QUAKE 3源代码审查：虚拟机

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如果以前的引擎仅将游戏委托给虚拟机，idtech3会严重依赖它们进行基本任务。除其他事项外：

• Rendition由Client VM触发。
• 滞后补偿机制完全在客户端VM中。

此外，他们的设计更加详细：它们将Quake1虚拟机的安全性/可移植性与Quake2的本机DLL的高性能相结合。这是通过将字节码编译为x86指令来实现的。

琐事：虚拟机最初应该是一个简单的字节码解释器，但表现令人失望，所以开发团队写了一个运行时x86编译器。根据1999年8月16日的计划， 这是在一天之内完成的。

建筑

在Quake III中，虚拟机被称为QVM：其中三个可随时加载：

• 客户端：加载了两台虚拟机。消息发送到一个或另一个取决于gamestate：
  • cgame：在战斗阶段接收消息。执行实体剔除，预测和触发renderer.lib。
  • q3_ui：在菜单阶段接收消息。使用系统调用绘制菜单。
• 服务器端：
  • game：总是收到消息：执行游戏，然后点击bot.lib执行AI。

QVM内部

在描述如何使用QVM之前，我们来看看如何生成字节码。像往常一样，我喜欢用一点补充文本绘制：

quake3.exe它的字节码解释器是通过Visual Studio生成的，但是VM字节码需要一个非常不同的路径：

1. 每个.c文件（翻译单元）通过LCC单独编译。
2. LCC与特殊参数一起使用，因此不会输出PE（Windows Portable Executable），而是它的基于文本的堆栈机器组装的中间表示。生产的每个文件都拥有text，data并bss用符号出口和进口部分。
3. 来自id Software的一个特殊工具可以q3asm.exe将所有文本汇编文件复制到一个.qvm文件中。它还可以将所有内容从文本转换成二进制文件（为了速度，如果本机转换不能启动）。q3asm.exe还可以识别哪些方法是系统调用，并给出那些负号码。
4. 加载二进制字节码时，quake3.exe将其转换为x86指令（不是强制性的）。

LCC内部

这是一个具体的例子，从我们想在虚拟机中运行的函数开始：

       extern int variableA;        int variableB;        int variableC = 0;        int fooFunction（char * string）{            return variableA + strlen（string）;            }        

保存在module.c翻译单元中，lcc.exe用特殊标志调用，以避免生成Windows PE对象，而是输出中间表示。这是LCC .obj输出匹配上面的C函数：

       数据    导出变量C    对齐4    LABELV变量C    字节4 0    导出fooFunction     代码    proc fooFunction 4 4    ADDRFP4 0    INDIRP4    ARGP4    ADDRLP4 0    ADDRGP4 strlen    CALLI4    ASGNI4    ARGP4变量A.    INDIRI4    ADDRLP4 0    INDIRI4    ADDI4    RETI4    LABELV $ 1    endproc fooFunction 4 4     import strlen     bss     export variableB    对齐4    LABELV变量B    跳过4    导入变量A    

几点意见：

• 字节码以部分（标记为红色）组织：我们可以清楚地看到bss（未初始化的变量），data（已初始化的变量）和code（通常称为text但不管...）
• 功能是通过定义proc，endproc夹心（标记为蓝色）。
• LCC的中间表示是一个堆栈机器：所有操作都是在堆栈上完成的，没有关于CPU寄存器的假设。
• 在LCC短语结尾，我们有一堆文件导入/导出变量/函数。
• 每个语句与操作型开始（即：ARGP4，ADDRGP4，CALLI4...）。每个参数和结果将被传递给堆栈。
• 导入和导出在这里，所以汇编器可以将“翻译单元”链接在一起。请注意import strlen，由于q3asm.exe和VM Interpreter都不喜欢C标准库，strlen所以被认为是系统调用，必须由虚拟机提供。

为VM模块中的每个.c生成此类文本文件。

q3asm.exe内部

q3asm.exe使用LCC中间表示文本文件并将它们组合在一起.qvm文件：

需要注意的几件事情：

• q3asm对每个文本文件的导入/导出符号都有意义。
• 一些方法是通过系统调用文本文件预定义的。您可以看到客户端虚拟机和服务器虚拟机的系统调用。系统调用符号被归为负整数值，因此可以由解释器识别。
• q3asm将文本更改为二进制，以获得空间和速度，但这是几乎没有优化。
• 要组装的第一种方法必须是vmMain因为它是输入消息分派器。此外，它必须位于0x2D字节码的文本段。

QVM：它如何工作

再次绘制一幅图，说明独特的入口点和独特的退出点作为调度：

一些细节：

消息（Quake3 - > VM）将发送到虚拟机如下：

• Quake3的任何部分都可以打电话VM_Call( vm_t *vm, int callnum, ... )。
• VMCall最多可以使用11个参数，并将VM bytecode（vm_t *vm）中的每个4字节值从0x00 写入0x26。
• VMCall 将消息ID写入0x2A。
• 解释器开始将操作码解释为0x2D（vmMain放置在哪里q3asm.exe）。
• vmMain 作为调度并将消息路由到适当的字节码方法。

您可以找到可以发送到客户端VM和服务器VM（位于每个文件底部）的消息列表。

系统调用（VM - > Quake3）以这种方式出来：

• 解释器一个接一个执行VM操作码（VM_CallInterpreted）。
• 当遇到CALLI4操作码时，它会检查int方法索引。
• 如果值为负，那么它是一个系统调用。
• 使用参数调用“系统调用函数指针”（int (*systemCall)( int *parms )）。
• 指定的功能systemCall是作为一个调度，并将系统调用路由到quake3.exe的正确部分

您可以找到由客户端VM和服务器虚拟机（每个文件顶部）提供的系统调用列表。

参数：参数总是非常简单的类型：基元类型（char，int，float）或指向基本类型的指针（char *，int []）。我怀疑这是为了最小化Visual Studio和LCC之间的结构对齐问题。

琐事： Quake3 VM不执行动态链接，所以QVM mod的开发人员无法访问任何库，甚至没有C标准库（strlen，memset函数都在这里，但实际上是系统调用）。有些人仍然设法用预先分配的缓冲区来伪造它： Malloc在QVM中！

前所未有的自由

随着对虚拟机的任务偏移，修改社区的能力要比修改更多。Neil“匆忙”的多伦多，Unlagged的“反向和解” 改写了预测系统。

生产力问题和解决方案

使用这么长的工具链，开发VM代码是困难的：

• 工具很慢
• 工具链未集成到Visual Studio中。
• 使用命令行工具构建QVM。这很麻烦，中断了工作流程。
• 在工具链中有很多元素，很难确定哪些部分在出现错误的情况下是错误的。

因此，idTech3还能够为VM部件加载本机DLL，并解决了所有问题：

整体而言，VM系统非常灵活，因为虚拟机能够运行：

• 解释的字节码
• 字节码编译为x86指令
• 代码编译为Windows DLL

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