虚拟机开发 Skill | Agent Skills

虚拟机开发

🎯 垂直职责

单一职责: 虚拟机实现 - 字节码执行、指令集、栈帧、内存管理、垃圾回收

📦 核心能力

1. 字节码设计 (EP13-EP15)

定义: BytecodeDefinition.java
指令集: IADD, ISUB, IMUL, IDIV, LOAD, STORE, CALL, RET, JMP
操作数栈: 后进先出 (LIFO)

2. 栈式虚拟机 (EP18)

位置: ep18/src/main/java/org/teachfx/antlr4/ep18/stackvm/
核心: CymbolStackVM.java
栈帧: StackFrame.java (局部变量 + 操作数栈 + 返回地址)

3. 寄存器虚拟机 (EP18R)

位置: ep18r/src/main/java/org/teachfx/antlr4/ep18r/regvm/
核心: CymbolRegisterVM.java
寄存器分配: 基于ABI约定的寄存器使用

4. 内存管理 (EP18/EP18R)

堆内存: HeapMemory.java
GC: 标记-清除算法
对象布局: 类型信息 + 字段数据

🔗 关系图

→ ep-navigator (识别EP范围) → compiler-dev (IR → 字节码)

🚀 快速开始

添加新指令

# 1. 定义操作码
vim ep18/src/main/java/.../BytecodeDefinition.java
// enum OpCode { ..., NEW_OP(0x20); }

# 2. 实现指令类
vim ep18/src/main/java/.../instruction/NewOpInstruction.java
public class NewOpInstruction extends Instruction {
    @Override
    public void execute(ExecutionContext ctx) {
        // 实现逻辑
    }
}

# 3. 注册指令
vim ep18/src/main/java/.../InstructionFactory.java

# 4. 测试
mvn test -pl ep18 -Dtest="*NewOpInstruction*"

实现垃圾回收

# 1. 定义对象头
class ObjectHeader {
    Type type;
    boolean marked;
    int size;
}

# 2. 实现标记阶段
void mark(VarSlot root) {
    Object obj = heap.get(root);
    if (obj != null && !obj.header.marked) {
        obj.header.marked = true;
        for (VarSlot field : obj.getReferences()) {
            mark(field);
        }
    }
}

# 3. 实现清除阶段
void sweep() {
    heap.removeIf(obj -> !obj.header.marked);
}

📊 栈帧结构

┌─────────────────────────────────┐
│     返回地址 (Return Address)    │
├─────────────────────────────────┤
│     局部变量区 (Locals)          │
│     [0] [1] [2] [3] ...         │
├─────────────────────────────────┤
│     操作数栈 (Operand Stack)     │
│     [...] [...] [...]           │
└─────────────────────────────────┘

🛠️ 常用命令

# 虚拟机相关
mvn compile -pl ep18                         # 编译EP18
mvn test -pl ep18 -Dtest="*Instruction*"     # 测试指令
mvn test -pl ep18 -Dtest="*VM*"              # 测试VM
mvn test -pl ep18 -Dtest="*GC*"              # 测试GC

# 运行程序
mvn exec:java -pl ep18 -Dexec.args="program.cx"

📐 指令格式速查

| 指令 | 操作码 | 操作数 | 栈效果 | 描述 | |------|--------|--------|--------|------| | ICONST | 0x01 | value | → value | 加载整数常量 | | IADD | 0x10 | - | a,b → a+b | 整数加法 | | ISUB | 0x11 | - | a,b → a-b | 整数减法 | | LOAD | 0x20 | index | → value | 加载局部变量 | | STORE | 0x21 | index | value → | 存储局部变量 | | CALL | 0x30 | addr | args... → | 调用函数 | | RET | 0x31 | - | value → | 返回函数 | | JMP | 0x40 | offset | → | 无条件跳转 | | CONDJMP | 0x41 | offset | cond → | 条件跳转 |

⚠️ 常见问题

| 问题 | 原因 | 解决方案 | |------|------|----------| | 栈溢出 | 操作数栈超限 | 检查指令栈平衡 | | 栈下溢 | 弹出空栈 | 验证指令前置条件 | | 类型错误 | 操作数类型不匹配 | 添加类型检查 | | 内存泄漏 | GC未正确标记 | 检查根集完整性 |

版本: v1.0 | 垂直职责: 虚拟机实现 | 2025-12-23

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