高效動(dòng)態(tài)語(yǔ)言虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)(一)
- 作者：新網(wǎng)
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- 2018-05-09 14:43:06
最近在做Python相關(guān)的一些東西，發(fā)現(xiàn)Python的性能實(shí)在是非常差，所以就深入到Python內(nèi)部，看了一下它的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)比了幾個(gè)比較流行的虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)，包括：
最近在做Python相關(guān)的一些東西，發(fā)現(xiàn)Python的性能實(shí)在是非常差，所以就深入到Python內(nèi)部，看了一下它的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)比了幾個(gè)比較流行的虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)，包括：
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div> V8 (Javascript)
Tamarin (ActionScript 3)
Lua 5.0
CPython (Python 2.7.2)
做了一定分析和比對(duì)，獲得了一些靈感，在這里寫下來作一個(gè)分享的討論。
Ok，先從計(jì)算機(jī)是如何將一個(gè)高級(jí)語(yǔ)言的代碼，轉(zhuǎn)變成可以執(zhí)行的程序說起。
計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言的機(jī)制
眾所周知，計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行的代碼是機(jī)器碼，也就是所謂的二進(jìn)制。那么一段高級(jí)語(yǔ)言的代碼要想能夠被計(jì)算機(jī)執(zhí)行，必須經(jīng)過這樣的一個(gè)過程：
編譯 (將源代碼編譯成目標(biāo)代碼：目標(biāo)代碼是機(jī)器碼片段的集合，每一段機(jī)器碼都有一個(gè)名字，也就是這段代碼的符號(hào))
連接 (將多個(gè)目標(biāo)文件中的符號(hào)連接在一起，形成一個(gè)大的可執(zhí)行機(jī)器碼，這樣計(jì)算機(jī)(大部分時(shí)候是
操作系統(tǒng))就可以加載、執(zhí)行代碼了)
編譯器的設(shè)計(jì)
在早期，編譯的過程是直譯式的，編譯器直接將源代碼解析成Token流，再將Token流分析成AST(抽象語(yǔ)法樹)，然后直接根據(jù)抽象語(yǔ)法樹中的語(yǔ)法元素生成目標(biāo)機(jī)器的匯編代碼，最后再通過匯編器(Assembler)匯編成目標(biāo)文件。
然而現(xiàn)代的編譯器都會(huì)有一種中間代碼，然后將編譯器分成兩半(前端和后端)。
前端是語(yǔ)言相關(guān)的，負(fù)責(zé)將原始的語(yǔ)言編譯成中間代碼;
后端是目標(biāo)機(jī)器相關(guān)的，負(fù)責(zé)將中間代碼翻譯成目標(biāo)機(jī)器的機(jī)器碼。
這樣做的好處就在于，編譯器變得更加可移植了。
當(dāng)出現(xiàn)一種新的語(yǔ)言時(shí)，只要實(shí)現(xiàn)一個(gè)這個(gè)語(yǔ)言的前端，就可以工作在不同的平臺(tái)和cpu上;
當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)新的平臺(tái)時(shí)，只要實(shí)現(xiàn)一個(gè)后端，就可以支持所有的語(yǔ)言。
GCC就是這樣設(shè)計(jì)的一個(gè)范例。
從上一節(jié)的內(nèi)容，我們可以看出，假設(shè)語(yǔ)言都實(shí)現(xiàn)到了生成中間語(yǔ)言這一步，那么虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)可以有2種方式：
Interpreting (解釋執(zhí)行)
也就是通過類似while() { switch() {} }的循環(huán)，分析中間語(yǔ)言的每條指令，動(dòng)態(tài)解釋執(zhí)行
Binary Translation (這個(gè)名詞大家可能比較陌生，它還有一個(gè)大家更加熟知的名字：JIT)
顧名思義，就是虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)了從中間語(yǔ)言，到可執(zhí)行文件的轉(zhuǎn)換的功能，在運(yùn)行時(shí)，將中間語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成了可執(zhí)行文件，最終執(zhí)行
這兩種方式各有特色：
Interpreting
啟動(dòng)非常快速，執(zhí)行性能相對(duì)較差，通常應(yīng)用于一些對(duì)性能本身不是很敏感的語(yǔ)言
Binary Translation
有一個(gè)翻譯的過程，啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)相對(duì)比較慢，但是執(zhí)行的性能非常好，有時(shí)甚至比c代碼還要快速(聽起來很科幻?)
我們來橫向比較一下這幾個(gè)虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式：
虛擬機(jī)語(yǔ)言語(yǔ)言特性虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)方式速度
V8JavaScript較豐富Binary Translation非常快
TamarinActionScript 3(EcmaScript 4)較豐富Interpreting + Binary Translation非常快
Lua 5.0Lua 5.0較少Interpreting較快
CPythonPython 2.7很豐富Interpreting較慢
從這里，我們可以看到使用Jit方式執(zhí)行的虛擬機(jī)明顯比較快，而采用解釋執(zhí)行的虛擬機(jī)明顯較慢。
然而同樣是采用解釋執(zhí)行的虛擬機(jī)，lua也要比
python更快，這不僅僅是由于語(yǔ)言更簡(jiǎn)單導(dǎo)致的，同時(shí)也跟lua虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)有關(guān)。
V8是一朵奇葩
V8虛擬機(jī)可以說是所有的虛擬機(jī)里面設(shè)計(jì)最特別的一款，所有其他的虛擬機(jī)都會(huì)首先將源代碼編譯成一種中間代碼，如：
虛擬機(jī)中間代碼指令數(shù)
Tamarinabc (Adobe Byte Code)200+
LuaLua Byte Code35
PythonPython Byte Code100+
然而，v8虛擬機(jī)的方式很特別，它在進(jìn)行jit的時(shí)候直接從ast生成目標(biāo)平臺(tái)的匯編代碼，并使用內(nèi)置的宏匯編器生成可執(zhí)行代碼，這樣就大大減少了jit過程所消耗的時(shí)間。
Lua的指令為什么那么少?
細(xì)心的讀者一定發(fā)現(xiàn)了，Lua虛擬機(jī)的指令要比其他的虛擬機(jī)少很多，甚至不再同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，那為什么那么設(shè)計(jì)呢? 最近在做Python相關(guān)的一些東西，發(fā)現(xiàn)Python的性能實(shí)在是非常差，所以就深入到Python內(nèi)部，看了一下它的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)比了幾個(gè)比較流行的虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)，包括：
V8 (Javascript)
Tamarin (ActionScript 3)
Lua 5.0
CPython (Python 2.7.2)
做了一定分析和比對(duì)，獲得了一些靈感，在這里寫下來作一個(gè)分享的討論。
Ok，先從計(jì)算機(jī)是如何將一個(gè)高級(jí)語(yǔ)言的代碼，轉(zhuǎn)變成可以執(zhí)行的程序說起。
計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言的機(jī)制
眾所周知，計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行的代碼是機(jī)器碼，也就是所謂的二進(jìn)制。那么一段高級(jí)語(yǔ)言的代碼要想能夠被計(jì)算機(jī)執(zhí)行，必須經(jīng)過這樣的一個(gè)過程：
編譯 (將源代碼編譯成目標(biāo)代碼：目標(biāo)代碼是機(jī)器碼片段的集合，每一段機(jī)器碼都有一個(gè)名字，也就是這段代碼的符號(hào))
連接 (將多個(gè)目標(biāo)文件中的符號(hào)連接在一起，形成一個(gè)大的可執(zhí)行機(jī)器碼，這樣計(jì)算機(jī)(大部分時(shí)候是操作系統(tǒng))就可以加載、執(zhí)行代碼了)
編譯器的設(shè)計(jì)
在早期，編譯的過程是直譯式的，編譯器直接將源代碼解析成Token流，再將Token流分析成AST(抽象語(yǔ)法樹)，然后直接根據(jù)抽象語(yǔ)法樹中的語(yǔ)法元素生成目標(biāo)機(jī)器的匯編代碼，最后再通過匯編器(Assembler)匯編成目標(biāo)文件。
然而現(xiàn)代的編譯器都會(huì)有一種中間代碼，然后將編譯器分成兩半(前端和后端)。
前端是語(yǔ)言相關(guān)的，負(fù)責(zé)將原始的語(yǔ)言編譯成中間代碼;
后端是目標(biāo)機(jī)器相關(guān)的，負(fù)責(zé)將中間代碼翻譯成目標(biāo)機(jī)器的機(jī)器碼。
這樣做的好處就在于，編譯器變得更加可移植了。
當(dāng)出現(xiàn)一種新的語(yǔ)言時(shí)，只要實(shí)現(xiàn)一個(gè)這個(gè)語(yǔ)言的前端，就可以工作在不同的平臺(tái)和cpu上;
當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)新的平臺(tái)時(shí)，只要實(shí)現(xiàn)一個(gè)后端，就可以支持所有的語(yǔ)言。
GCC就是這樣設(shè)計(jì)的一個(gè)范例。
從上一節(jié)的內(nèi)容，我們可以看出，假設(shè)語(yǔ)言都實(shí)現(xiàn)到了生成中間語(yǔ)言這一步，那么虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)可以有2種方式：
Interpreting (解釋執(zhí)行)
也就是通過類似while() { switch() {} }的循環(huán)，分析中間語(yǔ)言的每條指令，動(dòng)態(tài)解釋執(zhí)行
Binary Translation (這個(gè)名詞大家可能比較陌生，它還有一個(gè)大家更加熟知的名字：JIT)
顧名思義，就是虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)了從中間語(yǔ)言，到可執(zhí)行文件的轉(zhuǎn)換的功能，在運(yùn)行時(shí)，將中間語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成了可執(zhí)行文件，最終執(zhí)行
這兩種方式各有特色：
Interpreting
啟動(dòng)非常快速，執(zhí)行性能相對(duì)較差，通常應(yīng)用于一些對(duì)性能本身不是很敏感的語(yǔ)言
Binary Translation
有一個(gè)翻譯的過程，啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)相對(duì)比較慢，但是執(zhí)行的性能非常好，有時(shí)甚至比c代碼還要快速(聽起來很科幻?)
我們來橫向比較一下這幾個(gè)虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式：
虛擬機(jī)語(yǔ)言語(yǔ)言特性虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)方式速度
V8JavaScript較豐富Binary Translation非常快
TamarinActionScript 3(EcmaScript 4)較豐富Interpreting + Binary Translation非常快
Lua 5.0Lua 5.0較少Interpreting較快
CPythonPython 2.7很豐富Interpreting較慢
從這里，我們可以看到使用Jit方式執(zhí)行的虛擬機(jī)明顯比較快，而采用解釋執(zhí)行的虛擬機(jī)明顯較慢。
然而同樣是采用解釋執(zhí)行的虛擬機(jī)，lua也要比python更快，這不僅僅是由于語(yǔ)言更簡(jiǎn)單導(dǎo)致的，同時(shí)也跟lua虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)有關(guān)。
V8是一朵奇葩
V8虛擬機(jī)可以說是所有的虛擬機(jī)里面設(shè)計(jì)最特別的一款，所有其他的虛擬機(jī)都會(huì)首先將源代碼編譯成一種中間代碼，如：
虛擬機(jī)中間代碼指令數(shù)
Tamarinabc (Adobe Byte Code)200+
LuaLua Byte Code35
PythonPython Byte Code100+
然而，v8虛擬機(jī)的方式很特別，它在進(jìn)行jit的時(shí)候直接從ast生成目標(biāo)平臺(tái)的匯編代碼，并使用內(nèi)置的宏匯編器生成可執(zhí)行代碼，這樣就大大減少了jit過程所消耗的時(shí)間。
Lua的指令為什么那么少?
細(xì)心的讀者一定發(fā)現(xiàn)了，Lua虛擬機(jī)的指令要比其他的虛擬機(jī)少很多，甚至不再同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，那為什么那么設(shè)計(jì)呢?
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