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上一節(jié)，我們探討了jvm函數(shù)調(diào)用時(shí)，參數(shù)是如何傳遞的。上節(jié)對(duì)參數(shù)傳遞的方式有個(gè)錯(cuò)誤，這里先更正一下。在上節(jié)，我是這么說(shuō)明jvm函數(shù)調(diào)用時(shí)的參數(shù)傳遞方式的：

static double lotsOfArguments(int a, long b, float c, String[][] d) {
    ....
}

當(dāng)上面函數(shù)運(yùn)行時(shí)，在執(zhí)行函數(shù)lotsOfArguments前，jvm會(huì)把輸入?yún)?shù)全部放到堆棧上，當(dāng)函數(shù)被執(zhí)行時(shí)，參數(shù)會(huì)從堆棧拷貝到局部變量隊(duì)列，因此當(dāng)lotsOfArguments執(zhí)行前，堆棧上參數(shù)如下：
stack:
d
c
b
a
函數(shù)執(zhí)行時(shí)堆棧上的參數(shù)會(huì)依次拷貝到局部變量隊(duì)列，情況如下：
local_list: d c b a 。

上面說(shuō)法錯(cuò)誤在于，參數(shù)從堆棧拷貝到局部隊(duì)列的次序說(shuō)反了，參數(shù)拷貝到隊(duì)列后的次序應(yīng)該是：
local_list: a b c d.

由此，當(dāng)我們的編譯器把C含有傳遞參數(shù)的函數(shù)調(diào)用的代碼編譯成java字節(jié)碼時(shí)，需要注意處理上面所說(shuō)的參數(shù)傳遞的次序，上一節(jié)，我們使用了一個(gè)名為：getLocalVariableIndex(Symbol symbol)的函數(shù)來(lái)查找函數(shù)輸入?yún)?shù)對(duì)應(yīng)在局部變量隊(duì)列上的位置，這里我們需要對(duì)其實(shí)現(xiàn)根據(jù)上面的修改來(lái)更正一下，好在需要改正的代碼不多，內(nèi)容如下：

public int getLocalVariableIndex(Symbol symbol) {
        TypeSystem typeSys = TypeSystem.getTypeSystem();
        String funcName = nameStack.peek();
        Symbol funcSym = typeSys.getSymbolByText(funcName, 0, "main");
        ArrayList<Symbol> localVariables = new ArrayList<Symbol>();
        Symbol s = funcSym.getArgList();
        while (s != null) {
            localVariables.add(s);
            s = s.getNextSymbol();
        }
        Collections.reverse(localVariables); //相比上節(jié)代碼，我們只需添加這行就能改正上面所說(shuō)的錯(cuò)誤
        
        ArrayList<Symbol> list = typeSys.getSymbolsByScope(symbol.getScope());
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            if (localVariables.contains(list.get(i)) == false) {
                localVariables.add(list.get(i));
            }
        }
        
        for (int i = 0; i < localVariables.size(); i++) {
            if (localVariables.get(i) == symbol) {
                return i;
            }
        }
        
        return -1;
    }

說(shuō)到有輸入?yún)?shù)的函數(shù)調(diào)用，在我們的C語(yǔ)言代碼里，用到最多的是printf,因此有必要就該函數(shù)如何編譯成java字節(jié)碼再進(jìn)行詳細(xì)的解析。假設(shè)C代碼中有這樣一條語(yǔ)句：

printf("the value of a, b , c is: %d, %d, %d", a, b, c);

我們知道，在Java中對(duì)應(yīng)printf函數(shù)的是System.out.print，我要在jvm中實(shí)現(xiàn)上面printf函數(shù)的功能，我們需要先把對(duì)象System.out壓入到堆棧，然后再把要打印到控制臺(tái)上的變量?jī)?nèi)容壓入到堆棧上。我們先看一個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)的版本：

printf("%d", x);

上面的代碼本意是要把整形變量x的值輸出到控制臺(tái)，但我們實(shí)現(xiàn)的編譯器在解析上面代碼時(shí)，會(huì)先解析變量x, 當(dāng)解析到一個(gè)變量x時(shí)，假設(shè)變量x在局部隊(duì)列中的次序是0，那么我們當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的編譯器一旦解析到變量x時(shí)，會(huì)先輸出一條java字節(jié)碼指令：
ILOAD 0

解析完變量x后，編譯器才會(huì)明白printf不是一個(gè)變量，而是一個(gè)函數(shù)名稱，這時(shí)我們的編譯器才會(huì)知道，要把printf與java對(duì)象System.out對(duì)應(yīng)起來(lái)，于是就會(huì)把System.out對(duì)象壓入到堆棧上，因此就會(huì)輸出java字節(jié)碼指令：
getstatic java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;

這樣的話就會(huì)把System.out對(duì)象壓入到堆棧上，此時(shí)堆棧的情況如下：
stack:
System.out
x

這樣一來(lái)就有問(wèn)題了，要想正確打印x變量的值，堆棧上的情況應(yīng)該是：
stack:
x
System.out

也就是說(shuō)兩者在堆棧上的位置發(fā)生了顛倒。為了處理這個(gè)問(wèn)題，需要修改一下編譯器的編譯流程，當(dāng)編譯器先解讀了變量x,導(dǎo)致x的值先壓入堆棧，當(dāng)編譯器接著解讀到printf時(shí)，我們必須先把變量x從堆棧上，因?yàn)樽兞縳是從局部變量隊(duì)列加載到堆棧上的，也就是說(shuō)上面執(zhí)行完語(yǔ)句ILOAD 0 后，變量x同時(shí)存在在堆棧和隊(duì)列上：
stack:
x
local_list: x

此時(shí)，我們需要把x從堆棧上挪開(kāi)，挪開(kāi)后放到哪呢？我們把它挪開(kāi)后，放到局部變量隊(duì)列的末尾，因此為了把x挪到局部變量隊(duì)列的末尾，我們接著執(zhí)行指令：ISTROE 1, 于是堆棧和隊(duì)列的情況在執(zhí)行指令后如下：
stack:
null
local_list: x , x
也就是說(shuō)，此時(shí)變量x的值在隊(duì)列上有兩份，你會(huì)疑問(wèn)直接把x的值從堆棧頂部彈掉，壓入System.out對(duì)象后，再次把x從隊(duì)列里面再壓入堆棧不就可以了嗎，亦或者我們把x從堆棧頂部挪開(kāi)時(shí)，直接挪回x原來(lái)在隊(duì)列中的位置，也就是執(zhí)行ISTORE 0 不就可以了嗎。這么做是不可以的，因?yàn)槿绻沁@種情況：

printf("%d", x+1);

此時(shí)我們要輸出的是x+1的值，輸出后變量x的值是不變的，編譯器解讀上面代碼時(shí)，會(huì)先解讀到x+1,于是它會(huì)把這個(gè)表達(dá)式的值壓入堆棧，形成如下情景：
stack:
x+1

local_list: x

因此如果直接把堆棧頂部元素彈開(kāi)，那么x+1的值就找不來(lái)了，如果直接把堆棧頂部的內(nèi)容存回到x變量在隊(duì)列中的位置，那就好變成：
stack:
null
local_list: x+1
這樣的話，變量x的內(nèi)容就改變了，因此也不行，所以要把堆棧頂部元素的值存到局部變量隊(duì)列的末尾，也就是執(zhí)行指令I(lǐng)STORE 1：
stack:
null
local_list: x, x+1

接著把System.out壓入堆棧，也就是執(zhí)行指令：
getstatic java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
這時(shí)候情況如下：
stack:
System.out
local_list: x, x+1
這時(shí)候，再把隊(duì)列末尾的元素壓到堆棧頂部，也就是執(zhí)行語(yǔ)句ILOAD 1,于是情況變成：
stack:
x+1
System.out
local_list: x, x+1

此時(shí)再調(diào)用System.out對(duì)象的print(I)V方法，也就是打印一個(gè)整形的方法，因此對(duì)應(yīng)的指令就是：
invokevirtual java/io/PrintStream/print(I)V

所以綜合起來(lái)說(shuō)，當(dāng)編譯器編譯語(yǔ)句：

printf("%d", x);

成為java字節(jié)碼時(shí)，編譯后的代碼為：

iload 0 
istore 1
getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream; 
iload 1
invokevirtual   java/io/PrintStream/print(I)V

我們?cè)倏磸?fù)雜一點(diǎn)的情況：

int f(int a, int b, int c, int x) {
    printf("%d, %d, %d, $d", a, b ,c , x);
    int d = x;
    return d;
}

該函數(shù)有4個(gè)輸入?yún)?shù)，因此函數(shù)在jvm執(zhí)行時(shí)，四個(gè)輸入?yún)?shù)會(huì)放置在局部變量隊(duì)列上：
local_list: a, b , c , x, d
變量a處于局部變量隊(duì)列的低0處，變量b處于隊(duì)列位置為1處，變量c處于隊(duì)列位置為2處，變量x處于隊(duì)列位置為3處。由于函數(shù)還有一個(gè)局部變量d,因此變量d在隊(duì)列的末尾，也就是處于隊(duì)列位置為4處。

在編譯器解讀語(yǔ)句printf("%d, %d, %d, %d", a, b, c, x);時(shí)，根據(jù)我們前面的討論，編譯器會(huì)先解讀函數(shù)的輸入?yún)?shù)，也就是先解讀變量a,b,c,d,因?yàn)槊拷庾x到一個(gè)變量是，我們的編譯器會(huì)自動(dòng)執(zhí)行iload語(yǔ)句，把變量加載到堆棧上，因此就產(chǎn)生了如下指令：

iload 0  ;解析變量a
iload 1  ;解析變量b
iload 2  ;解析變量c
iload 3  ;解析變量x

上面指令執(zhí)行后，jvm堆棧和隊(duì)列情況如下：
stack :
x
c
b
a
local_list: a, b , c, x , d

根據(jù)前面討論，我們需要先把變量從堆棧上挪到隊(duì)列的末尾，因此編譯器要執(zhí)行指令：

iload 5  ;把x放到隊(duì)列位置為5處
iload 6  ;把c放到隊(duì)列位置為6處
iload 7  ;把b放到隊(duì)列位置為7處
iload 8  ;把a(bǔ)放到隊(duì)列位置為8處

于是堆棧和隊(duì)列的情景如下：
stack:
null
local_list: a, b , c, x, d, x, c, b , a

這時(shí)，編譯器再把System.out壓入堆棧，也就是執(zhí)行指令：

getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;

接著把處于位置8處的變量a的值再重新放回堆棧，也就是執(zhí)行指令I(lǐng)LOAD 8，此時(shí)運(yùn)行環(huán)境為：
stack:
a
System.out
local_list: a, b, c, x ,d ,x ,c ,b, a
這時(shí)調(diào)用指令invokevirtual java/io/PrintStream/print(I)V，執(zhí)行System.out對(duì)象的Print函數(shù)，把a(bǔ)變量的值輸出到控制臺(tái)。接著反復(fù)執(zhí)行這幾個(gè)步驟，把剩下幾個(gè)變量的值依次打印到控制臺(tái)上，于是上面代碼中的printf語(yǔ)句編譯成java字節(jié)碼后的內(nèi)容如下：

iload 0
iload 1
iload 2
iload 3
istore 5
istore 6
istore 7
istore 8
getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
ilod 8
invokevirtual   java/io/PrintStream/print(I)V
getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
ilod 7
invokevirtual   java/io/PrintStream/print(I)V
getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
ilod 6
invokevirtual   java/io/PrintStream/print(I)V
getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
ilod 5
invokevirtual   java/io/PrintStream/print(I)V

大家可以看到，一條C語(yǔ)言語(yǔ)句編譯成java字節(jié)碼時(shí)，編出的語(yǔ)句數(shù)量是原語(yǔ)句的十幾倍，這也是為何在編譯原理中，代碼優(yōu)化是極為重要的一環(huán)，沒(méi)有優(yōu)化技術(shù)，就算編出來(lái)的代碼能跑，但是效率也是非常低下的。

實(shí)現(xiàn)上面編譯功能的代碼在ClibCall.java中:

private Object handlePrintfCall() {
        ArrayList<Object> argsList = FunctionArgumentList.getFunctionArgumentList().getFuncArgList(false);
        String argStr = (String)argsList.get(0);
        String formatStr = "";
        
        int i = 0;
        int argCount = 1;
        String str = "";
        while (i < argStr.length()) {
            if (argStr.charAt(i) == '%' && i+1 < argStr.length() && 
                    argStr.charAt(i+1) == 'd') {
                i += 2;
                //generateJavaAssemblyForPrintf(str);
                str = "";
                formatStr += argsList.get(argCount);
                argCount++;
                //printInteger();
            } else {
                str += argStr.charAt(i);
                formatStr += argStr.charAt(i);
                i++;
            }
        }
        
        System.out.println(formatStr);
        
        generateJavaAssemblyForPrintf(argStr, argCount - 1);
        return null;
    }
    
    private void generateJavaAssemblyForPrintf(String argStr, int argCount) {
        ProgramGenerator generator = ProgramGenerator.getInstance();
        String funcName = generator.getCurrentFuncName();
        TypeSystem typeSystem = TypeSystem.getTypeSystem();
        ArrayList<Symbol> list = typeSystem.getSymbolsByScope(funcName);
        int localVariableNum = list.size();
        int count = 0;
        
        while (count < argCount) {
            generator.emit(Instruction.ISTORE, "" + (localVariableNum + count));
            count++;
        }
        
        int i = 0;
        String str = "";
        count = argCount - 1;
        while (i < argStr.length()) {
            if (argStr.charAt(i) == '%' && i+1 < argStr.length() && 
                    argStr.charAt(i+1) == 'd') {
                i += 2;
                printString(str);
                str = "";
                printInteger(localVariableNum + count);
                count--;
            } else {
                str += argStr.charAt(i);
                i++;
            }
        }
        
        printString("\n");
    }

最后，我們?cè)倏纯磈vm的運(yùn)算指令，對(duì)整形進(jìn)行四種基礎(chǔ)運(yùn)行的jvm指令為：iadd, isub, imul, idiv. 如果要計(jì)算 1+2, 那么分別把數(shù)值1和2壓入堆棧，然后執(zhí)行指令iadd, 那么堆棧頂部的元素就會(huì)被彈出，他們的和也就是3會(huì)被壓入到堆棧，其他運(yùn)算指令的原理相同。如果計(jì)算的是浮點(diǎn)數(shù)而不是整形，那么就得使用對(duì)應(yīng)指令，他們分別是fadd, fsub, fmul, fdiv,如果計(jì)算的是長(zhǎng)整形，那么對(duì)應(yīng)的指令就是ladd, lsub, lmul, ldiv, 在我們實(shí)現(xiàn)的編譯器中，目前暫時(shí)只支持對(duì)整形的運(yùn)算指令，相應(yīng)的代碼實(shí)現(xiàn)在BinaryExecutor.java:

public class BinaryExecutor extends BaseExecutor{
    @Override
    public Object Execute(ICodeNode root) {
    ....
    case CGrammarInitializer.Binary_Plus_Binary_TO_Binary:
        case CGrammarInitializer.Binary_DivOp_Binary_TO_Binary:
        case CGrammarInitializer.Binary_Minus_Binary_TO_Binary:
        case CGrammarInitializer.Binary_Start_Binary_TO_Binary:
            //先假設(shè)是整形數(shù)相加
            int val1 = (Integer)root.getChildren().get(0).getAttribute(ICodeKey.VALUE);
            int val2 = (Integer)root.getChildren().get(1).getAttribute(ICodeKey.VALUE);
            
            if (production == CGrammarInitializer.Binary_Plus_Binary_TO_Binary) {
                String text = root.getChildren().get(0).getAttribute(ICodeKey.TEXT) + " plus " + root.getChildren().get(1).getAttribute(ICodeKey.TEXT);
                root.setAttribute(ICodeKey.VALUE, val1 + val2); 
                root.setAttribute(ICodeKey.TEXT,  text);
                System.out.println(text + " is " + (val1+val2) );   
                ProgramGenerator.getInstance().emit(Instruction.IADD);
            } else if (production ==  CGrammarInitializer.Binary_Minus_Binary_TO_Binary) {
                String text = root.getChildren().get(0).getAttribute(ICodeKey.TEXT) + " minus " + root.getChildren().get(1).getAttribute(ICodeKey.TEXT);
                root.setAttribute(ICodeKey.VALUE, val1 - val2); 
                root.setAttribute(ICodeKey.TEXT,  text);
                System.out.println(text + " is " + (val1-val2) );   
                ProgramGenerator.getInstance().emit(Instruction.ISUB);
            } else if (production ==  CGrammarInitializer.Binary_Start_Binary_TO_Binary) {
                String text = root.getChildren().get(0).getAttribute(ICodeKey.TEXT) + " * " + root.getChildren().get(1).getAttribute(ICodeKey.TEXT);
                root.setAttribute(ICodeKey.VALUE, val1 * val2); 
                root.setAttribute(ICodeKey.TEXT,  text);
                System.out.println(text + " is " + (val1 * val2) );
                
                ProgramGenerator.getInstance().emit(Instruction.IMUL);
            }
            else {
                root.setAttribute(ICodeKey.VALUE, val1 / val2); 
                System.out.println( root.getChildren().get(0).getAttribute(ICodeKey.TEXT) + " is divided by "
                        + root.getChildren().get(1).getAttribute(ICodeKey.TEXT) + " and result is " + (val1/val2) );
                ProgramGenerator.getInstance().emit(Instruction.IDIV);
            }
            
            break;
    ....
    }
}

完成本節(jié)代碼后，我們的編譯器能將下面C代碼編譯成java字節(jié)碼：

int f(int a, int b, int c, int x) {
   printf("value of a, b ,c ,x is: %d, %d, %d, %d",  a, b, c, x);
   int d;
   d = (a*x*x) + (b*x);
   int e;
   int h;
   e = 6;
   h = 3;
   printf("e divided by h is : %d", e/h);
   return d;
}

void main() {
    int c; 
    c = f(1, 2, 3, 4);
    printf("result of calling f is :%d", c);
}

上面代碼編譯成java匯編代碼的結(jié)果為：

.class public CSourceToJava
.super java/lang/Object

.method public static main([Ljava/lang/String;)V
    sipush  1
    sipush  2
    sipush  3
    sipush  4
    invokestatic    CSourceToJava/f(IIII)I
    istore  0
    iload   0
    istore  1
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    ldc "result of calling f is :"
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(Ljava/lang/String;)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    iload   1
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(I)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    ldc "
"
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(Ljava/lang/String;)V
    return
.end method
.method public static f(IIII)I
    iload   0
    iload   1
    iload   2
    iload   3
    istore  7
    istore  8
    istore  9
    istore  10
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    ldc "value of a, b ,c ,x is: "
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(Ljava/lang/String;)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    iload   10
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(I)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    ldc ", "
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(Ljava/lang/String;)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    iload   9
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(I)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    ldc ", "
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(Ljava/lang/String;)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    iload   8
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(I)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    ldc ", "
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(Ljava/lang/String;)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    iload   7
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(I)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    ldc "
"
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(Ljava/lang/String;)V
    iload   0
    iload   3
    imul
    iload   3
    imul
    iload   1
    iload   3
    imul
    iadd
    istore  4
    sipush  6
    istore  5
    sipush  3
    istore  6
    iload   5
    iload   6
    idiv
    istore  7
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    ldc "e divided by h is : "
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(Ljava/lang/String;)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    iload   7
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(I)V
    getstatic   java/lang/System/out Ljava/io/PrintStream;
    ldc "
"
    invokevirtual   java/io/PrintStream/print(Ljava/lang/String;)V
    iload   4
    ireturn
.end method

.end class

把上面java匯編代碼在編譯成二進(jìn)制字節(jié)碼運(yùn)行后結(jié)果如下：

這里寫(xiě)圖片描述

更詳細(xì)的講解和調(diào)試演示過(guò)程請(qǐng)參看視頻。

更多技術(shù)信息，包括操作系統(tǒng)，編譯器，面試算法，機(jī)器學(xué)習(xí)，人工智能，請(qǐng)關(guān)照我的公眾號(hào)：

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