跟我一起写个虚拟机 .Net 7（一）

主要参考和借鉴 silan-liu 微微笑的蜗牛 的 《听说你想写个虚拟机》系列

最近《中文编程语言——青语言》发布了，我表示即震惊又惭愧，几年前就开始准备也想自己写个中文编程，奈何每次自己都想的大而全导致遗落在某个角落。

在看了青语言的源码后，我感觉我又可以了。

为了避免自己好高骛远，还是从最底层的来，不要想着一下就搞定，可以多借鉴和学习已有的模式，从而真正积累起来。

最起码我还在路上。

虚拟机

虚拟机就像名字说的那种，它就是一个虚拟机，像VMware一样的虚拟机，但是，这个系列写下来，顶多写一个类似C#运行时(CLR) 或者 java的虚拟机(JVM)。

当然，肯定比CLR小很多就是了，主要还是偏向虚拟机 VMware的概念，偏向于用软件来模拟硬件的CPU，寄存器，堆栈等设备信息，来实现指令的执行，这样的虚拟机。

还是比较基础的，对计算机编译基础想有简单动手能力的，可以跟我一起，我动手能力有点差，正好适合我。

依稀记得在大学时期用汇编写51的时钟案例了，可惜太早了，都忘求了，现在，慢慢捡起来。

同时，也能让你理解一门语言是如何实现跨平台的（实际上就是每个平台运行了相应的虚拟机 [ 运行时/解释器 ] ）

今天的任务

主要是通过最少的指令来实现一个加法，并发结果输出到控制台上。

大概有以下几个指令

指令集

/// <summary>
/// 指令集
/// </summary>
public enum InstructionSet
{
    /// <summary>
    /// PUSH 5; 
    /// 将数据放入栈中
    /// </summary>
    PUSH,
    /// <summary>
    /// 加法
    /// 取出栈中的两个操作数，执行加法操作，然后，放入栈中
    /// </summary>
    ADD,
    /// <summary>
    /// 取栈顶数据
    /// </summary>
    POP,
    /// <summary>
    /// 虚拟机停止运行
    /// </summary>
    HALT
}

指令集

这里有一个重点，我提一下那就是指令集是CPU带的，比如ARM指令集，Intel 指令集，以及RISC(精简指令集)。

指令集对应的其实就是汇编集，比如 ARM汇编，指令(机器码)与汇编(指令码)是一一对应的。

指令就是CPU对外提供的它能支持的各种操作，比如，加减乘除，跳转，判断等，而CPU与CPU之间是有差异的，它们对外提供的指令集不同。但是，大部分是相似的。

所以，真正执行指令的是CPU，而映射到虚拟机这个概念，执行的就是虚拟机本身。

目前提供了4条最简单的指令。

栈结构

栈结构很容易理解，相对于队列来讲。
队列是先进先出。

从图上可以看到，从左侧进入，右侧出去，里面是有序的，从右到左排列，就像去超市结账排队一样。

栈是后进先出。

从口里进去，然后，从口里出去，就像堆了一堆砖头，你总得从最上边把砖头拿走（最下边的不好抽出来）。

理解了堆栈的结构，就有助于理解，接下来的操作了。

逻辑

PUSH，就是堆栈的进操作。堆栈指针要在执行后+1；（累加），它有一个操作数，比如:PUSH 5 ; 就是把5压到堆栈上。

POP，就是堆栈的出操作。堆栈指针要在执行后-1；（累减），它只能获取一个数据，比如：POP ; 就弹出栈顶的数据。

ADD，就是对加数与被加数进行加操作，它只能从栈里获取两个数据，并把结果PUSH到堆栈上。

HALT ，没有操作数，就是任务执行完毕的意思。

寄存器相关

/// <summary>
/// 指令指针寄存器
/// </summary>
public int IP { get; private set; } = 0;
/// <summary>
/// 栈指针寄存器
/// </summary>
public int StackPointer { get; private set; } = -1;
/// <summary>
/// 栈
/// </summary>
public int[] Stack { get; private set; } = new int[256];

主要是IP，指令指针寄存器和栈指针寄存器以及我们所定义的栈。

控制指令指针IP，就可以让CPU（虚拟机）从所设定的位置，继续往下执行我们给它的指令集合（程序）。

而，栈指针寄存器（sp）是控制和表现Stack栈结构的辅助索引。

虚拟机相关

public class VM
{
    public bool Runing { get; private set; }
    /// <summary>
    /// 指令指针寄存器
    /// </summary>
    public int IP { get; private set; } = 0;
    /// <summary>
    /// 栈指针寄存器
    /// </summary>
    public int StackPointer { get; private set; } = -1;
    /// <summary>
    /// 栈
    /// </summary>
    public int[] Stack { get; private set; } = new int[256];
    public void Run(int[] Instructions)
    {
        Start();
        while (Runing)
        {
            int instruction = Instructions[IP];
            Eval((InstructionSet)instruction, Instructions);
            IP++;
        }
        Console.WriteLine("VM 虚拟机 退出运行!");
    }
    private void Eval(InstructionSet instruction, int[] Instructions)
    {
        switch (instruction)
        {
            case InstructionSet.HALT:
                Runing = false;
                Console.WriteLine("虚拟机停止");
                break;
            case InstructionSet.PUSH:
                StackPointer++;
                ++IP;
                Stack[StackPointer] = Instructions[IP];
                break;
            case InstructionSet.POP:
                int popValue = Stack[StackPointer];
                StackPointer--;
                Console.WriteLine($"poped {popValue}");
                break;
            case InstructionSet.ADD:
                //从栈中取出两个操作数，相加，然后，保存在栈中
                int a = Stack[StackPointer];
                StackPointer--;
                int b = Stack[StackPointer];
                StackPointer--;
                int sum = a + b;
                StackPointer++;
                Stack[StackPointer] = sum;
                break;
        }
    }
    public void Start()
    {
        Runing = true;
        IP = 0;
        Stack = new int[256];
        StackPointer = -1;
    }
}

整体逻辑就是，先初始化，start，恢复初始环境，相当于重启，然后，根据程序，依次往下执行，直到遇到停止的指令，才会退出执行。

主函数

static void Main(string[] args)
{
    VM VM = new VM();
    var program = new List<int>()
    {
        (int)InstructionSet.PUSH,5,
        (int)InstructionSet.PUSH,6,
        (int)InstructionSet.ADD,
        (int)InstructionSet.POP,
        (int)InstructionSet.HALT
    };
    VM.Run(program.ToArray());
    Console.ReadLine();
}

因为我的操作码是枚举来的，所以，在C#里需要转码一下，当然，后期的操作码和操作数应该能合成一条指令，类似字节码。

program就是定义的程序(汇编)，压入了5，压入了6，执行加法，然后，弹出结果，停止虚拟机的执行。

结果如下

弹出了结果，11，结果正确。

然后，依次各个退出，顺利完成极简版的虚拟机。

敬请期待下篇《跟我一起写个虚拟机 .Net 7（二）》

代码地址

https://github.com/kesshei/VirtualMachineDemo.git

https://gitee.com/kesshei/VirtualMachineDemo.git

致谢

我主要是看 silan-liu 微微笑的蜗牛 的 《听说你想写个虚拟机》系列。

作者写的真不错，有喜欢的，可以去支持一下。

阅

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