vm-dev

name	vm-dev
description	虚拟机开发专家，专注于字节码、指令、栈帧、内存管理和垃圾回收。
version	v1.0
tags	["vm","bytecode","execution","stack","memory","gc"]
allowed-tools	mcp__serena__find_symbol, mcp__serena__replace_symbol_body, Read, Bash
requires-skills	["ep-navigator","compiler-dev"]

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

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版本: v1.0 | 垂直职责: 虚拟机实现 | 2025-12-23