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虚拟机（virtual machine）

我们经常会遇到虚拟机这个概念，但不同的场合其含义却不相同：

1) 一种是用软件模拟整个机器的硬件系统，有了这个软件你相当于多了一台裸机，然后你就可以在里面装操作系统。比如，你的电脑已经安装了Windows 10 ，你可以安装虚拟机VMware，然后再安装Windows 7，这样就可以与Windows 10隔离。

2) 另一种是高级语言虚拟机（high-level language virtual machine，HLL VM），它们可以模拟硬件来运行二进制码，以消除语言对具体硬件的依赖，这就是我们本章所讲的虚拟机。高级语言虚拟机又有基于寄存器和栈两种。

基于寄存器的虚拟机

现在来看C语言的语句：

a = b + c;

它的汇编指令可以用“三地址指令”表示：

这种三地址形式的指令集，操作数通常放在寄存器中。在构建虚拟机时，可以模拟这种情况，尽量使用物理寄存器，运算速度就会比较快。

基于栈的虚拟机

可不可以有零地址的指令集呢？我们来看看Python的a = b + c语句， 其汇编码为：

LOAD_NAME  0 (b)
LOAD_NAME  1 (c)
BINARY_ADD
STORE_NAME 2 (a)

这里BINARY_ADD（加法）指令是零地址指令，没有任何操作数，那它的操作数来自哪里？在哪里运算？结果存在哪里？带着疑问，我们来一条条分析汇编码：

1) LOAD_NAME 0 (b)

把符号元组的第0项b压入求值栈，其实是把变量b引用的值压入栈。不管了，为了讲述方便，就简单一点：

2) LOAD_NAME 1 (c)

把把符号元组的第1项c压入求值栈：

3) BINARY_ADD

这条指令没有操作数，它依赖求值栈，即把栈顶的前两个数据弹出，在CPU的运算单元中相加，然后将结果压入栈中：

4) STORE_NAME 2 (a)

将栈顶的值弹出给变量a

从上面可以看出，零地址形式的指令集一般是通过“基于栈的架构”实现的，其指令的源与目标都来自栈。一条零地址指令的宽度比多地址的要窄，因而可以用更少空间放下更多条指令。

但零地址指令要完成一件事情，通常会比多地址需要指令数更多。比如a = b + c语句，用一条多地址指令就可以完成，但却需要4条零地址指令。所以一般来说，基于寄存器的虚拟机速度更快一些，原因是更多的指令条数，意味着更多的内存访问次数，而访问内存要花时间。

Python虚拟机基于栈

为啥Python采用了基于栈的架构呢？主要有以下原因：

· 实现简单

由于指令中不必显式指定源与目标，使得编译器和虚拟机的设计更加简单，不必考虑为临时变量分配空间的问题，求值过程中的临时数据存储都让求值栈包办就行。

· 更好的移植性

不同处理器的特性各不相同：典型的复杂指令（CISC）处理器的通用寄存器数量很少，例如32位的x86就只有8个32位通用寄存器；精简指令（RISC）处理器的寄存器数量多一些，例如ARM有16个32位通用寄存器。

对于一个基于寄存器的虚拟机，为了高效执行指令，通常是把虚拟机中的寄存器映射到物理寄存器上。另外，有些很重要的辅助数据会被频繁访问，例如程序计数器（program counter，PC），它们也最好放在实际机器的物理寄存器中。如果虚拟机需要的寄存器数量比物理寄存器多，那就没办法全部映射，这样实现起来比较麻烦，效率也会大打折扣。

而基于栈的虚拟机则简单得多，它没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，结果就是这样的虚拟机可移植性更高。但作为优化，基于栈的虚拟机的“求值栈”实际上也可以由编译器映射到寄存器上，以减轻数据移动的开销。

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