Comparação de dispatch em uma mini-VM MIPS

Este repositório documenta um experimento comparando duas estratégias de dispatch para interpretadores de bytecode:

• switch dispatch
• direct threading

A conclusão final do trabalho é deliberadamente equilibrada:

• o direct threading reduz o número estrutural de branches no ponto de dispatch;
• no benchmark em C deste host, ele também foi mais rápido;
• ainda assim, a análise visual e estrutural mostra que o switch permanece a escolha mais defensável para uma JVM acadêmica pequena, por simplicidade, rastreabilidade, portabilidade e facilidade de manutenção.

Em outras palavras, o experimento não tenta negar a vantagem estrutural do threading. Ele mostra por que, mesmo reconhecendo essa vantagem, ainda faz sentido escolher switch dispatch em uma implementação didática.

Resumo executivo

Fonte	Resultado principal
DrMIPS, vídeo do switch	fluxo linear, previsível, fácil de rastrear no datapath
MARS + MIPS X-Ray, vídeo do direct threading	salto indireto real via jump table, com rota mais curta no dispatch
MARS, contadores estruturais	switch = 23000 branches de dispatch; threading = 8000
Benchmark em C no host	threading foi mais rápido nesta máquina
Decisão arquitetural do projeto	switch dispatch continua sendo a opção recomendada para a JVM acadêmica

Estrutura do repositório

Artefato	Papel no experimento
vm_dispatch_compare.asm	comparador principal em MIPS com as duas estratégias no mesmo arquivo
vm_dispatch_compare.c	benchmark complementar em C para CPU real
MIPS/switch_dispatch_drmips.asm	versão switch adaptada para DrMIPS
MIPS/direct_threading_dispatch_mars_spim.asm	versão direct threading para MARS/SPIM
Videos/	vídeos e frames usados na análise visual
Uso_Grafico_mars/	capturas reais do MARS
Graficos_Comparativos/	gráficos consolidados do experimento
Dados_Experimento/	tabelas e resumos numéricos finais

Vídeos analisados

Método	Prévia	Leitura principal
switch dispatch no DrMIPS		o PC percorre um conjunto ordenado de comparações até encontrar o handler correto
direct threading no MARS X-Ray		o opcode vira índice, acessa a jump table e salta diretamente para o handler com jr

Os dois vídeos têm papéis diferentes:

• o vídeo do DrMIPS é melhor para explicar o comportamento do switch no datapath;
• o vídeo do MARS X-Ray é melhor para mostrar a mecânica real do direct threading, já que o DrMIPS usado no experimento não suporta bem esse padrão de salto indireto.

Métodos comparados

Aspecto	Switch dispatch	Direct threading
Seleção do handler	cadeia de comparações beq	jump table + jr
Ponto de despacho	centralizado	distribuído
Estrutura auxiliar em memória	não precisa	precisa de thread_table
Portabilidade em C/C++	total	depende de técnica mais específica
Rastreabilidade didática	muito alta	alta, mas menos linear
Aderência ao DrMIPS	alta	limitada

O que a análise visual mostrou

1. Switch dispatch no DrMIPS

No vídeo do switch, a execução é dominada por um fluxo sequencial muito claro:

1. leitura do opcode da mini-VM;
2. avanço do ponteiro de instrução virtual;
3. comparações sucessivas no laço de dispatch;
4. entrada no handler correto;
5. retorno ao laço central.

Essa visualização reforça quatro características importantes:

• o fluxo de controle é explícito;
• o ponto de despacho é único;
• a depuração fica mais simples;
• o mapeamento mental entre o código C/C++ e o assembly MIPS é direto.

A principal virtude observada aqui não foi “menos branches”, porque isso não ocorre. A virtude foi a clareza estrutural do mecanismo.

2. Direct threading no MARS X-Ray

No vídeo do direct threading, o fluxo é diferente:

1. o opcode é lido;
2. ele é transformado em índice com sll;
3. a base da thread_table é carregada;
4. o endereço do handler é buscado na memória;
5. o salto indireto é executado com jr.

Essa rota deixa duas propriedades muito claras:

• o dispatch é mais curto em termos de branches explícitos;
• o mecanismo depende de uma estrutura auxiliar em memória e de um salto indireto real.

Visualmente, o threading é mais compacto no ponto de despacho. Estruturalmente, porém, ele também é mais “acoplado” à jump table e menos linear para explicação em sala.

3. O que os vídeos provam, e o que eles não provam

Os vídeos mostram	Os vídeos não mostram sozinhos
forma do fluxo de controle	desempenho absoluto em CPU moderna
diferença entre cadeia de beq e jump table	branch predictor real do hardware
dependência do threading em salto indireto	branch misses reais
facilidade de rastrear o switch	superioridade universal de uma técnica

Essa separação é importante para a defesa: os vídeos servem como evidência qualitativa e estrutural, não como medição definitiva de performance.

Evidência estrutural no MARS

As duas implementações foram validadas funcionalmente e produziram o mesmo estado final:

• vm_mem[0] = 25
• topo final da pilha = 25

Resumo quantitativo do MARS

Métrica	Switch	Threading
Bytecodes executados	8000	8000
Branches de dispatch	23000	8000
Diferença de branches	15000	—
Jump table no .data	0 bytes	24 bytes
Resultado final vm_mem[0]	25	25
Topo final da pilha	25	25

Leitura correta desses números

• o direct threading venceu estruturalmente no número de branches de dispatch;
• o switch venceu em simplicidade de layout e de inspeção;
• as duas abordagens preservaram exatamente a correção funcional do interpretador.

Layout de memória e impacto da jump table

Uma das diferenças mais úteis para a defesa do projeto aparece na memória:

• o switch não introduz nenhuma estrutura auxiliar de roteamento;
• o threading precisa de uma thread_table explícita.

Isso não é um problema técnico em si. Mas, para uma JVM acadêmica pequena, adiciona mais um elemento estrutural que precisa ser mantido consistente com o valor numérico dos opcodes.

Rastreabilidade no código

No MARS, o switch é particularmente forte em dois pontos:

• o dispatch está todo concentrado em um único laço;
• o avanço do PC é fácil de demonstrar com breakpoints e stepping.

Benchmark complementar em C

O benchmark em C foi mantido como contraste com hardware real do host.

Resumo do benchmark no host

Métrica	Switch	Threading
Execuções	7	7
Bytecodes processados	160000000	160000000
Branches modelados	460000000	160000000
Tempo médio de parede	210.00 ms	154.29 ms
RSS médio	1431 KB	1440 KB
Tamanho do binário	16280 bytes	16400 bytes

Os gráficos abaixo deixam esse contraste mais claro:

Como interpretar esse resultado sem distorcer a tese

O benchmark em C mostrou que, nesta máquina, o direct threading foi mais rápido. Isso precisa ser dito com clareza.

Ao mesmo tempo, esse resultado não anula a defesa do switch para a JVM acadêmica, porque o objetivo da escolha arquitetural aqui não é maximizar um único indicador de velocidade local. O objetivo é equilibrar:

• clareza de implementação;
• facilidade de depuração;
• previsibilidade estrutural;
• portabilidade;
• qualidade da defesa técnica do projeto.

Síntese das fontes de evidência

Fonte	O que ela sustenta melhor
Vídeo do DrMIPS	clareza e linearidade do switch dispatch
Vídeo do MARS X-Ray	mecânica real do direct threading
Tabelas do MARS	diferença estrutural de branches e custo da jump table
Benchmark em C	contraste de desempenho no host real

Essa combinação levou a uma conclusão mais madura do que uma simples comparação “qual é mais rápido”.

Conclusão arquitetural

O experimento mostrou três coisas ao mesmo tempo:

1. direct threading reduz branches de dispatch e torna o salto ao handler mais direto;
2. no benchmark em C deste host, ele foi mais rápido;
3. ainda assim, o switch dispatch continua sendo a melhor escolha de engenharia para esta JVM acadêmica.

Essa recomendação final se apoia em cinco argumentos:

• o switch é mais simples de explicar e auditar;
• o fluxo do interpretador fica mais visível em simulação;
• o projeto evita dependência de jump table como estrutura de roteamento;
• a implementação permanece mais próxima de C/C++ padrão;
• a manutenção e a defesa oral da arquitetura ficam mais seguras.

Portanto, a posição final deste repositório não é “threading não funciona”. A posição é mais precisa:

Em uma mini-VM acadêmica, com ISA pequena e foco em legibilidade, rastreabilidade e robustez da implementação, o switch dispatch é a escolha arquitetural mais adequada, mesmo reconhecendo a vantagem estrutural do direct threading no ponto de despacho.

Arquivos finais para reprodução

• vm_dispatch_compare.asm
• vm_dispatch_compare.c
• MIPS/switch_dispatch_drmips.asm
• MIPS/direct_threading_dispatch_mars_spim.asm
• Videos/switch_dispatch_drmips.mp4
• Videos/direct_threading_mars_xray.mp4
• Dados_Experimento/mars_summary.csv
• Dados_Experimento/metricas_resumo.csv

Os demais arquivos visuais e gráficos servem como material pronto para apresentação e relatório.

Licença

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