仮想機械(VM)の作り方
こんにちは。趣味でVMを作っている者です（挨拶）。
VMとは何か？
VMとはVirtual Machine。仮想機械の事なんですが、
コンピュータの動作を再現するソフトウェアである。すなわち、エミュレートされた仮想のコンピュータそのものも仮想機械という。
と言うことで、コンピュータ上で動くコンピュータ、がざっくりとした解釈でしょうか。よって、エミュレータは仮想機械だと思いますし、プログラミング界隈としてはJava VM辺りが有名かと思います。
コンピュータを作るなんて、なんか難しそうだ！と思うかも知れません。しかしコンピュータって、ようは計算が出来れば良い訳です。
Minecraft 上でコンピュータを作ってみた。みたいな動画がたまに出てきたりしますが、レッドストーン回路と言う0と1の計算が出来るものさえあれば、コンピュータが作れる訳です。なんだか簡単に思えてきましたよね？
「計算」とは何でしょうか。一番簡単なのは電卓ですね。入力に対して何らかの作業をして結果を出力すれば、それは「計算」だと思います。多分・・・。
というわけで早速作ってみましょう。手元にbashか何かがあれば簡単に出来ます。
$ echo 'echo $1 $2' > concat $ chmod 755 concat $ ./concat Hello world! Hello world!
出来ました！え、単なるシェルスクリプトじゃないかって？でも一応「2つの文字列を繋げる」と言う作業をしていますよね。なんだか納得していない顔ですね…それではこう作り変えましょう。
# calc if [ $2 = + ]; then expr $1 + $3 elif [ $2 = - ]; then expr $1 - $3 fi
$ ./calc 1 + 2 3 $ ./calc 1 - 2 -1
四則演算のうち加算と減算が行えるようになりました！え、これでも納得していないですか…？しょうがないなぁ…
バイトコードを実行してみる
この記事をわざわざ読みに来た人はきっと「もっと真面目に話をしてくれ」と思っているので、もう少し真面目にやってみたいと思います。
バイトコードの話をしてみましょうか。それっぽい単語が出てきた！と多くの人は思うかと思います。
バイトコードとは読んで時の如くです。例えばさっきのシェルスクリプトは、コンピュータからするとASCIIコードです。
我々が見ている、例えば「1」と言う数字は、実はコンピュータ上では「0x31」、10進数で49と言う値になっています。なんだかそれっぽい話になってきました。
余りいきなり難しい物を作るのは大変なので、さっきの加減算を行うプログラムを書いてみます。
bytes=(`echo $1 | hexdump -e '99/1 "%02x "'`)
case ${bytes[0]} in
"01") expr ${bytes[1]} + ${bytes[2]};;
"02") expr ${bytes[1]} - ${bytes[2]};;
esac
$ ./calc "\x01\x02\x03"
5
$ ./calc "\x02\x02\x03"
-1
出来ました。一応バイナリを入力して、その結果を処理する形になっています。
本来はこれを、プログラムの終了まで無限にループする…と言う形ですが、省略しています。
ともかくとして、これが一番シンプルな形で一応のコンピュータの動作を表している形になりました。
バイトコードの仕組み
基本的には、 case ${bytes[0]} の部分をどんどん増やしていけばいい訳です。条件分岐やループ等を実装していく形になります。
バイトコードについて説明しますと、上記プログラムでは3byteで一つの命令を表していて、
[op-code] [operand1] [operand2]
となっています。今回作ったものでは、op-codeは、0x01が足し算。0x02が減算となっています。オペランドとは被演算子と呼ばれ、具体的な計算を行う対象の値等を指します。
今回作ったものは3byte固定ですが、1byte命令としたり更に長い命令を作ったりも出来ます（設計による）
実際のVMでは、まずスタックが作られるでしょうし（呼び出し元を記憶する等のために）、より複雑な物になっていきます。
今回は特定の言語に依存したものを作りたくなかったので、bashで実現可能なシンプルな物を作ってみましたが、実際にはC言語等で書いていく事になります。勿論、RubyやJava等好きな言語で書いてみてもいいです（パフォーマンスは落ちますが）。
