能在运行前决定的就先决定 — 字节码

一句话总结

不再每次都遍历树，而是把树一次性翻译成扁平的指令列表（字节码），再用一个循环去运行这个列表，这就是字节码 VM。值在同一个栈上压入、弹出，名字在编译时被换成槽位编号，if 和 while 则变成稍后回填的跳转偏移量。

为什么需要它

树解释器计算一个 a + b，也要比较节点名字、递归下去，并在环境链里查找名字。循环里跑一百万次，这些事就要做一百万次。然而其中相当一部分，在程序运行之前就已经确定了。x 是哪个声明，那个声明是函数的第几个局部变量，while 的结尾在哪里——只看代码就都能知道。

字节码编译器把这些决定只做一次，并写死在指令里。GET_LOCAL 2 不是“沿着链向上找 x”，而是“把帧里的第 2 格压入栈”。CPython、JVM、Lua 全都是这种结构（CPython 可以用 python3 -m dis 查看）。

工作原理

chunk 与常量池。一个函数的代码叫作 chunk。指令是 [이름, 인자, 줄, 칸]（占位符依次为指令名、参数、行、列），数字、布尔值、全局名字和函数 chunk 各只放入常量池一次，指令使用它们的编号。相同的值只放一次，但在 Python 里 True == 1，哈希也相同，所以只用值作键，true 和 1 就会共用一个格子——必须把类型也放进键里。

只有一个栈。这个 VM 只有一个栈。脚本的局部变量、被调用的函数值与参数，以及计算中的临时值，全都堆在同一个栈上。帧是（chunk，下一条指令的位置，栈底），栈底是这个帧的槽位 0 所在的栈位置。

fn f(a, b) { let c = a * b; return c + 1; }     print f(3, 4);

스크립트: GET_GLOBAL f · CONST 3 · CONST 4 · CALL 2 · PRINT
스택      [ … | <fn f> | 3 | 4 ]   CALL 2 → 새 프레임의 바닥 = 스택 길이 − 2 = 'a' 칸
f:        GET_LOCAL 0 · GET_LOCAL 1 · MUL        [ … | <fn f> | 3 | 4 | 12 ]  ← 12 가 곧 c(슬롯 2)
          GET_LOCAL 2 · CONST 1 · ADD · RETURN    RETURN: 결과를 내리고 바닥 − 1(함수 값)까지 걷고 결과를 올림
          CONST 0 · RETURN                        return 없이 끝날 때를 위한 꼬리(여기서는 닿지 않는다)

用 let 创建的局部变量，值已经压入的那个位置就是槽位，不会另外搬动。作为代价，离开块时，必须按这个块的局部变量个数执行相应次数的 POP，栈才能回到原位。表达式语句（f(1);）的值也必须用 POP 丢掉。二者只要漏掉一个，每循环一次栈就会长一格——结果是对的，内存却在泄漏。所以本实验会把栈的最大深度与参考逐格对照。

跳转回填。翻译 if (c) { A } else { B } 时，在发出 JUMP_IF_FALSE 的那一刻，还不知道 else 从哪里开始。先把参数位置留空发出去（emit_jump），等把 A 全部翻译完再回来填上（patch_jump）。偏移量从跳转的下一条指令算起——目的地 = 跳转位置 + 1 + 偏移量。是从跳转位置数，还是从下一个位置数，差的这一格是最常见的 bug，而这个 bug 通常表现为“偶尔会跳过一行”。

if 없이 else:   조건 · JUMP_IF_FALSE →끝 · then
else 가 있으면: 조건 · JUMP_IF_FALSE →else · then · JUMP →끝 · else
while:          [처음] 조건 · JUMP_IF_FALSE →끝 · 몸체 · JUMP →처음(음수 오프셋)
&&:             왼쪽 · JUMP_IF_FALSE_OR_POP →끝 · 오른쪽        (거짓이면 값을 남긴 채 건너뛴다)
||:             왼쪽 · JUMP_IF_TRUE_OR_POP  →끝 · 오른쪽

这个 VM 只允许在最外层声明函数。函数里的函数要抓住外层的局部变量（闭包），就需要一个把变量从栈中取出、搬到堆上的机制（Lua、clox 的 upvalue），而本课程把这部分只放在阅读里，VM 只处理全局函数和递归。

在现场相遇的样子

python3 -m dis。反汇编一个 Python 函数，会看到 LOAD_FAST 0（局部槽位）、LOAD_CONST、POP_JUMP_IF_FALSE。与本模块做出来的东西，形状几乎一样。一行表达式语句之后的 POP_TOP 也能看到。
JVM 的栈映射。Java 字节码验证器会确认，在每个跳转目的地，栈深度和类型是否一致。如果编译器漏掉了块末尾的 POP 或表达式语句的 POP，它生成的类会在加载阶段就被拒绝——这说明栈深度和“结果”一样，都是重要的契约。
寄存器 VM。Lua 5 和 Dalvik 是用虚拟寄存器代替栈的 VM。指令数量减少了，但每条指令变大了。不管哪一边，“能在运行前确定的就先确定好”的想法是一样的。

下一项实验要做什么

轮流扩展 compiler.py 和 vm.py——常量池与表达式指令（以及供人阅读的 disassemble）、算术 VM、全局与局部槽位、跳转回填、跳转执行、函数与 CALL/RETURN，以及从源码连到 VM 的流水线。评分器在编译器这边逐条对照指令，在 VM 这边对照输出、执行的指令数和栈的最大深度。最后，用你的 VM 运行四个固定程序，把数字写成报告留下来。