实施通用机器模拟器


13

目的是编写一个完整的程序,用最短的代码模拟ICFP 2006中的Universal Machine。通用机具有一个非常简单的指令集,在此进行说明。仿真器必须从命令行参数读取文件名,然后以程序形式运行文件,因此您的语言必须以某种方式支持命令行参数和stdin / out。仿真器必须在合理的时间内(而不是数十年内)完成沙标。这是指令集的简短说明:

该机器有八个寄存器,每个寄存器保存一个32位无符号整数。
机器拥有一组索引的32位无符号整数单元格数组。
简而言之,分配指令返回一个不透明的32位uint,它是所创建数组的句柄,该数组具有静态大小,并保存32位uint元素。
第0个数组表示程序。它是在启动时从big-endian文件加载的。
还有一个指令指针指向0数组中的一个单元。
在每个步骤中,从指针所指向的单元中读取一条指令,并在完成任何操作之前先确定指针。
4个最高有效位代表操作码。
如果操作码为13,则接下来的3位代表寄存器,其余的25位代表写入所述寄存器的编号。
否则,9个最低有效位代表三个寄存器,即A,B和C,其中C由3个最低有效位代表。
然后根据操作码,将发生以下情况:
0. A = B,除非C == 0
1. A = B [C]
2. A [B] = C
3. A = B + C
4. A = B * C
5. A = B / C
6. A =〜(B&C)
7.仿真器退出
8. B = allocate(C)
9. deallocate(C)
10.将字符从C输出到stdout
11.输入字符从标准输入到C
12.将数组B复制到0数组中,并将Pointer设置为C

我使用x86_64 jitted程序集编写了一个不必要的复杂但完全快速的实现(ab)(乐趣始于emit()),如果您误解了Machine的某些方面,肯定会对您有所帮助。


您必须决定这是代码高尔夫还是人气竞赛。他们是独家的。
霍华德

@Howard我明白了,谢谢
mniip

如果我没记错的话,这台机器被描述为Big Endian,而不是Little Endian。
Hasturkun 2014年

@Hasturkun d'oh我总是把这些弄糟,我一直在想Big Endian代表“以更大的字节结尾”
mniip 2014年

1
@mniip Big Endian和Little Endian是从格列佛游记中借来的术语。Lilliput的小人们与Blefuscu的小人们交战,因为Lilliputians是“大Endians”,他们认为您应该先吃煮鸡蛋的大头,而Blefuscans则认为相反。原始的《格列佛游记》是乔纳森·斯威夫特(Jonathan swift)写的一本严肃的小说。作者在评论因政治和宗教分歧而开战的愚蠢行为。格列佛(Gulliver)因叛国罪名而被拒绝离开,因为他拒绝在战争中提供帮助。
水平河圣

Answers:


6

PHP:443416384  字节

<?php @eval(ereg_replace('[U-Z]','$\0',strtr('for(Y=[unpack("N*",join(file($argv[1])))];;A|=0){{W=Y[V=0][++U]
C&&A=B
A=Y[B][C+1]
Y[A][B+1]=C
A=B+C
A=B*C
A=bcdiv(PB),PC))*1
A=~B|~C
die
B=++Z
unset(Y[C])
echo chr(C)
C=fgetc(STDIN);C=ord(C)-(C=="")
Y[0]=Y[B|0];U=C
X[W>>25&7]=W&33554431;}}',['
'=>';}if((W>>28&15)==V++){',A=>'X[W>>6&7]',B=>'X[W>>3&7]',C=>'X[W&7]',P=>'sprintf("%u",'])));

*再次改版*。它已经小到我现在可以得到的程度。我将一些变量保留在字母的最底端,以便插入$符号的正则表达式不会破坏STDIN常量,因此这里有一些词汇:

  • U:指令指针
  • V:目前正在测试的操作码索引
  • W:当前指令字
  • X:8个通用寄存器
  • Y:主内存(每个块都是基于1的,因为这是unpack()返回数组的方式)
  • Z:下一个可用内存块的ID(最终将溢出,但该沙标记仅使用约9,200万)
  • A,B,C是规范中当前指令的寄存器

无符号除法是一个细微的麻烦(*1需要确保将大数转换为正确的int),但是通过A|=0在每条指令后对算术寄存器与0()进行或运算,可以轻松保留其余算术运算的32位。


我发现这个项目真的很有趣,但是努力减少字符数使其变得缓慢而优雅,因此我也制作了一个简单的(不是高尔夫)Java版本,可以在几分钟内完成沙标,而不用花一整天:

import java.io.*;
import java.util.HashMap;

public class UniversalMachine {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        if (args.length == 0) {
            System.err.println("Program not specified.");
            System.exit(1);
        }

        int[] program;
        try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(args[0], "r")) {
            program = new int[(int)(raf.length() / 4)];
            for (int i = 0; i < program.length; i++) {
                program[i] = raf.readInt();
            }
        }

        HashMap<Integer,int[]> memory = new HashMap<>();
        memory.put(0, program);
        int nextMemKey = 1;

        int[] R = new int[8]; // Registers
        int IP = 0; // Execution Finger (Instruction Pointer)

        loop: for (;;) {
            int ins = program[IP++];
            int op = ins >>> 28;
            if (op == 13) { // Orthography
                int A = (ins >> 25) & 7;
                int num = ins & 0x01FF_FFFF;
                R[A] = num;
            } else {
                final int A = (ins >> 6) & 7;
                final int B = (ins >> 3) & 7;
                final int C = (ins >> 0) & 7;
                switch (op) {
                case 0: // Conditional Move
                    if (R[C] != 0) R[A] = R[B];
                    break;
                case 1: // Array Index
                    R[A] = memory.get(R[B])[R[C]];
                    break;
                case 2: // Array Amendment
                    memory.get(R[A])[R[B]] = R[C];
                    break;
                case 3: // Addition
                    R[A] = R[B] + R[C];
                    break;
                case 4: // Multiplication
                    R[A] = R[B] * R[C];
                    break;
                case 5: // Division
                    R[A] = (int)((R[B] & 0xFFFF_FFFFL) / (R[C] & 0xFFFF_FFFFL));
                    break;
                case 6: // Not-And
                    R[A] = ~(R[B] & R[C]);
                    break;
                case 7: // Halt
                    break loop;
                case 8: // Allocation
                    // note: must use C before setting B, as they may be the same reg
                    memory.put(nextMemKey, new int[R[C]]);
                    R[B] = nextMemKey++;
                    break;
                case 9: // Abandonment
                    memory.remove(R[C]);
                    break;
                case 10: // Output
                    System.out.print((char)R[C]);
                    break;
                case 11: // Input
                    R[C] = System.in.read();
                    break;
                case 12: // Load Program
                    IP = R[C];
                    if (R[B] != 0) {
                        memory.put(0, program = memory.get(R[B]).clone());
                    }
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

我认为您无需将除法结果调整为32位,因为它总是小于或等于已调整的股息
mniip 2014年

出于好奇,它看起来像没有高尔夫球吗?
Tim Seguine 2014年

@mniip现在的布局有些不同,但是我确实需要小心除法,因为除法期间数字是无符号的,每隔一刻它们就会被签名。
Boann 2014年

3

Perl,407

看起来问题似乎太复杂了,实际上很简单。
我对Perl还是很陌生,无论如何,这是

open$f,shift;binmode$f;push@{$m[0]},unpack'N',$b while read$f,$b,4;$z=2**32;while(){$o=$m[0][$p++];$a=\$r[$o>>6&7];$b=\$r[$o>>3&7];$c=\$r[$o&7];eval qw,$$a=($$b)if$$c $$a=$m[$$b][$$c] $m[$$a][$$b]=$$c $$a=($$b+$$c)%$z $$a=$$b*$$c%$z $$a=$==$$b/$$c $$a=$$b&$$c^($z-1) exit $$b=scalar@m;$m[$$b]=[] undef$m[$$c] print(chr$$c) $$c=ord(getc) $m[0]=[@{$m[$$b]}]if$$b;$p=$$c $r[$o>>25&7]=$o&33554431,[$o>>28].";";}

它的运行速度非常慢,可能比JITed x86_64慢800倍。
另外,我的一个朋友做了一个参考C的实现


这是参考C代码中的问题吗?:if(((Memory[++PC]>>28)&15) == 13) { Registers[(Memory[PC]>>25)&7] = (Memory[PC]&0x01ffffff);指令没有被缓存,因此任何非13的操作码都将预先执行下一条指令,不是吗?
luser droog 2014年

2

C, 924 838 825 696 646 623

b在指令中指定的寄存器中存储了一个“指针”(字节偏移量),并使用以伪代码指定数组的任何寄存器以相同的方式(或反向构造指针)来以后访问该数组。仍然需要尝试测试程序...

编辑:添加了评论。

编辑:固定指令12.更改指针,而不是内存中的指令。计数已删除所有注释,缩进和换行符。

编辑:假设我正确解释了结果,它现在似乎正在运行。:)最终实现是0数组确实由句柄 0 引用,该句柄可以在未初始化的寄存器中找到。一个非常扭曲的小机器!:)

编辑:重写了调试设备以write代替printf...。这里的想法是消除错误。:) 编辑: putchar()并且getchar()也禁止sbrk。现在可以正常工作,并且显示速度非常快。

#define O(_)*a=*b _*c;B
#define B break;case
#define U unsigned
U*m,r[8],*p,*z,f,x,*a,*b,*c;main(int n,char**v){U char
u[4];z=m=p=sbrk(4);f=n>1?open(v[1],0):0;\
while(read(f,u,4)){*m++=(((((*u<<8)|u[1])<<8)|u[2])<<8)|u[3];sbrk(4);}sbrk(4);\
for(;x=*p++,1;){c=r+(x&7);b=r+((x>>3)&7);a=r+((x>>6)&7);switch(x>>28){case
0:*c?*a=*b:0;B
1:*a=(*b?m+*b:z)[*c];B
2:(*a?m+*a:z)[*b]=*c;B
3:O(+)4:O(*)5:O(/)6:*a=~(*b&*c);B
7:return 0;case
8:*b=1+(U*)sbrk(4*(1+*c))-m;(m+*b)[-1]=*c;B
9:B
10:*u=*c;write(1,u,1);B 
11:read(0,u,1);*c=*u;B
12:*b?memcpy(z=sbrk(4*(m+*b)[-1]),m+*b,4*(m+*b)[-1]):0;p=&z[*c];B
13:a=r+((x>>25)&7);*a=x&0x1ffffff;}}}

仅对于小端字节,有611个字符的版本。

#define O(_)*a=*b _*c;B
#define B break;case
#define U unsigned
U*m,r[8],*p,*z,f,x,*a,*b,*c;main(int n,char**v){U char
u[4];z=m=p=sbrk(4);f=n>1?open(v[1],0):0;while(read(f,u,4)){*m++=(((((*u<<8)|u[1])<<8)|u[2])<<8)|u[3];sbrk(4);}sbrk(4);for(;x=*p++,1;){c=r+(x&7);b=r+((x>>3)&7);a=r+((x>>6)&7);switch(x>>28){case
0:*c?*a=*b:0;B
1:*a=(*b?m+*b:z)[*c];B
2:(*a?m+*a:z)[*b]=*c;B
3:O(+)4:O(*)5:O(/)6:*a=~(*b&*c);B
7:return 0;case
8:*b=1+(U*)sbrk(4*(1+*c))-m;(m+*b)[-1]=*c;B
9:B
//10:*u=*c;write(1,u,1);B //generic
10:write(1,c,1);B //little-endian
//11:read(0,u,1);*c=*u;B //generic
11:read(0,c,1);B //little-endian
12:*b?memcpy(z=sbrk(4*(m+*b)[-1]),m+*b,4*(m+*b)[-1]):0;p=&z[*c];B
13:a=r+((x>>25)&7);*a=x&0x1ffffff;}}}

缩进和注释,带有(扩展的)注释调试设备。

//#define DEBUG 1
#include <fcntl.h> // open
#include <signal.h> // signal
#include <stdio.h> // putchar getchar
#include <string.h> // memcpy
#include <sys/types.h> // open
#include <sys/stat.h> // open
#include <unistd.h> // sbrk read
unsigned long r[8],*m,*p,*z,f,x,o,*a,*b,*c; // registers memory pointer zero file working opcode A B C
char alpha[] = "0123456789ABCDEF";
//void S(int x){signal(SIGSEGV,S);sbrk(9);} // autogrow memory while reading program
void writeword(int fd, unsigned long word){
    char buf[8];
    unsigned long m=0xF0000000;
    int off;
    for (off = 28; off >= 0; m>>=4, off-=4) {
        buf[7-(off/4)]=alpha[(word&m)>>off];
    }
    write(fd, buf, 8);
    write(fd, " ", 1);
}
int main(int n,char**v){
#ifdef DEBUG
    int fdlog;
#endif
    unsigned char u[4]; // 4-byte buffer for reading big-endian 32bit words portably
    int cnt;

#ifdef DEBUG
    fdlog = open("sandlog",O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0777);
#endif
    z=m=p=sbrk(4); // initialize memory and pointer
    //signal(SIGSEGV,S); // invoke autogrowing memory -- no longer needed
    f=n>1?open(v[1],O_RDONLY):0; // open program
    while(read(f,u,4)){ // read 4 bytes
        *m++=(((((*u<<8)|u[1])<<8)|u[2])<<8)|u[3]; // pack 4 bytes into 32bit unsigned in mem
        sbrk(4); // don't snip the end of the program
    }
    sbrk(4);
    for(cnt=0;x=*p++,1;cnt++){ // working = *ptr; ptr+=1
        c=r+(x&7); // interpret C register field
        b=r+((x>>3)&7); // interpret B register field
        a=r+((x>>6)&7); // interpret A register field
#ifdef DEBUG
        {int i;write(fdlog,"{",1);for(i=0;i<8;i++)writeword(fdlog, r[i]);
            write(fdlog,"} ",2);
        }
        write(fdlog, alpha+(x), 1);
        write(fdlog, alpha+(x>>28), 1);
#endif
        switch(o=x>>28){ // interpret opcode
            case 0:
#ifdef DEBUG
                write(fdlog, "if(rX)rX=rX\n", 12);
#endif
                *c?*a=*b:0;
                break; // Conditional Move A=B unless C==0
            case 1:
#ifdef DEBUG
                write(fdlog, "rX=rX[rX]\n", 10);
#endif
                *a=(*b?m+*b:z)[*c];
                break; // Array Index A=B[C]
            case 2:
#ifdef DEBUG
                write(fdlog, "rX[rX]=rX\n", 10);
#endif
                (*a?m+*a:z)[*b]=*c;
                break; // Array Amendment A[B] = C
            case 3:
#ifdef DEBUG
                write(fdlog, "rX=rX+rX\n", 9);
#endif
                *a=*b+*c;
                break; // Addition A = B + C
            case 4:
#ifdef DEBUG
                write(fdlog, "rX=rX*rX\n", 9);
#endif
                *a=*b**c;
                break; // Multiplication A = B * C
            case 5:
#ifdef DEBUG
                write(fdlog, "rX=rX/rX\n", 9);
#endif
                *a=*b/ *c;
                break; // Division A = B / C
            case 6:
#ifdef DEBUG
                write(fdlog, "rX=~(rX&rX)\n", 12);
#endif
                *a=~(*b&*c);
                break; // Not-And A = ~(B & C)
            case 7:
#ifdef DEBUG
                write(fdlog, "halt\n", 5);
#endif
                return 0; // Halt 
            case 8:
#ifdef DEBUG
                write(fdlog, "rX=alloc(rX)\n", 13);
#endif
                *b=1+(unsigned long*)sbrk(4*(1+*c))-m;
                   (m+*b)[-1]=*c;

                   break; // Allocation B = allocate(C)
            case 9:
#ifdef DEBUG
                   write(fdlog, "free(rX)\n", 9);
#endif
                   break; // Abandonment deallocate(C)
            case 10:
#ifdef DEBUG
                   write(fdlog, "output(rX)\n", 11);
#endif
                   //putchar(*c);
                   //*u=u[1]=u[2]=' ';
                   u[3]=(char)*c;
                   write(fileno(stdout), u+3, 1);
                   break; // Output char from C to stdout
            case 11:
#ifdef DEBUG
                   write(fdlog, "rX=input()\n", 11);
#endif
                   //x=getchar();*c=x;
                   read(fileno(stdin), u+3, 1);
                   *c=u[3];
                   break; // Input char from stdin into C
            case 12:
#ifdef DEBUG
                   write(fdlog, "load(rX)[rX]\n", 13);
#endif
                    *b?memcpy(z=sbrk(4*(m+*b)[-1]),m+*b,4*(m+*b)[-1]):0;
                    p=&z[*c];
                    break; // Load Program copy the array B into the 0 array, Ptr=C
            case 13:
#ifdef DEBUG
                    write(fdlog, "rX=X\n", 5);
#endif
                    a=r+((x>>25)&7);*a=x&0x1ffffff; // Orthography REG=immediate-25bit
        }
    }
}

阵列手柄是100%不透明的。无论您传递什么内容,程序都应在访问数组时使用相同的值。PS我只是尝试编译它,您缺少几个包括。您曾经编译过PPS吗?什么lbreak以及如何unary- *int
mniip

是。有点太渴望了。:)更新的代码在Cygwin上使用gcc进行编译。
luser droog 2014年

@mniip因此,只有数组0才由“数字”指定?
luser droog 2014年

刚编译它,它只执行了2条指令d000108f c0000030,然后退出了:然后退出
mniip 2014年

我修复了一个错误。现在,它在暂停之前执行7条指令。
luser droog
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