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Golang实现JAVA虚拟机-指令集和解释器

發布時間：2024/1/11 windows 42 coder

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 Golang实现JAVA虚拟机-指令集和解释器小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

原文鏈接：https://gaoyubo.cn/blogs/f57f32cf.html

前置

Golang實現JAVA虛擬機-解析class文件

Golang實現JAVA虛擬機-運行時數據區

一、字節碼、class文件、指令集的關系

class文件（二進制）和字節碼（十六進制）的關系

class文件

經過編譯器編譯后的文件（如javac），一個class文件代表一個類或者接口；
是由字節碼組成的，主要存儲的是字節碼，字節碼是訪問jvm的重要指令
文件本身是2進制，對應的是16進制的數。

字節碼

包括操作碼（Opcode）和操作數：操作碼是一個字節
如果方法不是抽象的，也不是本地方法，方法的Java代碼就會被編譯器編譯成字節碼，存放在method_info結構的Code屬性中

如圖：操作碼為B2，助記符為助記符是getstatic。它的操作數是0x0002，代表常量池里的第二個常量。

操作數棧和局部變量表只存放數據的值，并不記錄數據類型。結果就是：指令必須知道自己在操作什么類型的數據。

這一點也直接反映在了操作碼的助記符上。

例如，iadd指令：對int值進行加法操作；
dstore指令：把操作數棧頂的double值彈出，存儲到局部變量表中；
areturn：從方法中返回引用值。

助記符

如果某類指令可以操作不同類型的變量，則助記符的第一個字母表示變量類型。助記符首字母和變量類型的對應關系如下：

指令分類

Java虛擬機規范把已經定義的205條指令按用途分成了11類，分別是：

常量（constants）指令
加載（loads）指令
存儲（stores）指令
操作數棧（stack）指令
數學（math）指令
轉換（conversions）指令
比較（comparisons）指令
控制（control）指令
引用（references）指令
擴展（extended）指令
保留（reserved）指令：
- 操作碼：202（0xCA），助記符：breakpoint，用于調試器的斷點調試
- 254（0xFE），助記符：impdep1
- 266（0xFF），助記符：impdep2
- 這三條指令不允許出現在class文件中

本章將要實現的指令涉及11類中的9類

二、JVM執行引擎

執行引擎是Java虛擬機四大組成部分中一個核心組成（另外三個分別是類加載器子系統、運行時數據區、垃圾回收器），

Java虛擬機的執行引擎主要是用來執行Java字節碼。

它有兩種主要執行方式：通過字節碼解釋器執行，通過即時編譯器執行

解釋和編譯

在了解字節碼解釋器和即使編譯器之前，需要先了解解釋和編譯

解釋是將代碼逐行或逐條指令地轉換為機器代碼并立即執行的方式，適合實現跨平臺性。
編譯是將整個程序或代碼塊翻譯成機器代碼的方式，生成的機器代碼可反復執行，通常更快，但不具備跨平臺性。

字節碼解釋器

字節碼解釋器將逐條解釋執行Java字節碼指令。這意味著它會逐個讀取字節碼文件中的指令，并根據每個指令執行相應的操作。雖然解釋執行相對較慢。

逐行解釋和執行代碼。它會逐行讀取源代碼或字節碼，將每一行翻譯成計算機指令，然后立即執行該指令。

因此具有平臺無關性，因為字節碼可以在不同的平臺上運行。

即時編譯器（Just-In-Time Compiler，JIT）

即時編譯器將字節碼編譯成本地機器代碼，然后執行本地代碼。

這種方式更快，因為它避免了字節碼解釋的過程，但編譯需要一些時間。

即時編譯器通常會選擇性地編譯某些熱點代碼路徑，以提高性能。

解釋器規范

Java虛擬機規范的2.11節介紹了Java虛擬機解釋器的大致邏輯，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);

從當前程序計數器（Program Counter，通常簡稱為 PC）中獲取當前要執行的字節碼指令的地址。
從該地址獲取字節碼指令的操作碼（opcode），并執行該操作碼對應的操作。
如果指令需要操作數（operands），則獲取操作數。
執行指令對應的操作。
更新 PC，以便繼續執行下一條字節碼指令。
循環執行上述步驟，直到沒有更多的指令需要執行。

每次循環都包含三個部分：計算pc、指令解碼、指令執行

可以把這個邏輯用Go語言寫成一個for循環，里面是個大大的switch-case語句。但這樣的話，代碼的可讀性將非常差。

所以采用另外一種方式：把指令抽象成接口，解碼和執行邏輯寫在具體的指令實現中。

這樣編寫出的解釋器就和Java虛擬機規范里的偽代碼一樣簡單，偽代碼如下：

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

三、指令和指令解碼

本節先定義指令接口，然后定義一個結構體用來輔助指令解碼

Instruction接口

為了便于管理，把每種指令的源文件都放在各自的包里，所有指令都共用的代碼則放在base包里。

因此instructions目錄下會有如下10個子目錄：

base目錄下創建instruction.go文件，在其中定義Instruction接口，代碼如下：

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

FetchOperands（）方法從字節碼中提取操作數，Execute（）方法執行指令邏輯。

有很多指令的操作數都是類似的。為了避免重復代碼，按照操作數類型定義一些結構體，并實現FetchOperands（）方法。

無操作數指令

在instruction.go文件中定義NoOperandsInstruction結構體，代碼如下:

type NoOperandsInstruction struct {}

NoOperandsInstruction表示沒有操作數的指令，所以沒有定義任何字段。FetchOperands（）方法自然也是空空如也，什么也不用讀，代碼如下:

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

跳轉指令

定義BranchInstruction結構體，代碼如下：

type BranchInstruction struct {
    //偏移量
	Offset int
}

BranchInstruction表示跳轉指令，Offset字段存放跳轉偏移量。

FetchOperands（）方法從字節碼中讀取一個uint16整數，轉成int后賦給Offset字段。代碼如下：

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

存儲和加載指令

存儲和加載類指令需要根據索引存取局部變量表，索引由單字節操作數給出。把這類指令抽象成Index8Instruction結構體，定義Index8Instruction結構體，代碼如下:

type Index8Instruction struct {
    //索引
    Index uint
}

FetchOperands（）方法從字節碼中讀取一個int8整數，轉成uint后賦給Index字段。代碼如下：

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

訪問常量池的指令

有一些指令需要訪問運行時常量池，常量池索引由兩字節操作數給出，用Index字段表示常量池索引。定義Index16Instruction結構體，代碼如下：

type Index16Instruction struct {
	Index uint
}

FetchOperands（）方法從字節碼中讀取一個 uint16整數，轉成uint后賦給Index字段。代碼如下

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

指令接口和“抽象”指令定義好了，下面來看BytecodeReader結構體

BytecodeReader結構體

base目錄下創建bytecode_reader.go文件，在其中定義BytecodeReader結構體

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

code字段存放字節碼，pc字段記錄讀取到了哪個字節。

為了避免每次解碼指令都新創建一個BytecodeReader實例，給它定義一個 Reset（）方法，代碼如下:

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

面實現一系列的Read（）方法。首先是最簡單的ReadUint8（）方法，代碼如下：

func (self *BytecodeReader) ReadUint8() uint8 {
    i := self.code[self.pc]
    self.pc++
    return i
}

從 self.code 字節切片中的 self.pc 位置讀取一個字節（8 位）的整數值。
然后將 self.pc 的值增加1，以便下次讀取下一個字節。
最后，返回讀取的字節作為無符號 8 位整數

ReadInt8（）方法調用ReadUint8（），然后把讀取到的值轉成int8 返回，代碼如下：

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

ReadUint16（）連續讀取兩字節

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

ReadInt16（）方法調用ReadUint16（），然后把讀取到的值轉成 int16返回，代碼如下：

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

ReadInt32（）方法連續讀取4字節，代碼如下：

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
}

在接下來的小節中，將按照分類依次實現約150條指令，占整個指令集的3/4

四、常量指令

常量指令把常量推入操作數棧頂。

常量可以來自三個地方：隱含在操作碼里、操作數和運行時常量池。

常量指令共有21條，本節實現其中的18條。另外3條是ldc系列指令，用于從運行時常量池中加載常量，將在后續實現。

nop指令

nop指令是最簡單的一條指令，因為它什么也不做。
在\instructions\constants目錄下創建nop.go文件，在其中實現nop指令，代碼如下：

type NOP struct{ base.NoOperandsInstruction }

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

const系列指令

這一系列指令把隱含在操作碼中的常量值推入操作數棧頂。

constants目錄下創建const.go文件，在其中定義15條指令，代碼如下

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條指令為例進行說明。aconst_null指令把null引用推入操作數棧頂，代碼如下

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

dconst_0指令把double型0推入操作數棧頂，代碼如下

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

iconst_m1指令把int型-1推入操作數棧頂，代碼如下：

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

bipush和sipush指令

bipush指令從操作數中獲取一個byte型整數，擴展成int型，然后推入棧頂。
sipush指令從操作數中獲取一個short型整數，擴展成int型，然后推入棧頂。

constants目錄下創建 ipush.go文件，在其中定義bipush和sipush指令，代碼如下：

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

BIPUSH結構體實現方法如下：

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、加載指令

加載指令用于從局部變量表獲取變量，并將其推入操作數棧頂。總共有 33 條加載指令，它們按照所操作的變量類型可以分為 6 類：

aload 系列指令：用于操作引用類型變量。

dload 系列指令：用于操作 double 類型變量。

fload 系列指令：用于操作 float 變量。

iload 系列指令：用于操作 int 變量。

lload 系列指令：用于操作 long 變量。

xaload 指令：用于操作數組。

本節將實現其中的 25 條加載指令。數組和xaload系列指令先不實現。

loads目錄下創建iload.go文件，在其中定義5 條指令，代碼如下：完整代碼移步：jvmgo

// 從局部變量表加載int類型
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 }

為了避免重復代碼，定義一個函數供iload系列指令使用，代碼如下：

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

iload指令的索引來自操作數，其Execute（）方法如下：

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

其余4條指令的索引隱含在操作碼中，以iload_1為例，其 Execute（）方法如下：

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

六、存儲指令

和加載指令剛好相反，存儲指令把變量從操作數棧頂彈出，然后存入局部變量表。

和加載指令一樣，存儲指令也可以分為6類。以 lstore系列指令為例進行介紹。完整代碼移步：jvmgo

instructions\stores目錄下創建 lstore.go文件，在其中定義5條指令，代碼如下:

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 }

同樣定義一個函數供5條指令使用，代碼如下：

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

lstore指令的索引來自操作數，其Execute（）方法如下：

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

其余4條指令的索引隱含在操作碼中，以lstore_2為例，其 Execute（）方法如下

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

七、棧指令

棧指令直接對操作數棧進行操作，共9條：

pop和pop2指令將棧頂變量彈出

dup系列指令復制棧頂變量

swap指令交換棧頂的兩個變量

和其他類型的指令不同，棧指令并不關心變量類型。為了實現棧指令，需要給OperandStack結構體添加兩個方法。操作數棧實現
rtda\operand_stack.go文件中，在其中定義PushSlot（）和PopSlot（） 方法，代碼如下：

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目錄下創建pop.go文件，在其中定義 pop和pop2指令，代碼如下:

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

pop指令把棧頂變量彈出，代碼如下：

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

pop指令只能用于彈出int、float等占用一個操作數棧位置的變量。

double和long變量在操作數棧中占據兩個位置，需要使用pop2指令彈出，代碼如下：

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

dup指令

創建dup.go文件，在其中定義6 條指令，代碼如下：完整代碼移步：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指令復制棧頂的單個變量，代碼如下：

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

DUP_X1 ：復制棧頂操作數一份放在第二個操作數的下方。Execute代碼如下：

/*
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 ：復制棧頂操作數棧的一個或兩個值，并將它們插入到操作數棧中的第三個值的下面。

/*
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指令作用是交換棧頂的兩個操作數

下創建swap.go文件，在其中定義swap指令，代碼如下:

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、數學指令

數學指令大致對應Java語言中的加、減、乘、除等數學運算符。

數學指令包括算術指令、位移指令和布爾運算指令等，共37條，將全部在本節實現。

算術指令

算術指令又可以進一步分為:

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

加、減、乘、除和取反指令都比較簡單，本節以復雜的求余指令介紹。

math目錄下創建rem.go文件，在其中定義4條求余指令，代碼如下:

type DREM struct{ base.NoOperandsInstruction }
type FREM struct{ base.NoOperandsInstruction }
type IREM struct{ base.NoOperandsInstruction }
type LREM struct{ base.NoOperandsInstruction }

DREM 結構體：表示對雙精度浮點數 (double) 執行取余操作。
FREM 結構體：表示對單精度浮點數 (float) 執行取余操作
IREM 結構體：表示對整數 (int) 執行取余操作。
LREM 結構體：表示對長整數 (long) 執行取余操作。

irem和lrem代碼差不多，以irem為例，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)
}

先從操作數棧中彈出兩個int變量，求余，然后把結果推入操作數棧。

注意！對int或long變量做除法和求余運算時，是有可能拋出ArithmeticException異常的。

frem和drem指令差不多，以 drem為例，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語言沒有給浮點數類型定義求余操作符，所以需要使用 math包的Mod（）函數。

浮點數類型因為有Infinity（無窮大）值，所以即使是除零，也不會導致ArithmeticException異常拋出

位移指令

分為左移和右移

左移
右移
- 算術右移（有符號右移）
- 邏輯右移（無符號右移）兩種。

算術右移和邏輯位移的區別僅在于符號位的擴展，如下面的Java代碼所示。

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

math目錄下創建sh.go文件，在其中定義6條位移指令，代碼如下

type ISHL struct{ base.NoOperandsInstruction } // int左位移
type ISHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // int算術右位移
type IUSHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // int邏輯右位移(無符號右移位)
type LSHL struct{ base.NoOperandsInstruction } // long左位移
type LSHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // long算術右位移
type LUSHR struct{ base.NoOperandsInstruction } // long邏輯右移位（無符號右移位）

左移

左移指令比較簡單，以ishl指令為例，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)
}

先從操作數棧中彈出兩個int變量v2和v1。v1是要進行位移操作的變量，v2指出要移位多少比特。位移之后，把結果推入操作數棧。

s := uint32(v2) & 0x1f：這行代碼將被左移的位數 v2 強制轉換為 uint32 類型，然后執行按位與操作（&）與常數 0x1f。
這是為了確保左移的位數在范圍 0 到 31 內，因為在 Java 中，左移操作最多只能左移 31 位，超出這個范圍的位數將被忽略。

這里注意兩點：

int變量只有32位，所以只取v2的前5個比特就足夠表示位移位數了

Go語言位移操作符右側必須是無符號整數，所以需要對v2進行類型轉換

右移

算數右移

算術右移指令需要擴展符號位，代碼和左移指令基本上差不多。以lshr指令為例，其Execute（）方法如下：

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

s := uint32(v2) & 0x1f：

提取 v2 變量的最低的 6 位，將其他位設置為 0，并將結果存儲在 s 變量中。這是為了限制右移的位數在 0 到 63 之間，因為在 Java 中，long類型右移操作最多只能右移 63 位

邏輯右移

無符號右移位，以iushr為例，在移位前，先將v2轉化為正數，再進行移位，最后轉化為int32類型，如下代碼所示：

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)
}

布爾運算指令

布爾運算指令只能操作int和long變量，分為：

按位與（and）
按位或（or）
按位異或（xor）

math目錄下創建and.go文件，在其中定義iand和 land指令，代碼如下：

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

以iand指令為例，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指令給局部變量表中的int變量增加常量值，局部變量表索引和常量值都由指令的操作數提供。

math目錄下創建iinc.go文件，在其中定義iinc指令，代碼如下：

type IINC struct {
    //索引
	Index uint
    //常量值
	Const int32
}

index：一個字節，表示局部變量表中要增加值的變量的索引。這個索引指定了要修改的局部變量。

const：一個有符號字節，表示要增加的常數值。這個常數值將與局部變量的當前值相加，并將結果存儲回同一個局部變量。

FetchOperands（）函數從字節碼里讀取操作數，代碼如下：

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

Execute（）方法從局部變量表中讀取變量，給它加上常量值，再把結果寫回局部變量表，代碼如下

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

九、類型轉換指令

類型轉換指令大致對應Java語言中的基本類型強制轉換操作。類型轉換指令有共15條，將全部在本節實現。

引用類型轉換對應的是checkcast指令，將在后續完成。

類型轉換指令根據被轉換變量的類型分為四種系列：

i2x 系列指令：這些指令將整數（int）變量強制轉換為其他類型。

l2x 系列指令：這些指令將長整數（long）變量強制轉換為其他類型。

f2x 系列指令：這些指令將浮點數（float）變量強制轉換為其他類型。

d2x 系列指令：這些指令將雙精度浮點數（double）變量強制轉換為其他類型。

這些類型轉換指令允許將不同類型的數據進行強制類型轉換，以滿足特定的計算或操作需求。

以d2x系列指令為例進行討論。

conversions目錄下創建d2x.go文件，在其中定義d2f、d2i和d2l指令，代碼如下

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

以d2i指令為例，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)
}

因為Go語言可以很方便地轉換各種基本類型的變量，所以類型轉換指令實現起來還是比較容易的。

十、比較指令

比較指令可以分為兩類：

將比較結果推入操作數棧頂
根據比較結果跳轉

比較指令是編譯器實現if-else、for、while等語句的基石，共有19條

lcmp指令

lcmp指令用于比較long變量。

comparisons目錄下創建lcmp.go文件，在其中定義lcmp指令，代碼如下：

type LCMP struct{ base.NoOperandsInstruction }

Execute（）方法把棧頂的兩個long變量彈出，進行比較，然后把比較結果（int型0、1或-1）推入棧頂，代碼如下：

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指令用于比較float變量，它們的區別是對于非數字參與，fcmpg會默認為其大于任何非NaN值，fcmpl則相反。

comparisons目錄下創建fcmp.go文件，在其中定義 fcmpg和fcmpl指令，代碼如下：

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

由于浮點數計算有可能產生NaN（Not a Number）值，所以比較兩個浮點數時，除了大于、等于、小于之外，
還有第4種結果：無法比較。

編寫一個函數來統一比較float變量,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虛擬機規范：浮點數比較指令 fcmpl 和 fcmpg 的規范要求首先彈出 v2，然后是 v1，以便進行浮點數比較。

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 字節碼中的條件分支指令，它根據條件 <cond> 來執行不同的分支。
條件 <cond> 可以是各種比較操作，比如等于、不等于、大于、小于等等。

常見的 if<cond> 指令包括：

ifeq: 如果棧頂的值等于0，則跳轉。

ifne: 如果棧頂的值不等于0，則跳轉。

iflt: 如果棧頂的值小于0，則跳轉。

ifge: 如果棧頂的值大于或等于0，則跳轉。

ifgt: 如果棧頂的值大于0，則跳轉。

ifle: 如果棧頂的值小于或等于0，則跳轉。

創建ifcond.go文件，在其中定義6條if指令，代碼如下：

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指令為例，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)
	}
}

真正的跳轉邏輯在Branch（）函數中。因為這個函數在很多指令中都會用到，所以定義在base\branch_logic.go 文件中，代碼如下：

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 字節碼中的一類條件分支指令，它用于對比兩個整數值，根據比較的結果來執行條件分支。這些指令的操作數棧上通常有兩個整數值，它們分別用于比較。

這類指令包括：

if_icmpeq: 如果兩個整數相等，則跳轉。

if_icmpne: 如果兩個整數不相等，則跳轉。

if_icmplt: 如果第一個整數小于第二個整數，則跳轉。

if_icmpge: 如果第一個整數大于等于第二個整數，則跳轉。

if_icmpgt: 如果第一個整數大于第二個整數，則跳轉。

if_icmple: 如果第一個整數小于等于第二個整數，則跳轉。

創建if_icmp.go文件，在其中定義6條if_icmp指令，代碼如下：

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指令為例，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 字節碼中的一類條件分支指令，用于比較兩個引用類型的對象引用，根據比較的結果來執行條件分支。這些指令的操作數棧上通常有兩個對象引用，它們分別用于比較。

這類指令包括：

if_acmpeq: 如果兩個引用相等，則跳轉。

if_acmpne: 如果兩個引用不相等，則跳轉。

創建if_acmp.go文件，在其中定義兩條if_acmp指令，代碼如下：

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

以if_acmpeq指令為例，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 條。
在 Java 6 之前，~~jsr 和 ret 指令用于實現 finally 子句~~。從 Java 6 開始，Oracle 的 Java 編譯器不再使用這兩條指令。
return 系列指令有 6 條，用于從方法調用中返回，將在后續實現。
本節將實現剩下的 3 條指令：goto、tableswitch 和 lookupswitch。

這些指令用于控制程序執行流，包括條件分支和無條件跳轉等操作。其中，goto 用于無條件跳轉到指定的目標位置，而 tableswitch 和 lookupswitch 用于根據條件跳轉到不同的目標位置。

control目錄下創建goto.go文件，在其中定義 goto指令，代碼如下：

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Golang实现JAVA虚拟机-指令集和解释器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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