6. 实现虚拟机

添加模块 src/bfjit.rs

导入必要的类型

use crate::bfir::{self, BfIR};
use crate::error::{Result, RuntimeError, VMError};

use std::io::{Read, Write};
use std::path::Path;
use std::ptr;

use dynasm::dynasm;
use dynasmrt::{DynasmApi, DynasmLabelApi};

虚拟机定义与 Brainfuck 机器模型一致。

机器码缓冲区，起始偏移，字节数组，输入输出流。

字节数组大小至少为 30000，这里设置为 4 MiB.

pub struct BfVM<'io> {
    code: dynasmrt::ExecutableBuffer,
    start: dynasmrt::AssemblyOffset,
    memory: Box<[u8]>,
    input: Box<dyn Read + 'io>,
    output: Box<dyn Write + 'io>,
}

准备汇编可调用的函数，brainfuck 通过 unsafe 函数与虚拟机交互。

为了传出可能的错误，把错误移动到堆上，返回裸指针。您也可以选择其他方式来传出错误。

在 FFI 时完善地处理 panic 和 backtrace 是一个复杂的问题。为了不增加过多处理代码，这里选择忽略 unsafe 函数中的 panic 问题。在代码正确的情况下，panic 应该不会发生。

请注意：跨语言的栈展开 (stack unwind) 是未定义行为，有可能引发段错误，您需要仔细研究 ABI 才能解决它。

#[inline(always)]
fn vm_error(re: RuntimeError) -> *mut VMError {
    let e = Box::new(VMError::from(re));
    Box::into_raw(e)
}

impl BfVM<'_> {
    unsafe extern "sysv64" fn getbyte(this: *mut Self, ptr: *mut u8) -> *mut VMError {
        let mut buf = [0_u8];
        let this = &mut *this;
        match this.input.read(&mut buf) {
            Ok(0) => {}
            Ok(1) => *ptr = buf[0],
            Err(e) => return vm_error(RuntimeError::IO(e)),
            _ => unreachable!(),
        }
        ptr::null_mut()
    }

    unsafe extern "sysv64" fn putbyte(this: *mut Self, ptr: *const u8) -> *mut VMError {
        let buf = std::slice::from_ref(&*ptr);
        let this = &mut *this;
        match this.output.write_all(buf) {
            Ok(()) => ptr::null_mut(),
            Err(e) => vm_error(RuntimeError::IO(e)),
        }
    }

    unsafe extern "sysv64" fn overflow_error() -> *mut VMError {
        vm_error(RuntimeError::PointerOverflow)
    }
}

用输入流、输出流、源文件路径初始化虚拟机，优化选项也由外部提供。

compile 方法暂时留空。

impl BfVM<'_> {
    fn compile(code: &[BfIR]) -> Result<(dynasmrt::ExecutableBuffer, dynasmrt::AssemblyOffset)> {
        todo!()
    }

impl<'io> BfVM<'io> {
    pub fn new(
        file_path: &Path,
        input: Box<dyn Read + 'io>,
        output: Box<dyn Write + 'io>,
        optimize: bool,
    ) -> Result<Self> {
        let src = std::fs::read_to_string(file_path)?;
        let mut ir = bfir::compile(&src)?;
        drop(src);

        if optimize {
            bfir::optimize(&mut ir);
        }
        let (code, start) = Self::compile(&ir)?;
        drop(ir);

        let memory = vec![0; MEMORY_SIZE].into_boxed_slice();
        Ok(Self {
            code,
            start,
            memory,
            input,
            output,
        })
    }

即时编译出的裸函数接收虚拟机指针和字节数组的边界指针，返回错误指针。

执行函数后检查错误指针，如果非空，就把错误从堆上移动到栈上再返回。

    pub fn run(&mut self) -> Result<()> {
        type RawFn = unsafe extern "sysv64" fn(
            this: *mut BfVM<'_>,
            memory_start: *mut u8,
            memory_end: *const u8,
        ) -> *mut VMError;

        let raw_fn: RawFn = unsafe { std::mem::transmute(self.code.ptr(self.start)) };

        let this: *mut Self = self;
        let memory_start = self.memory.as_mut_ptr();
        let memory_end = unsafe { memory_start.add(MEMORY_SIZE) };

        let ret: *mut VMError = unsafe { raw_fn(this, memory_start, memory_end) };

        if ret.is_null() {
            Ok(())
        } else {
            Err(*unsafe { Box::from_raw(ret) })
        }
    }
}