20 KiB
小型字节码 VM
当前提供指令与代码对象、内部执行帧、取指执行循环，语言函数已接入执行器。参考 CPython 3.14 的职责划分和栈式执行设计；源码 lexer/parser 由独立 frontend 提供，基础源码已由独立 compiler 接入字节码生成；执行器不读取 Python .pyc，不承诺 CPython 操作码编号、ABI 或完整语言兼容性。
Endor 是解释型语言，字节码是内部执行表示；从 AST 生成字节码属于自动执行准备，不要求使用者发布编译产物。当前没有字节码持久化缓存或跨版本装载协议；现有不可变代码对象仍可在 VM 内共享复用。平台升级与源码修订的区别见 执行与版本模型。
指令、CodeLayout、EndorCode 与 EndorCodeObject 的定义、编解码和静态校验位于 objects 包；core 只拥有 VM、执行帧与求值循环。执行器通过公开的只读代码接口读取指令、槽名和共享代码，通过 ObjectStore 委托维护对象根；现有 endor_core 类型导入继续可用。
与 CPython 的对应
| 职责 | CPython 3.14 | Endor |
|---|---|---|
| 指令定义与解码 | opcode/oparg、_Py_CODEUNIT、EXTENDED_ARG |
Opcode、Instruction、DecodedInstruction |
| 保存可执行代码 | PyCodeObject |
堆中的 EndorCodeObject，持有不可变 EndorCode |
| 一次调用的状态 | _PyInterpreterFrame |
EndorFrame |
| 执行入口 | PyEval_EvalCode、函数调用入口 |
Vm::execute、Vm::call |
| 帧求值 | _PyEval_EvalFrameDefault |
eval_frames 的取指／分派循环 |
Vm::new() 仍从空堆启动，按宿主需求创建代码、全局字典和函数。没有自动加载 Python type、语言根类或默认 print。
指令：要做什么
Instruction 是一个操作码与 u32 参数。实际 wordcode 每个代码单元为 [opcode: u8, argument: u8]，先操作码、后参数，与机器端序无关。大于 255 的参数在前面使用最多三个 EXTENDED_ARG 单元补足高位。单个逻辑指令因此可以占多个代码单元。
Instruction::encode_all 接受逻辑指令并自动生成扩展参数。EndorCode::with_layout 也可以接收原始字节序列，先解码并验证再使用。
所有执行位置和跳转距离以两字节代码单元计数，包含扩展参数单元；不是字节偏移，也不一定等于逻辑指令下标。前跳从当前逻辑指令之后的位置加距离；后跳从该位置减距离。目标必须是完整逻辑指令的开头，不能跳进扩展参数中间。
当前有 30 个可执行操作码和一个由编解码器处理的 EXTENDED_ARG：
| 指令组 | 内容 |
|---|---|
| 常量与局部变量 | LoadConst、LoadFast、StoreFast、DeleteFast |
| 名称与属性 | LoadGlobal、StoreGlobal、DeleteGlobal、LoadAttr、StoreAttr |
| 栈操作 | Nop、PopTop、Copy、Swap、PushNull |
| 函数定义、调用与返回 | MakeFunction、Call、ReturnValue |
| 控制流 | JumpForward、JumpBackward、PopJumpIfFalse、PopJumpIfTrue |
| 真值与比较 | ToBool、UnaryNot、CompareOp |
| 闭包 | LoadDeref、StoreDeref、DeleteDeref、LoadClosure |
| 容器与类型 | BuildMap、BuildClass |
没有把 Number 转为 f64 来补运算。数字仍以无损表示为主；真假可以根据是否为零判断，数值比较和算术尚未定义。文本可作内容比较，普通对象使用现有比较接口。
代码构造时检查：未知操作码、奇数字节长度、悬空／过长扩展参数、非法索引、错误 Cell 槽、无效跳转、栈下溢、控制流汇合的栈高度不一致，以及可达路径跌出代码末尾。返回时栈必须只剩一个返回值。验证同时计算最大求值栈深度。NULL 调用标记的实际用法在执行时继续检查，它不能作为语言值返回。
代码对象：保存静态信息
EndorCode 保存 wordcode、解码结果、常量、名称表、局部变量布局、参数与自由变量信息、最大栈深度、代码名和源码位置元信息。它是不可变 Rust 数据。可选 SourceSignature 还保存形参／返回注解名称和声明类名；Compiler 保留这些数据，宿主可启用源码函数注解检查。
vm.new_code(code) 把数据放进 EndorCodeObject，分配一个受管理的堆对象。代码对象持有常量中的对象引用，并参与引用计数和循环回收；函数持有代码对象句柄，所以多个函数可共享同一代码对象，代码常量也只由这一对象统一持有。
CodeLayout 规定：
locals的开头必须与parameters一致，目前只支持位置参数。cell_variables必须来自本地变量名；捕获的局部变量仍占原来的本地槽位，但槽内保存 Cell。free_variables的 Cell 槽紧接所有本地槽位；不得与本地名称重复。names提供全局名称和属性名称的索引表。
函数通过 vm.new_function(name, code_ref, globals, defaults, closure) 创建。工厂检查代码与全局字典种类、默认参数数量和闭包 Cell 数量，并从 globals 的可选 __builtins__ 字典捕获内建环境。全局查找先查 globals，缺失再查捕获的 builtins。
执行帧：这一次运行到哪里
EndorFrame 不是堆中的语言对象，没有 EndorObject 头。它类似 CPython 的内部 _PyInterpreterFrame；以后可另加可见的帧包装，不把反射对象强加给每次调用。
帧保存函数及代码引用、共享可执行数据、globals／builtins、调用者帧索引、当前与下一条指令位置、本地／Cell／自由变量槽，以及求值栈。Rust 使用安全容器表达这些逻辑区域，没有复制 CPython 的 C 指针和柔性数组物理布局。
帧初始化时绑定位置参数及尾部默认参数，未绑定局部槽为空，捕获的局部槽转为 Cell，并放入闭包提供的自由变量 Cell。读取空槽或已删除变量会报错。Cell 初始化在建帧时完成，首版无需单独的 MAKE_CELL／COPY_FREE_VARS 启动指令。
执行循环与函数调用
Vm::execute(code, globals)
创建临时函数
→ Vm::call
→ 准备第一个 EndorFrame
→ 读取当前指令
→ match opcode 执行操作
→ 推进或跳转到下一位置
→ CALL 切入新帧 / RETURN_VALUE 恢复调用者
语言函数互调使用一个显式帧向量，不递归调用 Rust 求值器。调用者已推进的指令位置就是返回后继续的位置，previous 用向量索引连接调用者。NativeFunction 则通过已有的 Rust 回调入口执行。
普通函数调用采用 [callable, NULL, arg0, ...] 栈布局，CALL 参数是显式位置参数个数。NULL 是内部标记，与 Value::Nil 不同；如果第二个位置是实际值，就把它作为隐式接收者加在参数前。尚未实现属性描述符或自动方法绑定。
在字节码中创建函数
MakeFunction（操作码编号 28）将代码对象、已经求值的默认参数和共享 Cell 组装为一个新的语言函数。使用 Instruction::make_function(default_count, closure_count) 构造指令，两个计数均为 u16（0～65535）：参数低 16 位为默认参数数，高 16 位为闭包 Cell 数；大参数继续由 EXTENDED_ARG 编解码。不含默认参数和闭包时也可使用 Instruction::simple(Opcode::MakeFunction)。
执行前后栈形状如下，右边为栈顶：
[..., default0, ..., defaultN, cell0, ..., cellM, code]
→ [..., function]
默认值按尾部位置参数的声明顺序排列，Cell 按目标代码的 free_variables 顺序排列。没有默认值或闭包时省略对应区域；每个默认值、每个 Cell 和代码对象都占一个栈项。函数名取自目标代码的 name；globals 使用当前帧的 globals，builtins 在创建时从该 globals 的可选 builtins 字典捕获，与宿主 new_function 工厂一致。
例如，无参数的函数定义与调用可生成如下逻辑指令。函数体代码对象预先放入当前代码的常量表中：
LoadConst body_code_index
MakeFunction 0
StoreGlobal function_name_index
LoadGlobal function_name_index
PushNull
Call 0
ReturnValue
嵌套函数使用 LoadClosure 取出当前帧的共享 Cell，再压入内层代码对象并执行 MakeFunction。创建函数不运行函数体；默认值表达式应先由外围代码求值，创建时保存其结果，因此同一函数的后续调用共享这些默认值。重复执行创建指令会产生不同函数对象，它们可以共享同一代码对象。
静态校验根据两个计数检查所需栈高度、合流高度和最大栈深。执行时复用 new_function 校验代码对象种类、默认参数数量、闭包数量与 Cell 种类；NULL 调用标记不能用作任何输入值。类型和数量不匹配通过现有 VmError 返回。所有输入在完整校验及分配成功前都保持在栈中，成功后由函数持有其托管引用，再消费输入并压入函数的一份根；失败时沿现有帧清理路径释放输入。
函数创建后不提供修改其默认值或闭包的指令。当前一条 MakeFunction 直接构造完整函数，不要求 tuple 对象或 CPython 3.13 起的 SET_FUNCTION_ATTRIBUTE；操作数格式和操作码编号均为 Endor 自有协议。
对象引用与返回值
每个帧持有函数的一份执行根，函数继续保活代码、全局字典、内建字典、默认值及闭包。启用源码注解时，帧还持有本次返回约束的 Type／Trait 根，成功或失败清理时释放。局部槽和求值栈中的每个对象值也各自持有执行根，重复出现分别计数。执行根复用现有外部强引用计数，所以循环回收能保留它们。
装载借用值时先 retain，弹栈或清空槽时 release；槽之间移动直接转移持有。调用先准备并保活被调函数的参数，再清理调用者的输入。返回值从当前帧移交给调用者栈或宿主，帧清理不会释放这一份结果。
API 变化：Vm::call 现在接收 &mut self，语言函数和原生函数统一返回持有的一份结果。返回 Value::Object 后，宿主完成使用时调用 vm.release_value(result)，或取出句柄后 release。原生回调本身仍接收借用参数、返回借用值；VM 会验证并 retain 回调的结果，之后才弹出输入参数。即使回调返回的是刚在字节码里创建的临时参数，也不会在清理输入时失效。
get_attr、dict_get、dict_items、cell_get 仍返回借用内容，不属于上述调用返回值变化。
执行出错时，当前尚未消费的栈值仍由帧持有；所有活动帧按从内到外顺序清理。已完成的全局字典／属性写入不会回滚，但未完成操作和临时执行根会清理。字典构造失败时也会清理尚未返回的临时字典。
最小示例
use endor_core::{CodeLayout, EndorCode, Instruction, Opcode, Value, Vm};
fn main() -> Result<(), endor_core::VmError> {
let mut vm = Vm::new()?;
let globals = vm.new_dict()?;
let code = EndorCode::from_instructions(
&[
Instruction::new(Opcode::LoadConst, 0),
Instruction::simple(Opcode::ReturnValue),
],
vec![Value::Text("Hello Endor".into())],
CodeLayout::default(),
)?;
let code = vm.new_code(code)?;
let result = vm.execute(code, globals)?;
assert_eq!(result, Value::Text("Hello Endor".into()));
vm.release_value(result)?;
vm.release(code)?;
vm.release(globals)?;
Ok(())
}
该示例直接提供指令，不经过源码前端；当前 Endor 的 frontend／compiler 已能从源码生成 AST 和字节码，也不解析 Python 源码。宿主仍负责准备代码对象和执行环境；函数既可由宿主 new_function 工厂创建，也可由上述 MakeFunction 在字节码运行期间创建。
限额、诊断与边界
ExecutionLimits 默认限制 1000 个活动帧，指令配额为 usize::MAX。execute_with_limits／call_with_limits 可显式指定限额，嵌套语言调用和原生分派共享计步器；每次原生分派额外计一步，扩展参数不单独计步。原生 Invoke 委托通过同一帧循环推进，不重置预算；详见 原生调用。指令预算不会抢占正在执行的宿主回调。
start_read_only_call(function, arguments, limits, slice) 和 resume_read_only_call(slice) 提供可恢复的只读字节码调用。ExecutionProgress::Pending 保留同一 VM 中的活动帧、局部槽、栈、原生委托返回契约、读取追踪及所有执行根；继续时不重放已执行指令。Complete 返回拥有式 value、借用式 reads 和累计 instructions。slice 必须大于0，暂停只能发生在字节码指令边界；原生回调和原生委托链原子完成，软分片不保证墙钟延迟，整个调用仍共用原始硬指令/帧限额。
暂停期间只读保护一直有效；已有对象不可写，也不能用普通 call 或第二个 start 在同一 VM 中交错执行。宿主不得更改只读作用域栈或手动释放并非自己拥有的引用。cancel_read_only_call、完成或执行错误会清理帧根并退出只读作用域，错误保留 traceback。取消只终止只读执行，不是通用事务回滚。跨线程任务调度、GUI 帧发布及响应新输入由宿主负责；本接口不实现调度器。参见 execution.rs 的分片/取消/累计限额/GC 根回归（未本地执行）。
运行错误仍返回 VmError。last_traceback() 另提供从外到内的函数名、文件、代码首行和出错指令偏移；它保存独立元数据，不保活已经清理的帧。首行是代码声明的 first_line，不是由行号表推导出的实际错误源码行。成功的新一次调用会清空旧记录。尚无语言异常对象传播、raise／try／except 或完整源码行号表。
暂未实现：源码闭包编译、关键字／可变参数、生成器／协程、迭代器专用指令、数值算术、自动方法绑定、指令特化和 JIT。
验证
execution.rs 覆盖 wordcode、控制流校验、变量、循环、嵌套调用与默认参数、闭包、字节码函数定义／默认值／环境捕获、容器和返回值所有权、函数创建失败与后续错误清理及帧／指令限额；已有 builtins 测试已迁移共享代码对象和持有式调用返回值。lib.rs 另有可供远端 rustdoc 执行的例子。
验证命令与结果边界统一见 验证。限额与环境隔离见 配置，数据与校验见 objects 源码导航，执行职责见 core 源码导航。
参考：CPython 解释器设计、执行帧设计、帧结构、指令定义、求值入口与执行器。
宿主共享引用的赋值协议
ObjectPayload::assign_from(source) 是可选协议，默认返回 false，普通值与对象仍替换变量绑定。StoreGlobal、StoreFast、StoreDeref 在既有值和新值均为对象时调用此协议；返回 true 表示宿主对象已替换自己的目标，绑定保留旧对象身份，其他别名随共享引用观察更新。相同句柄赋值为无操作。此协议同时适用于这些存储指令实现的声明初始化／赋值；字典 API 与 StoreAttr 不隐式调用它。
协议不传递变量名字或 UI 元数据，也不引入渲染器。实现必须先验证再修改，拒绝替换时保留旧目标；不得通过可变 payload 悄悄增加未跟踪的 VM 对象边。宿主原生关系如持有受管理对象，必须通过 VM retain／release 登记根。原生资源的内部引用可以由宿主维护，但其管理对象身份和存活根仍由 Aster 校验和计数。StoreFast 会先持有选择后的值，再释放栈值与旧槽，失败执行仍走统一帧清理。
类创建与方法读取
BuildClass（编号 29，无参数）消费四个栈值 [name, baseType, fieldsDict, methodsDict]，产生一个受管类对象；验证器按 4 入 1 出检查栈。字段字典按声明顺序保存字段名与注解名，方法字典保存 MakeFunction 创建的函数。VM 先验证基类、字段与方法关系，再创建完整类型；输入根在成功前保持在执行栈上，失败由帧统一清理。
LoadAttr 对实例自有属性返回原值；缺失时沿类型父链找方法并创建绑定方法。绑定方法持有 receiver 和选定的函数，调用时经已有非递归委托路径补入 self。类对象上的方法读取提供未绑定函数；type/name/base 元数据优先。宿主读取继承方法应使用返回拥有式结果的 bind_attr；get_attr 保持借用式读取，类型方法结果为未绑定函数。所有委托消耗同一指令预算。
独立托管调用帧
Vm::new_coroutine(function, arguments, limits) 返回拥有一份外部根的通用 coroutine 对象；resume_coroutine(handle, slice) 返回 CoroutineProgress::Pending 或带拥有式结果的 Complete。源码指令首次在 resume 执行，原生函数／委托可能在 new 的准备期间执行，仍受硬指令限额约束。该接口目前只提供分片执行基础，不等于 Endor async／await 语法或等待协议。
与只读续算不同，每个 coroutine 把自己的帧保存在同一 VM 的托管对象载荷中，多个调用可独立暂停；Pending 之间可执行普通调用和堆写入，没有跨量子的只读作用域。resume 不重放先前指令，局部槽、栈、返回类型及原生委托契约保持，所有量子共用原始硬指令／帧预算。原生调用仍是原子的，slice 不保证墙钟延迟。读写共享堆，无快照、事务或自动回滚。不能在只读执行／只读暂停期间创建、恢复或取消 coroutine。
暂停时，帧内原本的执行根转为载荷 trace 的托管边（包括重复边）；恢复前先保活为执行根，再清空暂停载荷。函数边继续拥有 code／globals／builtins。运行中的 handle 临时保活，不能恢复或取消 Running/已结束帧；完成和错误均消耗帧，错误保留 traceback。cancel_coroutine(handle) 对尚未结束帧返回 true 并释放托管边，已结束返回 false；已发生的写入不回滚。调用方最终 release handle 和完成结果。丢弃未完成且不可达的 coroutine 不要求先 cancel，局部／全局指回 coroutine 的环可由正常循环回收处理，不把暂停帧永久登记为 VM 根。调度、任务归属、等待条件及取消策略由宿主实现，网络／GUI不进入内核。
Await 等待边界
Await（opcode 30，无参数）把栈顶 awaitable 换成结果，验证栈效果为1入1出。ObjectPayload::poll_await() 是非阻塞、无副作用的宿主协议，默认不支持；返回 Pending 或 Ready(借用 Value)，也可返回 AwaitFailed(String)/AwaitCancelled。引擎验证 Ready 句柄并先retain结果，再释放原操作数；不可信宿主仍需遵守借用与非阻塞契约。Await 不被保守效果分析证明为只读，运行时也拒绝只读阶段。
在独立coroutine中，Pending保持已求值的栈顶、当前帧和返回契约，返回CoroutineProgress::Waiting { awaitable, instructions }；awaitable是由暂停帧保活的借用身份。宿主等待条件满足后再次resume，仅重查同一个Await，不重放操作数表达式、前缀写入或IO请求。每次实际执行Await计入同一硬预算；宿主不应对未就绪对象反复resume来轮询。完成结果与错误沿普通执行/清理路径传播。非coroutine调用允许立即Ready的await，Pending则明确报错，不阻塞线程。调度、取消传播和循环等待检测属于宿主；本引擎不依赖Tessera Task。
LoadGlobal按文本名字分别观察函数globals及缺失时的captured builtins，不因无关全局写入而失效。可恢复只读Complete新增dependencies，reads保留兼容保守列表；精确验证/所有权见native-calls.md。