Чому VM повинні бути "стековими машинами" або "реєструвати машини" тощо?

_{(Це надзвичайно новачок-питання).}

Я трохи вивчав віртуальні машини.

Виявляється, багато з них розроблені дуже схоже на фізичні або теоретичні комп'ютери.

Я читав, що, наприклад, JVM - це "стекова машина". Що це означає (і виправте мене, якщо я помиляюся) - це те, що він зберігає всю його "тимчасову пам'ять" на стеці і робить операції над цим стеком для всіх його опкодів.

Наприклад, вихідний код 2 + 3буде переведений в байт-код, подібний до:

push 2
push 3
add

Моє запитання таке:

JVM, ймовірно, записуються за допомогою C / C ++ тощо. Якщо так, то чому JVM не виконує такий код C: 2 + 3..? Я маю на увазі, для чого потрібен стек або в інших регістрах ВМ - як у фізичному комп'ютері?

Про все це піклується основний фізичний процесор. Чому письменники VM просто не виконують інтерпретований байт-код із "звичайними" інструкціями на мові, на якій запрограмований ВМ?

Чому VM повинні емулювати обладнання, коли фактичне обладнання вже робить це для нас?

Знову ж таки, дуже новичок. Спасибі за вашу допомогу

Машині, віртуальній чи ні, потрібна модель обчислення, яка описує, як проводиться обчислення на ній. За визначенням, як тільки він обчислює, він реалізує деяку модель обчислення. Тоді питання: яку модель нам вибрати для нашого VM? Фізичні машини обмежуються тим, що можна ефективно та ефективно зробити апаратними засобами. Але, як зазначаєте, віртуальні машини не мають таких обмежень, вони визначаються в програмному забезпеченні, використовуючи довільно мови високого рівня.

Насправді є віртуальні машини на високому рівні, як ви описуєте. Їх називають мовами програмування . Наприклад, стандарт C присвячує основну частину своїх сторінок визначенню моделі для так званої "абстрактної машини C", яка описує, як поводяться програми C, а також розширенням (як би правило) як відповідний компілятор C (або інтерпретатор) повинні поводитися.

Звичайно, ми зазвичай не називаємо це віртуальною машиною. Зазвичай VM означає, що означає щось нижчий рівень, ближчий до апаратного, не призначений для прямого запрограмування, розроблений для ефективного виконання. Цей зміщення вибору означає, що те, що приймає компонований код високого рівня (наприклад, те, що ви описуєте), не вважатиметься VM, оскільки виконується код високого рівня.

Але для досягнення суті, ось декілька причин зробити VM (наприклад, щось націлене на компілятор байт-коду) на базі регістра або тому подібне. Машини для складання та реєстрації надзвичайно прості. Існує послідовність інструкцій, деякий стан та семантика для кожної інструкції (функція State -> State). Без складних скорочень дерев, без пріоритету оператора. Проаналізувати, проаналізувати та виконати це дуже просто, оскільки це мінімальна мова (синтаксичний цукор збирається далеко) і призначена для машинного читання, а не для читання людиною.

На противагу цьому, розбір навіть найпростіших мов, схожих на С, є досить важким, і його виконання вимагає нелокальних аналізів, таких як перевірка та розповсюдження типів, усунення перевантажень, підтримка таблиці символів, вирішення ідентифікаторів рядків , перетворення лінійного тексту в AST, керований пріоритетом , і так далі. Він ґрунтується на концепціях, які є природними для людини, але повинні бути ретельно спроектовані машинами.

Наприклад, байт-код JVM випромінюється javac. Він практично ніколи не повинен читати чи писати людиною, тому природно орієнтувати його на споживання машинами. Якщо ви оптимізували його для людей, віртуальна машина буде тільки при кожному запуску читати код, аналізувати його, аналізувати це, а потім перетворити його в проміжне представлення , що нагадує така модель спрощеної машини в будь-якому випадку . Може добре вирізати середнього чоловіка.

Ця відповідь зосереджена на JVM, але насправді вона стосується будь-якої ВМ.

Чому VM повинні емулювати обладнання, коли фактичне обладнання вже робить це для нас?

Вони цього не роблять, але це робить VM набагато простішим і портативнішим: Віртуальний комп'ютер, який емулює апаратне забезпечення, може використовувати ту саму обчислювальну модель, що і будь-який апаратний процесор.

Зокрема, JVM був побудований з урахуванням портативності, насправді він був побудований так, що він навіть міг бути реалізований у апаратному забезпеченні (це може бути важко повірити сьогодні, але походження Java було у вбудованому світі - конкретно, контролери інтерактивного телебачення ).

Якщо у вас є така мета, бажано, щоб VM працював якомога ближче до фізичної машини, оскільки переклад на фактичний машинний код стає простішим і тим самим швидшим. Після того, як у вас є опкоди VM, теоретично все, що вам потрібно зробити, - це перекласти на опкоди центрального процесора, на яких програма фактично працює. На практиці це не так просто.

Я маю на увазі, для чого потрібен стек або в інших регістрах ВМ - як у фізичному комп'ютері?

Використання моделі віртуальної машини на основі стека має перевагу в тому, що її можна легко перенести як на регістри, так і на стеки, тоді як навпаки це не обов'язково вірно. Віртуальний комп'ютер на основі реєстру повинен робити припущення щодо кількості регістрів, розміру регістрів тощо. У машині стеку такі припущення не потрібні.

Про все це піклується основний фізичний процесор. Чому письменники VM просто не виконують інтерпретований байт-код із "звичайними" інструкціями на мові, на якій запрограмований ВМ?

Ну, ось що роблять такі віртуальні машини, вони інтерпретують байт-код. Навіть JVM насправді робить це, принаймні до того, як починає JIT (саме вчасно): він інтерпретує байтові коди та виконує висловлювання мовою, на якій був написаний JVM (як правило, C або C ++, але є навіть один написаний в JavaScript, Doppio ). Однак зауважте, що навіть такі висловлювання були переведені машинним кодом компілятором і насправді дуже схожі на те, що виробляє компілятор Java, а саме вони використовують регістри та стек для виконання своєї роботи. Зауважте, що використання мов "інтерпретована" проти "компільована" на цей момент стає дещо розмитим .

Чому VM повинні бути "стековими машинами" або "реєструвати машини" тощо?

Вони не. Якщо вам потрібна віртуальна машина, це може бути все, що завгодно.

Існуючі віртуальні машини з'явилися як рішення таких ситуацій, як: Дійсно геніальна ідея прийшла мені в голову, я винайшов нову мову програмування! Але я повинен генерувати код. (Яке нудне завдання!) Але я не хочу генерувати код i8086, оскільки він некрасивий, і я не хочу генерувати код 68k, тому що всі інші використовують Intel. Також є VAX, але в мене немає ні VAX, ні комп’ютера, ні книги VAX. Тому я буду генерувати код для якогось процесора, який фізично не існує, і реалізувати цей процесор у програмному забезпеченні. Специфікація цього ВМ складе главу моєї дипломної роботи. Теоретично можна буде компілювати його до рідного коду будь-якого процесора, але це не я.

З іншого боку, позначення типу "2 + 3", ймовірно, не будуть використовуватися ВМ в осяжному майбутньому, оскільки це передбачає зробити багато перетворень до того, як щось може бути виконане.

Щоб відповісти на актуальне запитання. Термін "віртуальна МАШИНА" означає, що ВСЕ програмне забезпечення та обладнання моделюються / емулюються. Якщо ви використовуєте базове програмне забезпечення / обладнання для виконання інструкцій, у вас немає VM, у вас є компілятор / інтерпретатор.