一、虛擬機器設計方案

1. 架構風格

Python虛擬機器實際上是一個直譯器，對編譯後的位元組碼進行解釋、執行。因此直譯器風格顯然是最適合本專案的。

2. 分解檢視

虛擬機器輸入為位元組碼.pyc檔案，由位元組碼檔案載入器將二進位制的.pyc檔案載入到記憶體，由執行引擎解釋執行，輸出為位元組碼檔案的執行結果。虛擬機器總共分為以下四個模組：

• 位元組碼載入器：python位元組碼是按固定格式存放的二進位制檔案，而在虛擬機器程序中，位元組碼物件是codeobject型別，載入器的作用就是在型別體系模組的支援下，將固定格式的二進位制檔案解析成記憶體中的codeobject型別物件，然後將codeobject交由執行引擎執行。
• 執行引擎：本質是虛擬機器的直譯器部分，本次虛擬機器設計為棧式執行，所以直譯器維護一個操作棧，位元組碼所有的操作都在棧上執行。直譯器主要執行在一個很大switch分支迴圈中，每個分支分別為對應位元組碼的解釋，直到位元組碼執行結束跳出迴圈結束虛擬機器。直譯器還維護一個個虛擬機器運算元棧幀frame，每個frame對應一個函式或方法的呼叫，且第一個frame為第一個codeobject。每個frame中有一個指向呼叫者frame的指標、當前frame位元組碼位置的pc、對應的codeobjcet等。在直譯器中，在要操作棧上產生的型別物件都在堆中產生，依賴於堆區的記憶體管理，虛擬機器可以不用管理物件的析構，而交由堆區自動垃圾回收。
• 型別體系：在python中，一切都是物件，虛擬機器有著一個龐大的型別體系。這個模組也是最基本最重要的模組，大致上有Integer、Float、String、List、Set、Dict、Tuple這7個基本型別，還有執行時的codeobject、frame，其他的內建型別type、function、method、slice、iterator、module等。還有一個特殊的型別object，它是虛擬機器中大部分型別的父類。
• 堆區記憶體管理：管理型別物件的關鍵，物件的分配權力交給了堆，在堆中使用自動記憶體管理演算法，如標記-清除、標記-複製等演算法。

3. 依賴檢視

依賴檢視展現了軟體模組之間的依賴關係。

各個模組之間的依賴關係如下所示：

位元組碼載入器部分分為兩個類，他們之間不存在依賴關係：

Type類存放了物件的型別資訊和對應的方法，Object類依賴於Type類，其他的基本型別都繼承自Object類：

4. 執行檢視

執行檢視展示了系統執行時的時序結構特點。

5. 實現檢視

實現檢視是描述軟體架構與原始檔之間的對映關係。

虛擬機器原始碼目錄的結構如下所示：

pvm/
├── bin
├── include
│   ├── Code.h
│   ├── Dict.h
│   ├── Float.h
│   ├── GlobalVar.h
│   ├── Integer.h
│   ├── List.h
│   ├── Object.h
│   ├── OpCode.h
│   ├── Str.h
│   ├── Type.h
│   └── global.h
├── main.c
├── objects
│   ├── Code.c
│   ├── Dict.c
│   ├── Float.c
│   ├── Integer.c
│   ├── List.c
│   ├── Object.c
│   └── Str.c
├── runtime
└── utils
    ├── FileLoader.c
    ├── FileLoader.h
    ├── FileReader.c
    ├── FileReader.h
    ├── Log.c
    └── Log.h

二、核心資料結構

Python2位元組碼檔案結構

三、執行環境和技術選型

Python是跨平臺語言，其生成的位元組碼檔案在不同平臺上具有相同的結構，因此虛擬機器的執行環境可以是Windows，Linux，macOS。虛擬機器的開發語言定為C語言。

四、核心工作機制

以執行一個內容為 “print(1 + 2 * 3)” 的python原始檔為例，假設原始檔經過編譯生成的位元組碼是a.pyc，要執行這個檔案，需要先讀取a.pyc中的位元組碼列表和常量表。a.pyc的位元組碼列表中有LOAD_CONST、BINARY_ADD、PRINT_ITEM、PRINT_NEWLINE等指令，常量表中有常量1和6，我們根據位元組碼列表中的指令，在運算元棧上進行對應操作：指令為LOAD_CONST時從常量表取出數字放進棧裡面，指令為BINARY_ADD時就從棧中取出數字相加，指令為PRINT_ITEM就列印計算結果，這樣就完成了對a.pyc的執行。