Chapter 12

Runtimeの実装 ~ 命令の追加実装 ~

ゴリラ@ミスド🍩 ミスド🍩 ミスド🍩 ミスド🍩 ミスド🍩
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2024.04.29に更新
このチャプターの目次
  1. local.setの実装
  2. i32.constの実装
  3. i32.storeの実装
  4. まとめ

本章ではこれから実装する機能で次の命令が必要になってくるので、先にそれらを実装する。

命令 概要
local.set スタックから値を1つpopしてローカル変数に配置する
i32.const オペランドの値をスタックにpushする
i32.store スタックから値をpopしてメモリに書き込む

local.setの実装

local.set命令ではオペランドを持っていて、ローカル変数のどの場所に値を配置するかを指定できるようになっている。

src/binary/opcode.rs
diff --git a/src/binary/opcode.rs b/src/binary/opcode.rs
index 5d0a2b7..55d30c1 100644
--- a/src/binary/opcode.rs
+++ b/src/binary/opcode.rs
@@ -4,6 +4,7 @@ use num_derive::FromPrimitive;
 pub enum Opcode {
     End = 0x0B,
     LocalGet = 0x20,
+    LocalSet = 0x21,
     I32Add = 0x6A,
     Call = 0x10,
 }
src/binary/instruction.rs
diff --git a/src/binary/instruction.rs b/src/binary/instruction.rs
index c9c6584..81d0d95 100644
--- a/src/binary/instruction.rs
+++ b/src/binary/instruction.rs
@@ -2,6 +2,7 @@
 pub enum Instruction {
     End,
     LocalGet(u32),
+    LocalSet(u32),
     I32Add,
     Call(u32),
 }
src/binary/module.rs
diff --git a/src/binary/module.rs b/src/binary/module.rs
index 40f20fd..8426948 100644
--- a/src/binary/module.rs
+++ b/src/binary/module.rs
@@ -217,6 +217,10 @@ fn decode_instructions(input: &[u8]) -> IResult<&[u8], Instruction> {
             let (rest, idx) = leb128_u32(input)?;
             (rest, Instruction::LocalGet(idx))
         }
+        Opcode::LocalSet => {
+            let (rest, idx) = leb128_u32(input)?;
+            (rest, Instruction::LocalSet(idx))
+        }
         Opcode::I32Add => (input, Instruction::I32Add),
         Opcode::End => (input, Instruction::End),
         Opcode::Call => {
src/binary/runtime.rs
diff --git a/src/execution/runtime.rs b/src/execution/runtime.rs
index 3c492bc..c52de7b 100644
--- a/src/execution/runtime.rs
+++ b/src/execution/runtime.rs
@@ -154,6 +154,13 @@ impl Runtime {
                     };
                     self.stack.push(*value);
                 }
+                Instruction::LocalSet(idx) => {
+                    let Some(value) = self.stack.pop() else {
+                        bail!("not found value in the stack");
+                    };
+                    let idx = *idx as usize;
+                    frame.locals[idx] = value;
+                }
                 Instruction::I32Add => {
                     let (Some(right), Some(left)) = (self.stack.pop(), self.stack.pop()) else {
                         bail!("not found any value in the stack");

やっていることはシンプルで、指定されたframe.localsのインデックスにpopした値を配置する。

i32.constの実装

i32.constはオペランドに値を持っていて、この値をスタックにpushする。

src/binary/opcode.rs
diff --git a/src/binary/opcode.rs b/src/binary/opcode.rs
index 55d30c1..1eb29fd 100644
--- a/src/binary/opcode.rs
+++ b/src/binary/opcode.rs
@@ -5,6 +5,7 @@ pub enum Opcode {
     End = 0x0B,
     LocalGet = 0x20,
     LocalSet = 0x21,
+    I32Const = 0x41,
     I32Add = 0x6A,
     Call = 0x10,
 }
src/binary/instruction.rs
diff --git a/src/binary/instruction.rs b/src/binary/instruction.rs
index 81d0d95..0e392c5 100644
--- a/src/binary/instruction.rs
+++ b/src/binary/instruction.rs
@@ -3,6 +3,7 @@ pub enum Instruction {
     End,
     LocalGet(u32),
     LocalSet(u32),
+    I32Const(i32),
     I32Add,
     Call(u32),
 }
src/binary/module.rs
diff --git a/src/binary/module.rs b/src/binary/module.rs
index 8426948..26b56b3 100644
--- a/src/binary/module.rs
+++ b/src/binary/module.rs
@@ -14,7 +14,7 @@ use nom::{
     sequence::pair,
     IResult,
 };
-use nom_leb128::leb128_u32;
+use nom_leb128::{leb128_i32, leb128_u32};
 use num_traits::FromPrimitive as _;
 
 #[derive(Debug, PartialEq, Eq)]
@@ -221,6 +221,10 @@ fn decode_instructions(input: &[u8]) -> IResult<&[u8], Instruction> {
             let (rest, idx) = leb128_u32(input)?;
             (rest, Instruction::LocalSet(idx))
         }
+        Opcode::I32Const => {
+            let (rest, value) = leb128_i32(input)?;
+            (rest, Instruction::I32Const(value))
+        }
         Opcode::I32Add => (input, Instruction::I32Add),
         Opcode::End => (input, Instruction::End),
         Opcode::Call => {
src/execution/runtime.rs
diff --git a/src/execution/runtime.rs b/src/execution/runtime.rs
index c52de7b..9044e25 100644
--- a/src/execution/runtime.rs
+++ b/src/execution/runtime.rs
@@ -161,6 +161,7 @@ impl Runtime {
                     let idx = *idx as usize;
                     frame.locals[idx] = value;
                 }
+                Instruction::I32Const(value) => self.stack.push(Value::I32(*value)),
                 Instruction::I32Add => {
                     let (Some(right), Some(left)) = (self.stack.pop(), self.stack.pop()) else {
                         bail!("not found any value in the stack");

local.setと組み合わせたテストを追加して実装が問題ないことを確認する。

src/fixtures/i32_const.wat
(module
  (func $i32_const (result i32)
    (i32.const 42)
  )
  (export "i32_const" (func $i32_const))
)
src/fixtures/local_set.wat
(module
  (func $local_set (result i32)
    (local $x i32)
    (local.set $x (i32.const 42))
    (local.get 0)
  )
  (export "local_set" (func $local_set))
)
src/execution/runtime.rs
diff --git a/src/execution/runtime.rs b/src/execution/runtime.rs
index 9044e25..1b18d77 100644
--- a/src/execution/runtime.rs
+++ b/src/execution/runtime.rs
@@ -277,4 +277,22 @@ mod tests {
         assert!(result.is_err());
         Ok(())
     }
+    
+    #[test]
+    fn i32_const() -> Result<()> {
+        let wasm = wat::parse_file("src/fixtures/i32_const.wat")?;
+        let mut runtime = Runtime::instantiate(wasm)?;
+        let result = runtime.call("i32_const", vec![])?;
+        assert_eq!(result, Some(Value::I32(42)));
+        Ok(())
+    }
+
+    #[test]
+    fn local_set() -> Result<()> {
+        let wasm = wat::parse_file("src/fixtures/local_set.wat")?;
+        let mut runtime = Runtime::instantiate(wasm)?;
+        let result = runtime.call("local_set", vec![])?;
+        assert_eq!(result, Some(Value::I32(42)));
+        Ok(())
+    }
 }

i32.storeの実装

i32.storeはスタックから値をpopして、指定したメモリアドレスに値を書き込む命令となっている。

src/binary/opcode.rs
diff --git a/src/binary/opcode.rs b/src/binary/opcode.rs
index 1eb29fd..1e0931b 100644
--- a/src/binary/opcode.rs
+++ b/src/binary/opcode.rs
@@ -5,6 +5,7 @@ pub enum Opcode {
     End = 0x0B,
     LocalGet = 0x20,
     LocalSet = 0x21,
+    I32Store = 0x36,
     I32Const = 0x41,
     I32Add = 0x6A,
     Call = 0x10,
src/binary/instruction.rs
diff --git a/src/binary/instruction.rs b/src/binary/instruction.rs
index 0e392c5..326db0a 100644
--- a/src/binary/instruction.rs
+++ b/src/binary/instruction.rs
@@ -3,6 +3,7 @@ pub enum Instruction {
     End,
     LocalGet(u32),
     LocalSet(u32),
+    I32Store { align: u32, offset: u32 },
     I32Const(i32),
     I32Add,
     Call(u32),
src/binary/module.rs
diff --git a/src/binary/module.rs b/src/binary/module.rs
index 26b56b3..f55db9b 100644
--- a/src/binary/module.rs
+++ b/src/binary/module.rs
@@ -221,6 +221,11 @@ fn decode_instructions(input: &[u8]) -> IResult<&[u8], Instruction> {
             let (rest, idx) = leb128_u32(input)?;
             (rest, Instruction::LocalSet(idx))
         }
+        Opcode::I32Store => {
+            let (rest, align) = leb128_u32(input)?;
+            let (rest, offset) = leb128_u32(rest)?;
+            (rest, Instruction::I32Store { align, offset })
+        }
         Opcode::I32Const => {
             let (rest, value) = leb128_i32(input)?;
             (rest, Instruction::I32Const(value))
src/execution/runtime.rs
diff --git a/src/execution/runtime.rs b/src/execution/runtime.rs
index bcb8288..b5b7417 100644
--- a/src/execution/runtime.rs
+++ b/src/execution/runtime.rs
@@ -183,6 +183,7 @@ impl Runtime {
                         }
                     }
                 }
+                _ => todo!(), // コンパイルエラーを回避するため命令処理は一旦TODO
             }
         }
         Ok(())

i32.storeのオペランドはオフセットとアライメントの値になっていて、このアドレス + オフセットが実際に値を書き込む場所になる。
アライメントはメモリ境界チェックのために必要だが本書のスコープ外なので、デコードはするが特に使わない。

これで命令のデコードができるようになったので、テストを追加して実装が問題ないことを確認する。

src/execution/runtime.rs
diff --git a/src/binary/module.rs b/src/binary/module.rs
index f55db9b..c2a8c39 100644
--- a/src/binary/module.rs
+++ b/src/binary/module.rs
@@ -604,4 +604,35 @@ mod tests {
         }
         Ok(())
     }
+
+    #[test]
+    fn decode_i32_store() -> Result<()> {
+        let wasm = wat::parse_str(
+            "(module (func (i32.store offset=4 (i32.const 4))))",
+        )?;
+        let module = Module::new(&wasm)?;
+        assert_eq!(
+            module,
+            Module {
+                type_section: Some(vec![FuncType {
+                    params: vec![],
+                    results: vec![],
+                }]),
+                function_section: Some(vec![0]),
+                code_section: Some(vec![Function {
+                    locals: vec![],
+                    code: vec![
+                        Instruction::I32Const(4),
+                        Instruction::I32Store {
+                            align: 2,
+                            offset: 4
+                        },
+                        Instruction::End
+                    ],
+                }]),
+                ..Default::default()
+            }
+        );
+        Ok(())
+    }
 }

running 18 tests
test binary::module::tests::decode_simplest_module ... ok
test binary::module::tests::decode_simplest_func ... ok
test binary::module::tests::decode_func_param ... ok
test binary::module::tests::decode_memory ... ok
test binary::module::tests::decode_func_add ... ok
test binary::module::tests::decode_i32_store ... ok
test binary::module::tests::decode_func_call ... ok
test binary::module::tests::decode_import ... ok
test binary::module::tests::decode_func_local ... ok
test binary::module::tests::decode_data ... ok
test execution::runtime::tests::call_imported_func ... ok
test execution::runtime::tests::execute_i32_add ... ok
test execution::runtime::tests::i32_const ... ok
test execution::runtime::tests::not_found_export_function ... ok
test execution::runtime::tests::func_call ... ok
test execution::runtime::tests::local_set ... ok
test execution::runtime::tests::not_found_imported_func ... ok
test execution::store::test::init_memory ... ok

i32.storeの命令を実装するにはメモリが必要なので、次章でメモリの初期化と一緒に命令を実装する。

まとめ

本章では追加で必要な命令を実装した。
次章はWasm Runtimeでメモリを扱えるように、メモリ初期化の機能を実装していく。