Golang实现JAVA虚拟机-指令集和解释器

原文链接：https://gaoyubo.cn/blogs/f57f32cf.html

前置

Golang实现JAVA虚拟机-解析class文件

Golang实现JAVA虚拟机-运行时数据区

一、字节码、class文件、指令集的关系

class文件（二进制）和字节码（十六进制）的关系

class文件

  • 经过编译器编译后的文件（如javac），一个class文件代表一个类或者接口；

  • 是由字节码组成的，主要存储的是字节码，字节码是访问jvm的重要指令

  • 文件本身是2进制，对应的是16进制的数。

字节码

  • 包括操作码（Opcode）和操作数：操作码是一个字节

  • 如果方法不是抽象的，也不是本地方法，方法的Java代码就会被编译器编译成字节码，存放在method_info结构的Code属性中

如图：操作码为B2，助记符为助记符是getstatic。它的操作数是0x0002，代表常量池里的第二个常量。

操作数栈和局部变量表只存放数据的值， 并不记录数据类型。结果就是：指令必须知道自己在操作什么类型的数据。

这一点也直接反映在了操作码的助记符上。

例如，iadd指令：对int值进行加法操作；
dstore指令：把操作数栈顶的double值弹出，存储到局部变量表中；
areturn：从方法中返回引用值。

助记符

如果某类指令可以操作不同类型的变量，则助记符的第一个字母表示变量类型。助记符首字母和变量类型的对应关系如下：

指令分类

Java虚拟机规范把已经定义的205条指令按用途分成了11类， 分别是：

  • 常量（constants）指令
  • 加载（loads）指令
  • 存储（stores）指令
  • 操作数栈（stack）指令
  • 数学（math）指令
  • 转换（conversions）指令
  • 比较（comparisons）指令
  • 控制（control）指令
  • 引用（references）指令
  • 扩展（extended）指令
  • 保留（reserved）指令：
    • 操作码：202（0xCA），助记符：breakpoint，用于调试器的断点调试
    • 254（0xFE），助记符：impdep1
    • 266（0xFF），助记符：impdep2
    • 这三条指令不允许出现在class文件中

本章将要实现的指令涉及11类中的9类

二、JVM执行引擎

执行引擎是Java虚拟机四大组成部分中一个核心组成（另外三个分别是类加载器子系统、运行时数据区、垃圾回收器），

Java虚拟机的执行引擎主要是用来执行Java字节码。

它有两种主要执行方式：通过字节码解释器执行，通过即时编译器执行

解释和编译

在了解字节码解释器和即使编译器之前，需要先了解解释和编译

  • 解释是将代码逐行或逐条指令地转换为机器代码并立即执行的方式，适合实现跨平台性。
  • 编译是将整个程序或代码块翻译成机器代码的方式，生成的机器代码可反复执行，通常更快，但不具备跨平台性。

字节码解释器

字节码解释器将逐条解释执行Java字节码指令。这意味着它会逐个读取字节码文件中的指令，并根据每个指令执行相应的操作。虽然解释执行相对较慢。

逐行解释和执行代码。它会逐行读取源代码或字节码，将每一行翻译成计算机指令，然后立即执行该指令。

因此具有平台无关性，因为字节码可以在不同的平台上运行。

即时编译器（Just-In-Time Compiler，JIT）

即时编译器将字节码编译成本地机器代码，然后执行本地代码。

这种方式更快，因为它避免了字节码解释的过程，但编译需要一些时间。

即时编译器通常会选择性地编译某些热点代码路径，以提高性能。

解释器规范

Java虚拟机规范的2.11节介绍了Java虚拟机解释器的大致逻辑，如下所示：

do {
    atomically calculate pc and fetch opcode at pc;
    if (operands) fetch operands;
    execute the action for the opcode;
} while (there is more to do);
  1. 从当前程序计数器（Program Counter，通常简称为 PC）中获取当前要执行的字节码指令的地址。
  2. 从该地址获取字节码指令的操作码（opcode），并执行该操作码对应的操作。
  3. 如果指令需要操作数（operands），则获取操作数。
  4. 执行指令对应的操作。
  5. 更新 PC，以便继续执行下一条字节码指令。
  6. 循环执行上述步骤，直到没有更多的指令需要执行。

每次循环都包含三个部分：计算pc、指令解码、指令执行

可以把这个逻辑用Go语言写成一个for循环，里面是个大大的switch-case语句。但这样的话，代码的可读性将非常差。

所以采用另外一种方式：把指令抽象成接口，解码和执行逻辑写在具体的指令实现中。

这样编写出的解释器就和Java虚拟机规范里的伪代码一样简单，伪代码如下：

for {
    pc := calculatePC()
    opcode := bytecode[pc]
    inst := createInst(opcode)
    inst.fetchOperands(bytecode)
    inst.execute()
}

三、指令和指令解码

本节先定义指令接口，然后定义一个结构体用来辅助指令解码

Instruction接口

为了便于管理，把每种指令的源文件都放在各自的包里，所有指令都共用的代码则放在base包里。

因此instructions目录下会有如下10个子目录：

base目录下创建instruction.go文件，在其中定义Instruction接口，代码如下：

type Instruction interface {
    FetchOperands(reader *BytecodeReader)
    Execute(frame *rtda.Frame)
}

FetchOperands（）方法从字节码中提取操作数，Execute（）方法执行指令逻辑。

有很多指令的操作数都是类似的。为了避免重复代码，按照操作数类型定义一些结构体，并实现FetchOperands（）方 法。

无操作数指令

在instruction.go文件中定义NoOperandsInstruction结构体，代码如下:

type NoOperandsInstruction struct {}

NoOperandsInstruction表示没有操作数的指令，所以没有定义 任何字段。FetchOperands（）方法自然也是空空如也，什么也不用 读，代码如下:

func (self *NoOperandsInstruction) FetchOperands(reader *BytecodeReader) {
	// nothing to do
}

跳转指令

定义BranchInstruction结构体，代码如下：

type BranchInstruction struct {
    //偏移量
	Offset int
}

BranchInstruction表示跳转指令，Offset字段存放跳转偏移量。

FetchOperands（）方法从字节码中读取一个uint16整数，转成int后赋给Offset字段。代码如下：

func (self *BranchInstruction) FetchOperands(reader *BytecodeReader) {
	self.Offset = int(reader.ReadInt16())
}

存储和加载指令

存储和加载类指令需要根据索引存取局部变量表，索引由单字节操作数给出。把这类指令抽象成Index8Instruction结构体，定义Index8Instruction结构体，代码如下:

type Index8Instruction struct {
    //索引
    Index uint
}

FetchOperands（）方法从字节码中读取一个int8整数，转成uint后赋给Index字段。代码如下：

func (self *Index8Instruction) FetchOperands(reader *BytecodeReader) {
	self.Index = uint(reader.ReadUint8())
}

访问常量池的指令

有一些指令需要访问运行时常量池，常量池索引由两字节操作数给出，用Index字段表示常量池索引。定义Index16Instruction结构体，代码如下：

type Index16Instruction struct {
	Index uint
}

FetchOperands（）方法从字节码中读取一个 uint16整数，转成uint后赋给Index字段。代码如下

func (self *Index16Instruction) FetchOperands(reader *BytecodeReader) {
    self.Index = uint(reader.ReadUint16())
}

指令接口和“抽象”指令定义好了，下面来看BytecodeReader结构体

BytecodeReader结构体

base目录下创建bytecode_reader.go文件，在 其中定义BytecodeReader结构体

type BytecodeReader struct {
    code []byte // bytecodes
    pc   int
}

code字段存放字节码，pc字段记录读取到了哪个字节。

为了避免每次解码指令都新创建一个BytecodeReader实例，给它定义一个 Reset（）方法，代码如下:

func (self *BytecodeReader) Reset(code []byte, pc int) {
    self.code = code
    self.pc = pc
}

面实现一系列的Read（）方法。首先是最简单的ReadUint8（）方法，代码如下：

func (self *BytecodeReader) ReadUint8() uint8 {
    i := self.code[self.pc]
    self.pc++
    return i
}
  • 从 self.code 字节切片中的 self.pc 位置读取一个字节（8 位）的整数值。
  • 然后将 self.pc 的值增加1，以便下次读取下一个字节。
  • 最后，返回读取的字节作为无符号 8 位整数

ReadInt8（）方法调用ReadUint8（），然后把读取到的值转成int8 返回，代码如下：

func (self *BytecodeReader) ReadInt8() int8 {
	return int8(self.ReadUint8())
}

ReadUint16（）连续读取两字节

func (self *BytecodeReader) ReadUint16() uint16 {
    byte1 := uint16(self.ReadUint8())
    byte2 := uint16(self.ReadUint8())
    return (byte1 << 8) | byte2
}

ReadInt16（）方法调用ReadUint16（），然后把读取到的值转成 int16返回，代码如下：

func (self *BytecodeReader) ReadInt16() int16 {
	return int16(self.ReadUint16())
}

ReadInt32（）方法连续读取4字节，代码如下：

func (self *BytecodeReader) ReadInt32() int32 {
    byte1 := int32(self.ReadUint8())
    byte2 := int32(self.ReadUint8())
    byte3 := int32(self.ReadUint8())
    byte4 := int32(self.ReadUint8())
    return (byte1 << 24) | (byte2 << 16) | (byte3 << 8) | byte4
}

在接下来的小节中，将按照分类依次实现约150条指令，占整个指令集的3/4

四、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。

常量指令共有21条，本节实现其中的18条。另外3条是ldc系列指令，用于从运行时常量池中加载常量，将在后续实现。

nop指令

nop指令是最简单的一条指令，因为它什么也不做。
在\instructions\constants目录下创建nop.go文件，在其中实现nop指令，代码如下：

type NOP struct{ base.NoOperandsInstruction }

func (self *NOP) Execute(frame *rtda.Frame) {
// 什么也不用做
}

const系列指令

这一系列指令把隐含在操作码中的常量值推入操作数栈顶。

constants目录下创建const.go文件，在其中定义15条指令，代码如下

type ACONST_NULL struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DCONST_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DCONST_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type FCONST_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type FCONST_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type FCONST_2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_M1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_3 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_4 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ICONST_5 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LCONST_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LCONST_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }

以3条指令为例进行说明。aconst_null指令把null引用推入操作 数栈顶，代码如下

func (self *ACONST_NULL) Execute(frame *rtda.Frame) {
	frame.OperandStack().PushRef(nil)
}

dconst_0指令把double型0推入操作数栈顶，代码如下

func (self *DCONST_0) Execute(frame *rtda.Frame) {
	frame.OperandStack().PushDouble(0.0)
}

iconst_m1指令把int型-1推入操作数栈顶，代码如下：

func (self *ICONST_M1) Execute(frame *rtda.Frame) {
	frame.OperandStack().PushInt(-1)
}

bipush和sipush指令

  • bipush指令从操作数中获取一个byte型整数，扩展成int型，然后推入栈顶。
  • sipush指令从操作数中获取一个short型整数，扩展成int型，然后推入栈顶。

constants目录下创建 ipush.go文件，在其中定义bipush和sipush指令，代码如下：

type BIPUSH struct { val int8 } // Push byte
type SIPUSH struct { val int16 } // Push short

BIPUSH结构体实现方法如下：

type BIPUSH struct {
    val int8
}

func (self *BIPUSH) FetchOperands(reader *base.BytecodeReader) {
    self.val = reader.ReadInt8()
}
func (self *BIPUSH) Execute(frame *rtda.Frame) {
    i := int32(self.val)
    frame.OperandStack().PushInt(i)
}

五、加载指令

加载指令用于从局部变量表获取变量，并将其推入操作数栈顶。总共有 33 条加载指令，它们按照所操作的变量类型可以分为 6 类：

  1. aload 系列指令：用于操作引用类型变量。
  2. dload 系列指令：用于操作 double 类型变量。
  3. fload 系列指令：用于操作 float 变量。
  4. iload 系列指令：用于操作 int 变量。
  5. lload 系列指令：用于操作 long 变量。
  6. xaload 指令：用于操作数组。

本节将实现其中的 25 条加载指令。数组和xaload系列指令先不实现。

loads目录下创建iload.go文件，在其中定义5 条指令，代码如下：完整代码移步：jvmgo

// 从局部变量表加载int类型
type ILOAD struct{ base.Index8Instruction }
type ILOAD_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ILOAD_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ILOAD_2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type ILOAD_3 struct{ base.NoOperandsInstruction }

为了避免重复代码，定义一个函数供iload系列指令使用，代码如下：

func _iload(frame *rtda.Frame, index uint) {
    val := frame.LocalVars().GetInt(index)
    frame.OperandStack().PushInt(val)
}

iload指令的索引来自操作数，其Execute（）方法如下：

func (self *ILOAD) Execute(frame *rtda.Frame) {
	_iload(frame, uint(self.Index))
}

其余4条指令的索引隐含在操作码中，以iload_1为例，其 Execute（）方法如下：

func (self *ILOAD_1) Execute(frame *rtda.Frame) {
	_iload(frame, 1)
}

六、存储指令

和加载指令刚好相反，存储指令把变量从操作数栈顶弹出，然后存入局部变量表。

和加载指令一样，存储指令也可以分为6类。以 lstore系列指令为例进行介绍。完整代码移步：jvmgo

instructions\stores目录下创建 lstore.go文件，在其中定义5条指令，代码如下:

type LSTORE struct{ base.Index8Instruction }
type LSTORE_0 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LSTORE_1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LSTORE_2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LSTORE_3 struct{ base.NoOperandsInstruction }

同样定义一个函数供5条指令使用，代码如下：

func _lstore(frame *rtda.Frame, index uint) {
    val := frame.OperandStack().PopLong()
    frame.LocalVars().SetLong(index, val)
}

lstore指令的索引来自操作数，其Execute（）方法如下：

func (self *LSTORE) Execute(frame *rtda.Frame) {
	_lstore(frame, uint(self.Index))
}

其余4条指令的索引隐含在操作码中，以lstore_2为例，其 Execute（）方法如下

func (self *LSTORE_2) Execute(frame *rtda.Frame) {
	_lstore(frame, 2)
}

七、栈指令

栈指令直接对操作数栈进行操作，共9条：

pop和pop2指令将栈顶变量弹出

dup系列指令复制栈顶变量

swap指令交换栈顶的两个变量

和其他类型的指令不同，栈指令并不关心变量类型。为了实现栈指令，需要给OperandStack结构体添加两个方法。操作数栈实现
rtda\operand_stack.go文件中，在其中定义PushSlot（）和PopSlot（） 方法，代码如下：

func (self *OperandStack) PushSlot(slot Slot) {
    self.slots[self.size] = slot
    self.size++
}
func (self *OperandStack) PopSlot() Slot {
    self.size--
    return self.slots[self.size]
}

pop和pop2指令

stack目录下创建pop.go文件，在其中定义 pop和pop2指令，代码如下:

type POP struct{ base.NoOperandsInstruction }
type POP2 struct{ base.NoOperandsInstruction }

pop指令把栈顶变量弹出，代码如下：

func (self *POP) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    stack.PopSlot()
}

pop指令只能用于弹出int、float等占用一个操作数栈位置的变量。

double和long变量在操作数栈中占据两个位置，需要使用pop2指令弹出，代码如下：

func (self *POP2) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    stack.PopSlot()
    stack.PopSlot()
}

dup指令

创建dup.go文件，在其中定义6 条指令，代码如下：完整代码移步：jvmgo

type DUP struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DUP_X1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DUP_X2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DUP2 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DUP2_X1 struct{ base.NoOperandsInstruction }
type DUP2_X2 struct{ base.NoOperandsInstruction }

dup指令复制栈顶的单个变量，代码如下：

func (self *DUP) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    slot := stack.PopSlot()
    stack.PushSlot(slot)
    stack.PushSlot(slot)
}

DUP_X1 ：复制栈顶操作数一份放在第二个操作数的下方。Execute代码如下：

/*
bottom -> top
[...][c][b][a]
          __/
         |
         V
[...][c][a][b][a]
*/
func (self *DUP_X1) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    slot1 := stack.PopSlot()
    slot2 := stack.PopSlot()
    stack.PushSlot(slot1)
    stack.PushSlot(slot2)
    stack.PushSlot(slot1)
}

DUP_X2 ：复制栈顶操作数栈的一个或两个值，并将它们插入到操作数栈中的第三个值的下面。

/*
bottom -> top
[...][c][b][a]
       _____/
      |
      V
[...][a][c][b][a]
*/
func (self *DUP_X2) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    slot1 := stack.PopSlot()
    slot2 := stack.PopSlot()
    slot3 := stack.PopSlot()
    stack.PushSlot(slot1)
    stack.PushSlot(slot3)
    stack.PushSlot(slot2)
    stack.PushSlot(slot1)
}

swap指令

swap指令作用是交换栈顶的两个操作数

下创建swap.go文件，在其中定义swap指令，代码如下:

type SWAP struct{ base.NoOperandsInstruction }

Execute（）方法如下

func (self *SWAP) Execute(frame *rtda.Frame) {
stack := frame.OperandStack()
slot1 := stack.PopSlot()
slot2 := stack.PopSlot()
stack.PushSlot(slot1)
stack.PushSlot(slot2)
}

八、数学指令

数学指令大致对应Java语言中的加、减、乘、除等数学运算符。

数学指令包括算术指令、位移指令和布尔运算指令等，共37条，将全部在本节实现。

算术指令

算术指令又可以进一步分为:

  • 加法（add）指令
  • 减法（sub）指令
  • 乘法（mul）指令
  • 除法（div）指令
  • 求余（rem）指令
  • 取反（neg）指令

加、减、乘、除和取反指令都比较简单，本节以复杂的求余指令介绍。

math目录下创建rem.go文件，在其中定义4条求余指令，代码如下:

type DREM struct{ base.NoOperandsInstruction }
type FREM struct{ base.NoOperandsInstruction }
type IREM struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LREM struct{ base.NoOperandsInstruction }
  • DREM 结构体：表示对双精度浮点数 (double) 执行取余操作。
  • FREM 结构体：表示对单精度浮点数 (float) 执行取余操作
  • IREM 结构体：表示对整数 (int) 执行取余操作。
  • LREM 结构体：表示对长整数 (long) 执行取余操作。

irem和lrem代码差不多，以irem为例，其Execute（）方法如下：

func (self *IREM) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopInt()
    v1 := stack.PopInt()
    if v2 == 0 {
    	panic("java.lang.ArithmeticException: / by zero")
    }
    result := v1 % v2
    stack.PushInt(result)
}

先从操作数栈中弹出两个int变量，求余，然后把结果推入操作 数栈。

注意！对int或long变量做除法和求余运算时，是有可能抛出ArithmeticException异常的。

frem和drem指令差不多，以 drem为例，其Execute（）方法如下：

func (self *DREM) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopDouble()
    v1 := stack.PopDouble()
    result := math.Mod(v1, v2)
    stack.PushDouble(result)
}

Go语言没有给浮点数类型定义求余操作符，所以需要使用 math包的Mod（）函数。

浮点数类型因为有Infinity（无穷大）值，所以即使是除零，也不会导致ArithmeticException异常抛出

位移指令

分为左移和右移

  • 左移
  • 右移
    • 算术右移（有符号右移）
    • 逻辑右移（无符号右移）两种。

算术右移和逻 辑位移的区别仅在于符号位的扩展，如下面的Java代码所示。

int x = -1;
println(Integer.toBinaryString(x)); // 11111111111111111111111111111111
println(Integer.toBinaryString(x >> 8)); // 11111111111111111111111111111111
println(Integer.toBinaryString(x >>> 8)); // 00000000111111111111111111111111

math目录下创建sh.go文件，在其中定义6条 位移指令，代码如下

type ISHL struct{ base.NoOperandsInstruction } // int左位移
type ISHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // int算术右位移
type IUSHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // int逻辑右位移(无符号右移位)
type LSHL struct{ base.NoOperandsInstruction } // long左位移
type LSHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // long算术右位移
type LUSHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // long逻辑右移位（无符号右移位）

左移

左移指令比较简单，以ishl指令为例，其Execute（）方法如下：

func (self *ISHL) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopInt()
    v1 := stack.PopInt()
    s := uint32(v2) & 0x1f
    result := v1 << s
    stack.PushInt(result)
}

先从操作数栈中弹出两个int变量v2和v1。v1是要进行位移操作的变量，v2指出要移位多少比特。位移之后，把结果推入操作数栈。

s := uint32(v2) & 0x1f：这行代码将被左移的位数 v2 强制转换为 uint32 类型，然后执行按位与操作（&）与常数 0x1f。
这是为了确保左移的位数在范围 0 到 31 内，因为在 Java 中，左移操作最多只能左移 31 位，超出这个范围的位数将被忽略。

这里注意两点：

int变量只有32位，所以只取v2的前5个比特就 足够表示位移位数了

Go语言位移操作符右侧必须是无符号 整数，所以需要对v2进行类型转换

右移

算数右移

算术右移指令需要扩展符号位，代码和左移指令基本上差不多。以lshr指令为例，其Execute（）方法如下：

func (self *LSHR) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopInt()
    //long变量有64位，所以取v2的前6个比特。
    v1 := stack.PopLong()
    s := uint32(v2) & 0x3f
    result := v1 >> s
    stack.PushLong(result)
}

s := uint32(v2) & 0x1f：

提取 v2 变量的最低的 6 位，将其他位设置为 0，并将结果存储在 s 变量中。这是为了限制右移的位数在 0 到 63 之间，因为在 Java 中，long类型右移操作最多只能右移 63 位

逻辑右移

无符号右移位，以iushr为例，在移位前，先将v2转化为正数，再进行移位，最后转化为int32类型，如下代码所示：

func (self *IUSHR) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopInt()
    v1 := stack.PopInt()
    s := uint32(v2) & 0x1f
    result := int32(uint32(v1) >> s)
    stack.PushInt(result)
}

布尔运算指令

布尔运算指令只能操作int和long变量，分为：

  • 按位与（and）
  • 按位 或（or）
  • 按位异或（xor）

math目录下创建and.go文件，在其中定义iand和 land指令，代码如下：

type IAND struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LAND struct{ base.NoOperandsInstruction }

以iand指令为例，其Execute（）方法如下：

func (self *IAND) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    v2 := stack.PopInt()
    v1 := stack.PopInt()
    result := v1 & v2
    stack.PushInt(result)
}

iinc指令

iinc指令给局部变量表中的int变量增加常量值，局部变量表索引和常量值都由指令的操作数提供。

math目录下创建iinc.go文件，在其中定义iinc指令，代码如下：

type IINC struct {
    //索引
	Index uint
    //常量值
	Const int32
}
  • index：一个字节，表示局部变量表中要增加值的变量的索引。这个索引指定了要修改的局部变量。
  • const：一个有符号字节，表示要增加的常数值。这个常数值将与局部变量的当前值相加，并将结果存储回同一个局部变量。

FetchOperands（）函数从字节码里读取操作数，代码如下：

func (self *IINC) FetchOperands(reader *base.BytecodeReader) {
    self.Index = uint(reader.ReadUint8())
    self.Const = int32(reader.ReadInt8())
}

Execute（）方法从局部变量表中读取变量，给它加上常量值，再把结果写回局部变量表，代码如下

func (self *IINC) Execute(frame *rtda.Frame) {
    localVars := frame.LocalVars()
    val := localVars.GetInt(self.Index)
    val += self.Const
    localVars.SetInt(self.Index, val)
}

九、类型转换指令

类型转换指令大致对应Java语言中的基本类型强制转换操作。 类型转换指令有共15条，将全部在本节实现。

引用类型转换对应的是checkcast指令，将在后续完成。

类型转换指令根据被转换变量的类型分为四种系列：

  • i2x 系列指令：这些指令将整数（int）变量强制转换为其他类型。
  • l2x 系列指令：这些指令将长整数（long）变量强制转换为其他类型。
  • f2x 系列指令：这些指令将浮点数（float）变量强制转换为其他类型。
  • d2x 系列指令：这些指令将双精度浮点数（double）变量强制转换为其他类型。

这些类型转换指令允许将不同类型的数据进行强制类型转换，以满足特定的计算或操作需求。

以d2x系列指令为例进行讨论。

conversions目录下创建d2x.go文件，在其中 定义d2f、d2i和d2l指令，代码如下

type D2F struct{ base.NoOperandsInstruction }
type D2I struct{ base.NoOperandsInstruction }
type D2L struct{ base.NoOperandsInstruction }

以d2i指令为例，它的Execute（）方法如下：

func (self *D2I) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    d := stack.PopDouble()
    i := int32(d)
    stack.PushInt(i)
}

因为Go语言可以很方便地转换各种基本类型的变量，所以类型转换指令实现起来还是比较容易的。

十、比较指令

比较指令可以分为两类：

  • 将比较结果推入操作数栈顶
  • 根据比较结果跳转

比较指令是编译器实现if-else、for、while等语句的基石，共有19条

lcmp指令

lcmp指令用于比较long变量。

comparisons目录下创建lcmp.go文件，在其中定义lcmp指令，代码如下：

type LCMP struct{ base.NoOperandsInstruction }

Execute（）方法把栈顶的两个long变量弹出，进行比较，然后把比较结果（int型0、1或-1）推入栈顶，代码如下：

func (self *LCMP) Execute(frame *rtda.Frame) {
	stack := frame.OperandStack()
	v2 := stack.PopLong()
	v1 := stack.PopLong()
	if v1 > v2 {
		stack.PushInt(1)
	} else if v1 == v2 {
		stack.PushInt(0)
	} else {
		stack.PushInt(-1)
	}
}

fcmp和dcmp指令

fcmpg和fcmpl指令用于比较float变量，它们的区别是对于非数字参与，fcmpg会默认为其大于任何非NaN值，fcmpl则相反。

comparisons目录下创建fcmp.go文件，在其中定义 fcmpg和fcmpl指令，代码如下：

type FCMPG struct{ base.NoOperandsInstruction }
type FCMPL struct{ base.NoOperandsInstruction }

由于浮点数计算有可能产生NaN（Not a Number）值，所以比较两个浮点数时，除了大于、等于、小于之外，
还有第4种结果：无法比较。

编写一个函数来统一比较float变量,如下：

func _fcmp(frame *rtda.Frame, gFlag bool) {
	stack := frame.OperandStack()
	v2 := stack.PopFloat()
	v1 := stack.PopFloat()
	if v1 > v2 {
		stack.PushInt(1)
	} else if v1 == v2 {
		stack.PushInt(0)
	} else if v1 < v2 {
		stack.PushInt(-1)
	} else if gFlag {
		stack.PushInt(1)
	} else {
		stack.PushInt(-1)
	}
}

Java虚拟机规范：浮点数比较指令 fcmpl 和 fcmpg 的规范要求首先弹出 v2，然后是 v1，以便进行浮点数比较。

Execute()如下：

func (self *FCMPG) Execute(frame *rtda.Frame) {
    _fcmp(frame, true)
}
func (self *FCMPL) Execute(frame *rtda.Frame) {
    _fcmp(frame, false)
}

if<cond>指令

if<cond> 指令是 Java 字节码中的条件分支指令，它根据条件 <cond> 来执行不同的分支。
条件 <cond> 可以是各种比较操作，比如等于、不等于、大于、小于等等。

常见的 if<cond> 指令包括：

  • ifeq: 如果栈顶的值等于0，则跳转。
  • ifne: 如果栈顶的值不等于0，则跳转。
  • iflt: 如果栈顶的值小于0，则跳转。
  • ifge: 如果栈顶的值大于或等于0，则跳转。
  • ifgt: 如果栈顶的值大于0，则跳转。
  • ifle: 如果栈顶的值小于或等于0，则跳转。

创建ifcond.go文件，在其中定义6条if指令，代码如下：

type IFEQ struct{ base.BranchInstruction }
type IFNE struct{ base.BranchInstruction }
type IFLT struct{ base.BranchInstruction }
type IFLE struct{ base.BranchInstruction }
type IFGT struct{ base.BranchInstruction }
type IFGE struct{ base.BranchInstruction }

以ifeq指令为例，其Execute（）方法如下：

func (self *IFEQ) Execute(frame *rtda.Frame) {
    val := frame.OperandStack().PopInt()
    if val == 0 {
    	base.Branch(frame, self.Offset)
	}
}

真正的跳转逻辑在Branch（）函数中。因为这个函数在很多指令中都会用到，所以定义在base\branch_logic.go 文件中，代码如下：

func Branch(frame *rtda.Frame, offset int) {
	pc := frame.Thread().PC()
	nextPC := pc + offset
	frame.SetNextPC(nextPC)
}

if_icmp<cond>指令

if_icmp<cond> 指令是 Java 字节码中的一类条件分支指令，它用于对比两个整数值，根据比较的结果来执行条件分支。这些指令的操作数栈上通常有两个整数值，它们分别用于比较。

这类指令包括：

  • if_icmpeq: 如果两个整数相等，则跳转。
  • if_icmpne: 如果两个整数不相等，则跳转。
  • if_icmplt: 如果第一个整数小于第二个整数，则跳转。
  • if_icmpge: 如果第一个整数大于等于第二个整数，则跳转。
  • if_icmpgt: 如果第一个整数大于第二个整数，则跳转。
  • if_icmple: 如果第一个整数小于等于第二个整数，则跳转。

创建if_icmp.go文件，在 其中定义6条if_icmp指令，代码如下：

type IF_ICMPEQ struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ICMPNE struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ICMPLT struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ICMPLE struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ICMPGT struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ICMPGE struct{ base.BranchInstruction }

以if_icmpne指令 为例，其Execute（）方法如下：

func (self *IF_ICMPNE) Execute(frame *rtda.Frame) {
    if val1, val2 := _icmpPop(frame); val1 != val2 {
       base.Branch(frame, self.Offset)
    }
}
func _icmpPop(frame *rtda.Frame) (val1, val2 int32) {
	stack := frame.OperandStack()
	val2 = stack.PopInt()
	val1 = stack.PopInt()
	return
}

if_acmp<cond>指令

if_acmp<cond> 指令是 Java 字节码中的一类条件分支指令，用于比较两个引用类型的对象引用，根据比较的结果来执行条件分支。这些指令的操作数栈上通常有两个对象引用，它们分别用于比较。

这类指令包括：

  • if_acmpeq: 如果两个引用相等，则跳转。
  • if_acmpne: 如果两个引用不相等，则跳转。

创建if_acmp.go文件，在 其中定义两条if_acmp指令，代码如下：

type IF_ACMPEQ struct{ base.BranchInstruction }
type IF_ACMPNE struct{ base.BranchInstruction }

以if_acmpeq指令为例，其Execute（）方法如下：

func (self *IF_ACMPEQ) Execute(frame *rtda.Frame) {
    stack := frame.OperandStack()
    ref2 := stack.PopRef()
    ref1 := stack.PopRef()
    if ref1 == ref2 {
    	base.Branch(frame, self.Offset)
    }
}

十一、控制指令

  • 控制指令共有 11 条。
  • 在 Java 6 之前，jsr 和 ret 指令用于实现 finally 子句。从 Java 6 开始，Oracle 的 Java 编译器不再使用这两条指令。
  • return 系列指令有 6 条，用于从方法调用中返回，将在后续实现。
  • 本节将实现剩下的 3 条指令：goto、tableswitch 和 lookupswitch。

这些指令用于控制程序执行流，包括条件分支和无条件跳转等操作。其中，goto 用于无条件跳转到指定的目标位置，而 tableswitch 和 lookupswitch 用于根据条件跳转到不同的目标位置。

control目录下创建goto.go文件，在其中定义 goto指令，代码如下：

posted @ 2024-01-11 03:02  橡皮筋儿  阅读(344)  评论(1)  编辑  收藏  举报