前段时间写了一个栈式虚拟机（Stack-based VM），整理了一份设计文档。本文是对这份文档的解读和总结。
项目代码：https://github.com/xyanrch1024/VM
为什么选栈式架构
虚拟机架构主要有两种：
| 特性 | 栈式 | 寄存器式 |
|---|---|---|
| 指令长度 | 短（1-3 字节） | 较长 |
| 编译器后端 | 极简 | 需要寄存器分配 |
| 解释执行 | 直观，Bug 少 | 指令数少约 30% |
| JIT 适配 | 较难 | 天然适合 |
这个项目选择栈式，原因很简单：纯解释执行场景下，栈式实现简单、代码生成方便、不易出错。
总体架构
VM 实例包含以下核心组件：
- 操作数栈 —
vector<Value>，同时存放局部变量和临时计算值 - 调用栈 —
vector<CallFrame>，管理函数调用 - 字符串表 — intern 池，字符串比较退化为指针比较
- 函数表 — 所有已编译函数的集合
- PC / FP — 程序计数器和帧指针
值系统
每个 Value 占 8 字节，用 1 字节类型标签 + 7 字节值：
┌──────┬──────────────────────────────┐
│ type │ value │
│ 1B │ 7B │
├──────┼──────────────────────────────┤
│ NIL │ padding │
│ BOOL │ bool │
│ INT │ int64_t │
│FLOAT │ double │
│STRING│ void* (→ string table) │
└──────┴──────────────────────────────┘
类型提升规则：INT + FLOAT → FLOAT，字符串 + 走拼接。
指令集（40 条）
指令编码格式：1 字节 opcode + 变长操作数。
分为几大类：
| 类别 | 数量 | 示例 |
|---|---|---|
| 常量压栈 | 5 | OP_CONSTANT, OP_NIL |
| 栈操作 | 5 | OP_DUP, OP_SWAP, OP_ROT |
| 局部变量 | 10 | OP_LOAD, OP_STORE_0~3 |
| 算术运算 | 7 | OP_ADD, OP_SUB, OP_MUL |
| 比较运算 | 6 | OP_EQ, OP_LT, OP_GE |
| 位运算 | 6 | OP_BIT_AND, OP_SHL |
| 逻辑运算 | 1 | OP_NOT |
| 控制流 | 4 | OP_JMP, OP_JZ, OP_LOOP |
| 函数调用 | 2 | OP_CALL, OP_RET |
| 其他 | 4 | OP_PRINT, OP_HALT |
执行模型
操作数栈分为两个区域：
┌───────────────────┐
│ 局部变量区域 │ [fp, fp+numLocals)
│ slot 0,1,...,N │ LOAD/STORE 访问
├───────────────────┤
│ 表达式栈 │ [fp+numLocals, sp]
│ 临时计算值 │ PUSH/POP 操作
└───────────────────┘
函数调用时：预分配局部变量 → 压入 CallFrame → 执行 → RET 弹出清栈。
内存管理：字符串驻留
所有字符串在加载时放入 intern 表。每次遇到字符串常量，先查 hash map：
已存在？→ 返回已有指针（O(1) 比较）
不存在？→ 创建新副本，加入表，返回稳定指针
编译示例
1 + 2 × 3 的字节码：
OP_CONSTANT 0 ; push 1
OP_CONSTANT 1 ; push 2
OP_CONSTANT 2 ; push 3
OP_MUL ; 2 × 3 = 6
OP_ADD ; 1 + 6 = 7
OP_PRINTLN ; print 7
OP_HALT
递归阶乘 factorial(5)：
与多数语言编译器的中间表示类似，函数体内通过 LOAD/STORE 访问参数和局部变量，CALL/RET 管理调用栈。
测试覆盖
13 个测试覆盖了：算术、局部变量、条件分支、循环、递归、浮点、字符串、比较、位运算、栈操作、双递归调用（fibonacci）。
优化方向（待做）
- Top-of-stack caching — 栈顶值缓存到寄存器
- Computed goto — switch 替换为跳转表
- 内联缓存 — 频繁调用函数做内联
- JIT 编译 — 热点字节码编译为本地机器码
结语
这份设计文档完整描述了一个可工作的栈式虚拟机。代码量不大（C++17，8 个文件），但涵盖了 VM 的核心设计范式。对编译器或语言实现感兴趣的同学可以参考。
完整源码：https://github.com/xyanrch1024/VM