Python的虛擬機（virtual machine）~1

時間：2023-07-01 05:30:02 | 來源：網(wǎng)站運營

時間：2023-07-01 05:30:02 來源：網(wǎng)站運營

Python的虛擬機（virtual machine）~1：虛擬機（virtual machine）

我們經(jīng)常會遇到虛擬機這個概念，但不同的場合其含義卻不相同：

1) 一種是用軟件模擬整個機器的硬件系統(tǒng)，有了這個軟件你相當(dāng)于多了一臺裸機，然后你就可以在里面裝操作系統(tǒng)。比如，你的電腦已經(jīng)安裝了Windows 10 ，你可以安裝虛擬機VMware，然后再安裝Windows 7，這樣就可以與Windows 10隔離。

2) 另一種是高級語言虛擬機（high-level language virtual machine，HLL VM），它們可以模擬硬件來運行二進(jìn)制碼，以消除語言對具體硬件的依賴，這就是我們本章所講的虛擬機。高級語言虛擬機又有基于寄存器和棧兩種。

基于寄存器的虛擬機

現(xiàn)在來看C語言的語句：

a = b + c;它的匯編指令可以用“三地址指令”表示：

這種三地址形式的指令集，操作數(shù)通常放在寄存器中。在構(gòu)建虛擬機時，可以模擬這種情況，盡量使用物理寄存器，運算速度就會比較快。

基于棧的虛擬機

可不可以有零地址的指令集呢？我們來看看Python的a = b + c語句， 其匯編碼為：

LOAD_NAME 0 (b)LOAD_NAME 1 (c)BINARY_ADDSTORE_NAME 2 (a) 這里BINARY_ADD（加法）指令是零地址指令，沒有任何操作數(shù)，那它的操作數(shù)來自哪里？在哪里運算？結(jié)果存在哪里？帶著疑問，我們來一條條分析匯編碼：

1) LOAD_NAME 0 (b)

把符號元組的第0項b壓入求值棧，其實是把變量b引用的值壓入棧。不管了，為了講述方便，就簡單一點：

2) LOAD_NAME 1 (c)

把把符號元組的第1項c壓入求值棧：

3) BINARY_ADD

這條指令沒有操作數(shù)，它依賴求值棧，即把棧頂?shù)那皟蓚€數(shù)據(jù)彈出，在CPU的運算單元中相加，然后將結(jié)果壓入棧中：

4) STORE_NAME 2 (a)

將棧頂?shù)闹祻棾鼋o變量a

從上面可以看出，零地址形式的指令集一般是通過“基于棧的架構(gòu)”實現(xiàn)的，其指令的源與目標(biāo)都來自棧。一條零地址指令的寬度比多地址的要窄，因而可以用更少空間放下更多條指令。

但零地址指令要完成一件事情，通常會比多地址需要指令數(shù)更多。比如a = b + c語句，用一條多地址指令就可以完成，但卻需要4條零地址指令。所以一般來說，基于寄存器的虛擬機速度更快一些，原因是更多的指令條數(shù)，意味著更多的內(nèi)存訪問次數(shù)，而訪問內(nèi)存要花時間。

Python虛擬機基于棧

為啥Python采用了基于棧的架構(gòu)呢？主要有以下原因：

· 實現(xiàn)簡單

由于指令中不必顯式指定源與目標(biāo)，使得編譯器和虛擬機的設(shè)計更加簡單，不必考慮為臨時變量分配空間的問題，求值過程中的臨時數(shù)據(jù)存儲都讓求值棧包辦就行。

· 更好的移植性

不同處理器的特性各不相同：典型的復(fù)雜指令（CISC）處理器的通用寄存器數(shù)量很少，例如32位的x86就只有8個32位通用寄存器；精簡指令（RISC）處理器的寄存器數(shù)量多一些，例如ARM有16個32位通用寄存器。

對于一個基于寄存器的虛擬機，為了高效執(zhí)行指令，通常是把虛擬機中的寄存器映射到物理寄存器上。另外，有些很重要的輔助數(shù)據(jù)會被頻繁訪問，例如程序計數(shù)器（program counter，PC），它們也最好放在實際機器的物理寄存器中。如果虛擬機需要的寄存器數(shù)量比物理寄存器多，那就沒辦法全部映射，這樣實現(xiàn)起來比較麻煩，效率也會大打折扣。

而基于棧的虛擬機則簡單得多，它沒有硬性使用任何通用寄存器，所以可以自由分配物理寄存器，結(jié)果就是這樣的虛擬機可移植性更高。但作為優(yōu)化，基于棧的虛擬機的“求值棧”實際上也可以由編譯器映射到寄存器上，以減輕數(shù)據(jù)移動的開銷。

待續(xù)