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Atitit.虚拟机与指令系统的设计

2016-02-08 22:02 246 查看
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

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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。

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
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