Atitit.虚拟机与指令系统的设计

Posted 2020-06-13

Atitit.虚拟机与指令系统的设计

 

1. 两种计算模型  ，堆栈机和状态机（基于寄存器的虚拟机1

1.1.1. 堆栈机1

1.1.2. 状态机2

2. 为什么状态机比堆栈机快呢？3

2.1. Stack based vm的指令 范例4

3. 参考5

 

1. 两种计算模型  ，堆栈机和状态机（基于寄存器的虚拟机

有了上面的基础只是，我们就知道，堆栈机和状态机不过是两种不同的图灵完整的计算模型而已。

1.1.1. 堆栈机

所谓堆栈机，就是计算机的状态是存在于堆栈之中，通过对堆栈中的元素进行运算和调整，来实现计算功能的计算机。 
例如，要进行一个1+2的加法运算，那么就：

 

操作	堆栈状态
初始状态
将1压入栈中	1
将2压入栈中	1, 2
调用加法运算	3

 

其典型代表就是Python的虚拟机，代码如下：

push 1push 2

Add

 

作者:: 绰号:老哇的爪子 （ 全名：：Attilax Akbar Al Rapanui 阿提拉克斯 阿克巴 阿尔 拉帕努伊 ） 汉字名：艾龙，  EMAIL:[email protected]

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1.1.2. 状态机

状态机的基本原理就在于，它可以有有限种状态，指令能够让它在不同的状态之间进行转换。 
听起来很抽象？ 
但其实，我们大部分写代码的时候都是对状态机编程，比如c代码：

int a = 1;int b = 2;int c = a + b;

其实这个状态机有2^96种状态（假设int是32位的），因为变量a有2^32种状态（-2147483648~2147483647），b、c亦然。

 

操作	a的状态	b的状态	c的状态
初始状态	0	0	0
a=1	1	0	0
b=2	1	2	0
c=a+b	1	2	3

 

典型代表就是Lua的虚拟机，应的代码就是：

loadk 0 1

loadk 1 2

add 2 0 1

意思就是：

register[0] = 1register[1] = 2register[2] = register[0] + register[1]

 

 

2. 为什么状态机比堆栈机快呢？

既然他们是图灵等价的，那大家一定会很疑惑，为何状态机比堆栈机快呢？ 
那么我们要深入到虚拟机内部，看看这些指令都是怎么实现的。 
为了便于大家理解，我所有的代码都不是vm中的实际代码，而是伪代码。 
首先来看看堆栈机：

switch(op) {case PUSH:

   STACK_ADJ(1);

   STACK_TOP = oprand;

   break;case ADD:

   STACK_SECOND = STACK_TOP + STACK_SECOND;

   STACK_ADJ(-1);

   break;

}

我们可以看到，大部分情况下，执行一条指令，除了原始的赋值操作外，还需要调整堆栈的栈顶指针（那些STACK_ADJ宏定义），再看看状态机的实现：

switch(op) {case LOADK:

   REGISTER[oprand0] = oprand1;

   break;case ADD:

   REGISTER[oprand0] = REGISTER[oprand1] + REGISTER[oprand2];

   break;

}

大家可以看到，在执行大部分指令时，状态机虚拟机会比堆栈机要少一次调整堆栈的操作，这对性能会有很明显的影响。 
当然这也主要适用于Interpreting的情况，在Jit的情况下，会有很多深度优化，从而使得堆栈机的性能也能和状态机一样。

 

2.1. Stack based vm的指令 范例

一般都是在当前stack中获取和保存操作数的。比如一个简单的加法赋值运算:a=b+c，对于stack based vm，一般会被转化成如下的指令:

[plain] view plain copy print?

1. push b; // 将变量b的值压入stack  

2. push c; // 将变量c的值压入stack  

3. add;    // 将stack顶部的两个值弹出后相加，将结果压入stack  

4. mov a;  // 将stack顶部结果放到a中  

 

 

3. 参考

高效动态语言虚拟机的设计（二） – 堆栈机vs状态机 - 推酷.htm