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表达式栈机

栈机解释器与表达式编译练习 ​

前置：能阅读顺序执行、整数运算和栈的压入弹出；Python 3.10+ 用于自定义 32 位有符号栈机。教学范围为RISC-V 20240411非特权ISA概念；自定义栈机；Python 3.10+。核对日期2026-10-17。示例未执行，本轮没有安装依赖、生成协议代码、启动服务或浏览器预览。完整源码和输入文件见下方「同源完整文件」；推演结论只适用于写明的模型。

完整栈机解释器 ​

完整栈机解释器仅支持PUSH、ADD、SUB、MUL与HALT，拒绝未知指令和栈下溢。每一步完整描述操作数变化，运算溢出报告错误；HALT要求只剩一个结果，指令结束没有HALT也失败，避免把半成品当合法程序。

栈机推演预期 ​

把栈写在每一步旁边可以定位第一次偏离预期的位置。这里的SUB和MUL都将两个值归约成一个值；最终HALT检查栈大小，不能随意取顶部而丢弃其他结果。

查看图表代码

栈机推演预期为PUSH7、PUSH2、SUB、PUSH3、MUL、HALT得到15。SUB按左操作数7减右操作数2得5，再乘3。只写ADD没有压栈会报stack underflow；两个值直接HALT则违反单一结果契约。

表达式编译练习 ​

表达式编译练习把(8-3)(2+4)改成后缀指令，先完成左子树，再完成右子树，最后乘。去掉括号后的8-32+4是另一棵树，不能靠改变打印形式代替解析优先级；结合规则与求值顺序也应分别说明。

同源完整文件 ​

以下README含前置、输入、读者自跑步骤、预期结果、失败、恢复与清理；只做静态核对，没有执行。

model.py ​

python
import json
import sys

def evaluate(program):
    stack = []
    for pc, instruction in enumerate(program):
        if not isinstance(instruction, list) or not instruction:
            raise ValueError('instruction must be a nonempty array')
        op, *args = instruction
        if op == 'PUSH' and len(args) == 1 and type(args[0]) is int:
            value = args[0]
        elif op in ('ADD', 'SUB', 'MUL') and not args:
            if len(stack) < 2:
                raise ValueError('stack underflow at ' + str(pc))
            right, left = stack.pop(), stack.pop()
            value = {'ADD': lambda: left + right, 'SUB': lambda: left - right,
                     'MUL': lambda: left * right}[op]()
        elif op == 'HALT' and not args:
            if len(stack) != 1 or pc != len(program) - 1:
                raise ValueError('HALT requires one result and must be final')
            return stack[0]
        else:
            raise ValueError('invalid opcode or operands')
        if not -(2**31) <= value < 2**31:
            raise ValueError('signed 32-bit overflow')
        stack.append(value)
    raise ValueError('missing HALT')

if __name__ == '__main__':
    try:
        data = json.load(sys.stdin)
        if not isinstance(data, list):
            raise ValueError('program array required')
        print(evaluate(data))
    except (ValueError, TypeError) as error:
        print(str(error), file=sys.stderr)
        sys.exit(2)

requirements.txt ​

text
# Python 3.10+ standard library only; no third-party dependency.

README.md ​

md
# 数据表示与程序执行：完整示例

示例未执行。核对日期2026-10-17。教学版本族：RISC-V 20240411非特权ISA概念；自定义栈机；Python 3.10+。

## 文件与依赖

文件：model.py, requirements.txt。requirements.txt为同源依赖声明；所有代码和配置都随本文展示。本例使用 Python 3.10+ 标准库，无额外运行依赖。

## 输入与前置

前置：理解操作数栈、二元运算左右值与程序停止条件。使用 Python 3.10+，只依赖标准库；这是显式限制 32 位有符号结果的自定义栈机，不是 RISC-V 仿真器。输入是指令数组，具体程序与预期见下节。

读者将来自跑（本轮未执行）：在本目录以Python 3.10+读取input.json，PowerShell示意`Get-Content -Raw input.json | python model.py`；Bash示意`python3 model.py < input.json`。把下面输入手工保存为UTF-8文件，输出按预期逐项比较。无需安装依赖，没有服务或网络调用；程序只读标准输入并写标准输出，不改原文件。失败信息写标准错误且退出2。恢复是修正输入后重读，清理只删除自己创建的input.json与输出文件，勿递归删除工作目录。

## 预期结果、失败与恢复

输入 [["PUSH",7],["PUSH",2],["SUB"],["PUSH",3],["MUL"],["HALT"]]预期15；[["ADD"],["HALT"]]报stack underflow；PUSH2147483648报signed 32-bit overflow。

失败要保留输入和错误，先与正文的不变量及边界核对。没有真实服务或性能验证，不以这些模型输出证明生产可用性。

## 独立练习

将(8-3)*(2+4)编译到本课栈机并给出每个二元运算后的栈。

参考答案：PUSH8 PUSH3 SUB后栈[5]；PUSH2 PUSH4 ADD后栈[5,6]；MUL后栈[30]；HALT返回30。若把SUB误写为先弹出的减后弹出的，将得-30，能定位操作数顺序错误。

先作答，再核对 ​

将(8-3)*(2+4)编译到本课栈机并给出每个二元运算后的栈。

逐步参考解答

PUSH8 PUSH3 SUB后栈[5]；PUSH2 PUSH4 ADD后栈[5,6]；MUL后栈[30]；HALT返回30。若把SUB误写为先弹出的减后弹出的，将得-30，能定位操作数顺序错误。

来源与适用边界 ​

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