JIT 编译器原理简述/原理简述

本系列共分为三篇, 其中第一篇部分翻译自: https://blog.reverberate.org/2012/12/hello-jit-world-joy-of-simple-jits.html, 后两篇为原创. 在此特别感谢第一篇的原作者, 他的文字给了我非常多的启发.

"JIT" 一词往往会唤起工程师内心最深处的恐惧和崇拜，通常这并没有什么错, 只有最核心的编译器团队才能梦想创建这种东西. 它会使你联想到 JVM 或 .NET, 这些家伙都是具有数十万行代码的超大型运行时. 你永远不会看到有人向你介绍 "Hello World!" 级别的 JIT 编译器, 但事实上只需少量代码即可完成一些有趣的工作. 本文试图改变这一点.

编写一个 JIT 编译器只需要四步, 就像把大象装到冰箱里一样.

  1. 申请一段可写和可执行的内存
  2. 将源码翻译为机器码(通常经过汇编)
  3. 将机器码写入第一步申请的内存
  4. 执行这部分内存

Hello, JIT World: The Joy of Simple JITs

事不宜迟, 让我们跳进我们的第一个 JIT 程序. 该代码是特定于 64 位 Unix 的, 因为它使用了 mmap(). 鉴于此读者需要拥有支持该代码的处理器和操作系统.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  // Machine code for:
  //   mov eax, 0
  //   ret
  unsigned char code[] = {0xb8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xc3};

  if (argc < 2) {
    fprintf(stderr, "Usage: jit1 <integer>\n");
    return 1;
  }

  // Overwrite immediate value "0" in the instruction
  // with the user's value.  This will make our code:
  //   mov eax, <user's value>
  //   ret
  int num = atoi(argv[1]);
  memcpy(&code[1], &num, 4);

  // Allocate writable/executable memory.
  // Note: real programs should not map memory both writable
  // and executable because it is a security risk.
  void *mem = mmap(NULL, sizeof(code), PROT_WRITE | PROT_EXEC,
                   MAP_ANON | MAP_PRIVATE, -1, 0);
  memcpy(mem, code, sizeof(code));

  // The function will return the user's value.
  int (*func)() = mem;
  return func();
}

似乎很难相信上面的 33 行代码是一个合法的 JIT. 它动态生成一个函数, 该函数返回运行时指定的整数, 然后运行该函数. 读者可以验证其是否正常运行:

$ gcc -o jit jit.c
$ ./jit 42
$ echo $?
# 42

您会注意到, 代码中使用 mmap() 分配内存, 而不是使用 malloc() 从堆中获取内存的常规方法. 这是必需的, 因为我们需要内存是可执行的, 因此我们可以跳转到它而不会导致程序崩溃. 在大多数系统上, 栈和堆都配置为不允许执行, 因为如果您的代码跳转到了栈或堆, 则意味着程序发生了很大的错误, 这是由操作系统的内存结构决定的(见下图). 更糟糕的是, 利用缓冲区溢出的黑客可以使用可执行堆栈来更轻松地利用该漏洞. 因此, 通常我们希望避免映射任何可写和可执行的内存, 这也是在您自己的程序中遵循此规则的好习惯. 我在上面打破了这个规则, 但这只是为了使我们的第一个程序尽可能简单.

恭喜, 您已经学会了如何编写一个 JIT 编译器, 那么后面我们会尝试干些什么事情呢? 我准备为一门世界上最简单的语言编写 JIT 编译器. 它叫做 Brainfuck, 最小的图灵完备机器. 大部分初学者都能在 40 行代码里完成它的解释器, 但此时我会稍微透露一点信息, 使用 IR 优化后的解释器将比纯解释执行快 5 倍左右, 而在采用 JIT 编译后将至少快 60 倍.

您可以先自己尝试去了解 Brainfuck 这门语言, 也可以直接阅读下一章, 这完全取决于你.

Brainfuck Interpreter

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Brainfuck Interpreter with IR

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Brainfuck JIT

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参考