开发者解析如何将字节码转换为 SSA 形式

Ufuk 评论说，他喜欢我在 Aaron 和我一起做的直播中对从字节码构建 SSA 的描述。

在拍摄那场直播——ZJIT 内部原理入门——的时候，我有点担心大家会被我们那个 1900 行的 add_iseq_to_hir 函数吓退。这个函数负责把 CRuby 中 YARV 虚拟机的基于栈的字节码，转换成供 ZJIT 分析和优化的高层 SSA IR。

它把大致长这样的字节码：

push 3
push 4
add

转换成 SSA 形式，给每个栈槽大致分配一个 SSA 值：

v0 = const 3
v1 = const 4
v2 = add v0, v1

我们的函数有 2000 行，是因为它要处理大量特定的 opcode 以及这些 opcode 的各种奇怪细节，但核心部分其实很小。下面就是那个核心。

字节码假设自己运行时是在一个栈上操作。这意味着每个 opcode 都有隐式的栈输入和隐式的栈输出。比如 push 3 的栈输入为空，栈输出为一个。相比之下，add 有两个栈输入和一个栈输出。有些指令如 nop 则两者都为空。据我所知，所有指令最多只有一个输出。

这些数量在查看字节码时就是已知的：我们可以静态地推断出每个 opcode 有多少个输入和输出。有些是可变参数的，比如 send（调用），但它们会在附近的字段里带上参数个数。

让我们通过在每个指令执行后添加栈的视图，来模拟第一个例子在 VM 上的运行过程。栈将显示为一个从左到右的列表，左边是栈底，右边是栈顶。

; []
push 3 ; [3]
push 4 ; [3, 4]
add ; [7]

由于输入数量和输出数量是静态的，当 ZJIT 读取字节码时，我们可以在编译期就把其中与栈相关的部分跑完。

我们其实不需要知道栈上的值是什么；我们只需要追踪它们来自哪里。而说到“它们来自哪里”，我的意思是：我们给每条指令命名，并用指令的名字来引用它的输出。我很喜欢论文《Design of the Java HotSpot™ Client Compiler for Java 6》（PDF）中的说法：

一条加载或计算值的指令同时代表了操作和它的结果，因此操作数可以表示为指向先前指令的指针。

下面是上述例子的样子。除了运行时的栈之外，我还会写出 SSA 指令，以表示我们正在生成新代码：

; []
push 3 ; v0 = const 3
 ; [v0]
push 4 ; v1 = const 4
 ; [v0, v1]
add ; v2 = add v0, v1
 ; [v2]

这很棒！我们把基于栈的字节码转换成了指令可以直接引用其输入的形式。不过你可能会注意到，v0 和 v2 最终都落在同一个栈槽（第一个元素）里。这就是为什么我之前说“给每个栈槽大致分配一个 SSA 值”。

两者的区别在于时间。v0 曾经在操作数栈上，但现在在那里的是 v2。这大概也是为什么我把 SSA 描述为“把时间推进到 IR 中”。