Крошечная стековая виртуальная машина

Прежде чем написать хоть строчку ВМ, реши, что умеет твоя машина. Набор инструкций — это контракт: каждый опкод — число, и часть опкодов несёт операнд (PUSH нужно значение, ADD не нужно ничего). Выбери горстку — для начала PUSH, POP, ADD, SUB, JMP, JZ, HALT — и запиши на бумаге или в комментарии, как именно каждая меняет стек и указатель инструкций. Это самое сложное размышление во всём проекте именно потому, что выглядит пустяком: в момент, когда ты решаешь, лежат ли операнды встроенными байтами или отдельным потоком, растёт ли стек вверх или вниз и что значит HALT, ты фиксируешь форму всего, что будет дальше. Мутный ISA рождает мутный интерпретатор.

Это бьющееся сердце: цикл с указателем инструкций, который читает опкод по указателю, понимает, что он значит, выполняет его и сдвигается дальше. Сначала реализуй арифметические и стековые опкоды — скорми ему написанный вручную массив байт-кода (ассемблера ещё нет) и посмотри, как PUSH 2, PUSH 3, ADD оставляют 5 на стеке. Здесь важна дисциплина: указатель инструкций — это всего лишь индекс в массиве, и каждая инструкция обязана оставить указатель там, где должна произойти следующая выборка. Сделай так, чтобы опустошение стека падало громко, а не молча читало мусор: пустой стек на ADD — это ошибка в исполняемой программе, и твоя ВМ должна сказать об этом, а не загадочно упасть тремя инструкциями позже.

Кодировать байт-код руками быстро надоедает, а переходы делают это невыносимым: JMP нужен числовой адрес цели, но адреса неизвестны, пока не разложишь всю программу. Классическое решение — двухпроходный ассемблер. Первый проход идёт по исходнику, назначает каждой инструкции адрес и запоминает, куда указывает каждая метка. Второй проход выдаёт байты, уже умея заменить «JMP loop» настоящим смещением. Это ровно та задача, которую в миниатюре решают настоящие ассемблеры и компоновщики, — предварительные ссылки. Когда заработает, твои переходы перестанут быть магическими числами и станут именами, и ты наконец сможешь написать цикл на собственном языке.

Теперь сделай поток управления настоящим. JMP напрямую задаёт указатель инструкций; JZ снимает значение и прыгает только тогда, когда оно ноль, — одного этого условного перехода достаточно, чтобы выразить любой if и любой цикл, ровно как в настоящем машинном коде. Напиши программу, которая считает вниз от N и останавливается, дойдя до нуля, и проследи её вручную по поведению своей ВМ: каждая итерация — это прыжок указателя назад, к началу цикла. Коварная ошибка, которую надо выловить, — это смещение на единицу между «сдвинь указатель, потом, может быть, прыгни» и «прыжок заменяет сдвиг»: реши, какой вариант использует твой цикл, и держись его, иначе циклы будут делать на одну итерацию больше или вовсе пропускать своё тело.

Здесь калькулятор превращается в компьютер. CALL прыгает на адрес функции, но сначала кладёт адрес возврата; RET снимает этот адрес и прыгает назад. Как только ты поддержишь вложенные вызовы, тебе понадобится стек кадров вызова, где каждый кадр помнит, куда возвращаться и где живут локальные переменные и аргументы этой функции. Осознанно выбери соглашение о вызовах: кто кладёт аргументы, кто их убирает, где оказывается возвращаемое значение. Это ровно тот стек вызовов, о котором ты читал в трассировках, теперь собранный твоими руками, — и в момент, когда заработает рекурсия, ведь у каждого вызова свой кадр, ты поймёшь, почему неуправляемую рекурсию называют переполнением стека, а не как-то расплывчатее.

Стек хорош для недолговечных значений, но данным, которые должны пережить вызов, нужна куча. Смоделируй её как самое простое работающее решение: один большой массив ячеек, где ALLOC выдаёт базовый индекс и размер, а LOAD/STORE читают и пишут по адресу. Без сборщика мусора — это bump-аллокатор, поэтому освобождённая память просто никогда не возвращается, и это намеренный учебный выбор. Сборка этого руками делает осязаемыми две абстракции, которые большинство программистов лишь арендуют: что указатель — это просто целочисленный индекс в памяти и что массивы и объекты — это раскладка поверх непрерывных ячеек. Сделай так, чтобы STORE по адресу за границами был пойманной ошибкой ВМ, и ты проведёшь чёткую границу между контролируемым сбоем и неопределённым поведением, которое выдала бы настоящая машина.