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高效动态语言虚拟机的设计(一)
时间:2021-07-16 | 标签: | 作者:Q8 | 来源:网络
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最近在做Python相关的一些东西，发现Python的性能实在是非常差，所以就深入到Python内部，看了一下它的实现，并对比了几个比较流行的虚拟机的实现，包括：
V8 (Javascript)
Tamarin (ActionScript 3)
Lua 5.0
CPython (Python 2.7.2)
做了一定分析和比对，获得了一些灵感，在这里写下来作一个分享的讨论。
Ok，先从计算机是如何将一个高级语言的代码，转变成可以执行的程序说起。
计算机程序语言的机制
众所周知，计算机能够执行的代码是机器码，也就是所谓的二进制。那么一段高级语言的代码要想能够被计算机执行，必须经过这样的一个过程：
编译 (将源代码编译成目标代码：目标代码是机器码片段的集合，每一段机器码都有一个名字，也就是这段代码的符号)
连接 (将多个目标文件中的符号连接在一起，形成一个大的可执行机器码，这样计算机(大部分时候是操作系统)就可以加载、执行代码了)
编译器的设计
在早期，编译的过程是直译式的，编译器直接将源代码解析成Token流，再将Token流分析成AST(抽象语法树)，然后直接根据抽象语法树中的语法元素生成目标机器的汇编代码，最后再通过汇编器(Assembler)汇编成目标文件。
然而现代的编译器都会有一种中间代码，然后将编译器分成两半(前端和后端)。
前端是语言相关的，负责将原始的语言编译成中间代码;
后端是目标机器相关的，负责将中间代码翻译成目标机器的机器码。
这样做的好处就在于，编译器变得更加可移植了。
当出现一种新的语言时，只要实现一个这个语言的前端，就可以工作在不同的平台和cpu上;
当出现一个新的平台时，只要实现一个后端，就可以支持所有的语言。
GCC就是这样设计的一个范例。
从上一节的内容，我们可以看出，假设语言都实现到了生成中间语言这一步，那么虚拟机的实现可以有2种方式：
Interpreting (解释执行)
也就是通过类似while() { switch() {} }的循环，分析中间语言的每条指令，动态解释执行
Binary Translation (这个名词大家可能比较陌生，它还有一个大家更加熟知的名字：JIT)
顾名思义，就是虚拟机实现了从中间语言，到可执行文件的转换的功能，在运行时，将中间语言转换成了可执行文件，最终执行
这两种方式各有特色：
Interpreting
启动非常快速，执行性能相对较差，通常应用于一些对性能本身不是很敏感的语言
Binary Translation
有一个翻译的过程，启动的时候会相对比较慢，但是执行的性能非常好，有时甚至比c代码还要快速(听起来很科幻?)
我们来横向比较一下这几个虚拟机的实现方式：
虚拟机语言语言特性虚拟机实现方式速度
V8JavaScript较丰富Binary Translation非常快
TamarinActionScript 3(EcmaScript 4)较丰富Interpreting + Binary 危机公关前言Translation非常快
Lua 5.0Lua 5.0较少Interpreting较快
CPythonPython 2.7很丰富Interpreting较慢
从这里，我们可以看到使用Jit方式执行的虚拟机明显比较快，而采用解释执行的虚拟机明显较慢。
然而同样是采用解释执行的虚拟机，lua也要比python更快，这不仅仅是由于语言更简单导致的，同时也跟lua虚拟机的实现有关。
V8是一朵奇葩
V8虚拟机可以说是所有的虚拟机里面设计最软文商品推广文章特别的一款，所有其他的虚拟机都会首先将源代码编译成一种中间代码，如：
虚拟机中间代码指令数
Tamarinabc (Adobe Byte Code)200+
LuaLua Byte Code35
PythonPython Byte Code100+
然而，v8虚拟机的方式很特别，它在进行jit的时候直接从ast生成目标平台的汇编代码，并使用内置的宏汇编器生成可执行代码，这样就大大减少了jit过程所消耗的时间。
Lua的指令为什么那么少?
细心的读者一定发现了，Lua虚拟机的指令要比其他的虚拟机少很多，甚至不再同一个数量级上，那为什么那么设计呢? 最近在做Python相关的一些东西，发现Python的性能实在是非常差，所以就深入到Python内部，看了一下它的实现，并对比了几个比较流行的虚拟机的实现，包括：
V8 (Javascript)
Tamarin (ActionScript 3)
Lua 5.0
CPython (Python 2.7.2)
做了一定分析和比对，获得了一些灵感，在这里写下来作一个分享的讨论。
Ok，先从计算机是如何将一个高级语言的代码，转变成可以执行的程序说起。
计算机程序语言的机制
众所周知，计算机能够执行的代码是机器码，也就是所谓的二进制。那么一段高级语言的代码要想能够被计算机执行，必须经过这样的一个过程：
编译 (将源代码编译成目标代码：目标代码是机器码片段的集合，每一段机器码都有一个名字，也就是这段代码的符号)
连接 (将多个目标文件中的符号连接在一起，形成一个大的可执行机器码，这样计算机(大部分时候是操作系统)就可以加载、执行代码了)
编译器的设计
在早期，编译的过程是直译式的，编译器直接将源代码解析成Token流，再将Token流分析成AST(抽象语法树)，然后直接根据抽象语法树中的语法元素生成目标机器的汇编代码，最后再通过汇编器(Assembler)汇编成目标文件。
然而现代的编译器都会有一种中间代码，然后将编译器分成两半(前端和后端)。
前端是语言相关的，负责将原始的语言编译成中间代码;
后端是目标机器相关的，负责将中间代码翻译成目标机器的机器码。
这样做的好处就在于，编译器变得更加可移植了。
当出现一种新的语言时，只要实现一个这个语言的前端，就可以工作在不同的平台和cpu上;
当出现一个新的平台时，只要实现一个后端，就可以支持所有的语言。
GCC就是这样设计的一个范例。
从上一节的内容，我们可以看出，假设语言都实现到了生成中间语言这一步，那么虚拟机的实现可以有2种方式：
Interpreting (解释执行)
也就是通过类似while() { switch() {} }的循环，分析中间语言的每条指令，动态解释执行
Binary Translation (这个名词大家可能比较陌生，它还有一个大家更加熟知的名字：JIT)
顾名思义，就是虚拟机实现了从中间语言，到可执行文件的转换的功能，在运行时，将中间语言转换成了可执行文件，最终执行
这两种方式各有特色：
Interpreting
启动非常快速，执行性能相对较差，通常应用于一些对性能本身不是很敏感的语言
Binary Translation
有一个翻译的过程，启动的时候会相对比较慢，但是执行的性能非常好，有时甚至比c代码还要快速(听起来很科幻?)
我们来横向比较一下这几个虚拟机的实现方式：
虚拟机语言语言特性虚拟机实现方式速度
V8JavaScript较丰富Binary Translatio高端宣传片制作n非常快
TamarinActionScript 3(EcmaScript 4)较丰富Interpreting + Binary Translation非常快
Lua 5.0Lua 5.0较少Interpreting较快
CPythonPython 2.7很丰富Interpreting较慢
从这里，我们可以看到使用Jit方式执行的虚拟机明显比较快，而采用解释执行的虚拟机明显较慢。
然而同样是采用解释执行的虚拟机，lua也要比python更快，这不仅仅是由于语言更简单导致的，同时也跟lua虚拟机的实现有关。
V8是一朵奇葩
V8虚拟机可以说是所有的虚拟机里面设计最特别的一款，所有其他的虚拟机都会首先将源代码编译成一种中间代码，如：
虚拟机中间代码指令数
Tamarinabc (Adobe Byte Code)200+
LuaLua Byte Code35
PythonPython Byte Code100+
然而，v8虚拟机的方式很特别，它在进行jit的时候直接从ast生成目标平台的汇编代码，并使用内置的宏汇编器生成可执行代码，这样就大大减少了jit过程所消耗的时间。
Lua的指令为什么那么少?
细心的读者一定发现了，Lua虚拟机的指令要比其他的虚拟机少很多，甚至不再同一个数量级上，那为什么那么设计呢? 
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关键词：高效动态语言虚拟机的设