来放正在处理的数据，速度比内存快得多。咱们可以设几个通用的寄存器，比如 A, B, C，就像是小抽屉一样，方便临时放东西。
3. 指令译码器和执行单元： 这个是执行器的“大脑”。它拿到PC指向的指令，先“看”明白这是什么指令（比如是加法还是跳转），然后根据指令的类型，调用相应的操作（比如加法器或者跳转逻辑）。

第二步：内存的“空间”——内存模型

虚拟机得有个地方放数据和程序，这就是内存。咱们可以模拟一个线性的内存空间，就像一条长长的抽屉柜，每个抽屉都有自己的编号（地址）。

这个内存模型需要提供几个基本操作：

读 (Read)： 根据地址，从内存中读取数据。
写 (Write)： 根据地址，向内存中写入数据。

在咱们的软件模拟里，内存就可以用一个数组或者列表来表示，每个元素代表一个存储单元。

第三步：程序的“灵魂”——加载与执行

虚拟机要能运行程序，就得先把程序“塞”到它的内存里。这个程序就是咱们用上面设计的指令集写出来的一串指令。

加载： 程序通常是以文件的形式存在的，虚拟机需要读取这个文件，把里面的指令一个一个地放到模拟的内存空间里。
启动： 当程序加载完成后，就需要设置程序计数器 (PC)，让它指向程序的起始地址，然后就可以启动执行器开始工作了。

第四步：循环往复——取指、译码、执行

虚拟机的CPU核心工作就是不断地重复一个过程：

1. 取指 (Fetch)： 根据PC的值，从内存中读取一条指令。
2. 译码 (Decode)： 理解这条指令是什么意思，需要操作哪些数据，要去哪里。
3. 执行 (Execute)： 按照指令的要求，操作寄存器，访问内存，或者进行跳转。

这个过程会一直持续下去，直到遇到一条特殊的“停止”指令，或者发生了错误。

举个例子，咱们来实现一个简单的加法程序：

假设咱们设计了一个指令集，一个程序如下（用伪代码表示）：

```
LOAD A, [100] // 把内存地址 100 的值加载到寄存器 A
LOAD B, [101] // 把内存地址 101 的值加载到寄存器 B
ADD A, B // 把寄存器 B 的值加到寄存器 A
STORE A, [102] // 把寄存器 A 的结果存储到内存地址 102
OUT A // 输出寄存器 A 的值
HALT // 停止
```

咱们的虚拟机是这样工作的：

1. 初始化： 虚拟机启动，内存是空的（或者已经加载了数据），PC 指向第一条指令 `LOAD A, [100]` 的地址。
2. 第一步：`LOAD A, [100]`
PC 指向地址 `X`（`LOAD A, [100]` 所在的地址）。
执行器读取地址 `X` 的指令，发现是 `LOAD A, [100]`。
执行器去内存地址 `100` 读取数据（假设是 5）。
把数据 5 存入寄存器 A。
PC 增加，指向下一条指令。
3. 第二步：`LOAD B, [101]`
PC 指向下一条指令 `LOAD B, [101]`。
执行器读取指令，发现是 `LOAD B, [101]`。
执行器去内存地址 `101` 读取数据（假设是 3）。
把数据 3 存入寄存器 B。
PC 增加，指向下一条指令。
4. 第三步：`ADD A, B`
PC 指向 `ADD A, B`。
执行器读取指令，发现是 `ADD A, B`。
执行器执行加法操作：寄存器 A (5) + 寄存器 B (3) = 8。
把结果 8 存回寄存器 A。
PC 增加。
5. 第四步：`STORE A, [102]`
PC 指向 `STORE A, [102]`。
执行器读取指令，发现是 `STORE A, [102]`。
执行器把寄存器 A 的值（8）存储到内存地址 `102`。
PC 增加。
6. 第五步：`OUT A`
PC 指向 `OUT A`。
执行器读取指令，发现是 `OUT A`。
执行器把寄存器 A 的值（8）输出到屏幕上。
PC 增加。
7. 第六步：`HALT`
PC 指向 `HALT`。
执行器读取指令，发现是 `HALT`。
执行器停止运行。

如何用代码实现？

你可以用任何你熟悉的编程语言（比如 Python, C++, Java）来实现。

指令集和执行器： 可以用一个类来表示CPU，类里面有寄存器（变量或者列表）、PC（一个整数），然后有一个 `run` 方法，里面是一个 `while` 循环，不断地执行取指、译码、执行的逻辑。你可以用一个字典来映射指令的字符串（比如"LOAD"）到具体的函数或者方法来处理。
内存： 可以用一个列表或者数组来模拟，比如 `memory = [0] 1024`。
程序加载： 读取一个文本文件，把每一行当做一条指令，然后把它们存到内存里。

更进一步的话…

这只是最最基础的版本。想让它更像一个真正的虚拟机，你还可以考虑：

更复杂的指令集： 比如乘法、除法、逻辑运算、条件跳转（`JE` 等于跳转，`JNE` 不等于跳转）。
栈 (Stack)： 用来支持函数调用、变量存储，这是现代 CPU 的重要组成部分。
内存管理： 更精细的内存分配和释放。
中断 (Interrupts)： 模拟硬件设备（比如键盘输入）发出的信号，让 CPU 暂停当前任务去处理事件。
I/O 设备模拟： 模拟键盘、屏幕、文件等输入输出设备。
更高级的内存寻址方式： 比如间接寻址、基址加偏移量寻址。

不过，对于一个初学者来说，能把上面说的那个简单的取指、译码、执行循环跑起来，就已经是一个很棒的开始了！这就像是给你自己造了一个能听懂你指令的“小脑子”，能够执行你写好的“代码”。别怕麻烦，一点点来，你会发现其中的乐趣。

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...

如何实现一个简单的虚拟机？

自学iOS，如何做出一个简易软件，用来找到实习公司，步入程序员的行列？

如何评价 B 站 up 主 @瓶子君152 的漫评视频《简评实力至上教室，三流轻改又一力作》？

如何以“我觉得广义相对论实在是太简单了”为开头写一个故事？

如何实现一个较富裕的社会？

如何实现一个安全的thread.stop的api?

大学生如何实现一个数据库？

阿里云虚拟主机如何配置实现一个主机多个站点

如何用c#实现一个没有装箱的通用容器？

如何用C语言和windows api实现一个基本的ssl协议？（参考资料已备齐）

C语言编译器是如何实现指针+1这样的一个机制？

一个静态类或者非静态类，多个方法依赖一个函数，如何实现？

我有一个 App 创意，如何将其实现？

如何用9V电池设计一个0~5V可调电压源(要求只用模拟电路实现）？

如果一个物质极大丰富的社会，在仍然有资本家的情况下实现了按需分配，那应该如何定义它？

两个水壶,一个容量是5升的 另一个容量是 4升的 如何在5升的壶中装入3升的水,C语言实现

局域网内，如何实现把一台电脑的100MB数据最快速的传输到其他50台电脑？

计算型存储/存算一体如何实现？

如何证明一个实数的所有代表元（有理数Cauchy列）组成的集合不可数？

复旦金融大一新生，如何实现年薪百万的目标？