Atitit.虚拟机与指令系统的设计
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
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：
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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
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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:1466519819@qq.com
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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。
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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
