Erlang虚拟机源码阅读笔录（二）虚拟机的指令集

2. Erlang虚拟机的指令集

在具体分析erlang进程的调度和执行过程前，我们需要简单的了解下erlang虚拟机的指令集的几种形式。

2.1. Erlang程序的内存结构

    Erlang程序beam文件是需要虚拟机解释执行的字节码文件，因此Erlang的进程结构不同于普通的操作系统进程，Erlang的所有进程数据包括代码，堆栈结构都是存放在数据区里，Erlang进程并没有普通进程拥有的代码区。Erlang进程的stack结构包含了函数调用帧的临时变量和返回地址，heap包含了Erlang进程执行过程中创建的数据。Erlang进程的堆栈总是同时被分配的，并且始终是在同一块区域，并且栈顶和堆顶都朝对方相向增长，当栈顶和堆顶相遇了，就进行垃圾回收。堆的大小增长在一定范围内是按Fibonacci数列增长。

    每个Erlang的call frame在栈中都是以一个返回地址开始，后面紧跟是临时变量。每个Erlang的term用一个32位的unsigned word类型数据代表，每个term包含值和一个tag，tag占用4位，并且存在最小有效位中，tag用来标识term的类型，tag的定义如图2.1.1：

 
图2.1.1

2.2. Erlang虚拟机的寄存器

The BEAM Virtual Machine uses the following registers:

    HTOP - top-of-heap pointer

    E - top-of-stack pointer

    CP - return-address pointer (where to go when a function is ready executed)

    I - next-instruction pointer

    x(N) - argument registers (to pass function parameters), x(N) are also used to hold temporal variables

    y(N) - local variables (y(N) are not real registers, they reside in a local frame and are accessed by integer offset from a top-of-stack pointer)

 fcalls - number of reductions done (to check for suspension while doing function call)

2.3. Erlang虚拟机的指令格式

   Erlang源程序文件在经过编译后生成对应的字节码文件，其格式为：

 
 

 

在这种格式中的opcode_value小于255的占用一个字节，大于255的将占用两个字节。

字节码语法图形式比较复杂，操作数按他们的类型大致可以分为以下几种：

8-bit long

• magic number
• function arity
• type of arithmetic
• type of operand
• type of bif
• sign of bignumber value

16-bit long

• atom length
• float length
• code length
• register number
• frame size
• heap requirement

24-bit long

• relative address

32-bit long

• integer value
• code size
• tuple arity
• tuple index
• string length
• bignum arity
• bignum value

除此之外，其它的操作数都是16位长。

然后字节码文件不能被直接执行，需要由erlang虚拟机解释执行。Erlang虚拟机加载字节码文件后会将字节码映射成虚拟机能识别的指令集，虚拟机指令集是使用C代码来定义的，称为threaded-code。其格式如下：

 
 

 

threaded-code的每一行都占用4个字节。threaded-code的定义在process_main()函数中。

Erlang虚拟机的指令集十分强大，除了普通的运算指令集还有丰富的Test Instructions、Exception Handling以及进程间消息通信的Send，Receive原语。除此之外，Erlang虚拟机还提供了丰富的内建函数功能，内建函数主要是对那些访问频繁的函数进行优化处理。关于Erlang虚拟机指令集的详细说明，请参见这篇论文：The Erlang BEAM Virtual Machine Specification。