Соответствие дизайна виртуальной машины ее основному языку программирования

Я отвечу на ваш вопрос с другой стороны: что такое виртуальная машина? ВМ - это просто спецификация для «интерпретатора» языка более низкого уровня, чем исходный язык. Здесь я использую значение слова «интерпретатор» в черном ящике. Меня не волнует, как будет реализована виртуальная машина (как интерпретатор байт-кода, JIT-компилятор, что угодно). В такой формулировке с точки зрения дизайна виртуальная машина не самая интересная вещь, это язык низкого уровня.

Идеальный язык виртуальных машин будет делать две вещи. Во-первых, это упростит компиляцию исходного языка в него. И, во-вторых, это также упростит интерпретацию на целевой платформе (ах) (где, опять же, интерпретатор может быть реализован очень наивно или может представлять собой действительно сложную JIT, такую ​​как Hotspot или V8).

Очевидно, есть противоречие между этими двумя желательными свойствами, но они более или менее образуют две конечные точки на линии, проходящей через пространство дизайна всех возможных виртуальных машин. (Или, возможно, более сложная форма, чем линия, потому что это не плоское евклидово пространство, но идею вы поняли). Если вы создадите свой язык виртуальной машины далеко за пределами этой линии, это не будет очень полезно. Вот что ограничивает дизайн ВМ: помещать ее где-нибудь в эту идеальную линию.

Эта линия также является причиной того, почему виртуальные машины высокого уровня, как правило, сильно зависят от языка, в то время как виртуальные машины низкого уровня больше не зависят от языка, но не предоставляют много услуг. Виртуальная машина высокого уровня по своей природе близка к исходному языку, что отличает ее от других, отличных от исходных языков. Низкоуровневая виртуальная машина по своей природе близка к целевой платформе, поэтому она близка к концу идеальной линии для многих языков, но эта низкоуровневая виртуальная машина также будет довольно далеки от конца идеальной линии "легко компилировать". большинство исходных языков.

В более широком смысле концептуально любой компилятор можно рассматривать как серию преобразований от исходного языка к промежуточным формам, которые сами по себе могут рассматриваться как языки для виртуальных машин. Виртуальные машины для промежуточных языков могут никогда не быть построены, но могут. В конечном итоге компилятор выдает окончательную форму. И эта окончательная форма сама по себе будет языком для виртуальной машины. Мы могли бы назвать эту виртуальную машину «JVM», «V8» ... или мы могли бы назвать эту виртуальную машину «x86», «ARM» и т. Д.

Надеюсь, это поможет.

Один из методов получения виртуальной машины - просто спуститься по цепочке компиляции, преобразовывая исходный язык во все больше и больше промежуточных языков низкого уровня. Как только вы обнаружите достаточно низкоуровневый язык, подходящий для плоского представления (то есть тот, который может быть сериализован в последовательность «инструкций»), это в значительной степени ваша виртуальная машина. А ваш интерпретатор виртуальной машины или JIT-компилятор просто продолжит вашу цепочку преобразований с точки, которую вы выбрали для сериализации.

Некоторые методы сериализации очень распространены - например, использование представления псевдостека для деревьев выражений (например, в .NET CLR, которая вообще не является «настоящей» стековой машиной). В противном случае вы можете использовать SSA-форму для сериализации, как в LLVM, или просто 3-адресную виртуальную машину с бесконечным количеством регистров (как в Dalvik). На самом деле не имеет значения, какой путь вы выберете, поскольку это всего лишь сериализация, и она будет десериализована позже, чтобы продолжить ваш обычный способ компиляции.

Немного другая история, если вы намереваетесь сразу же интерпретировать свой код виртуальной машины, а не компилировать его. В настоящее время нет единого мнения о том, какие виртуальные машины лучше подходят для интерпретации. И виртуальные машины на основе стека (или, я бы сказал, Forth), и виртуальные машины на основе регистров доказали свою эффективность.

Я нашел эту книгу полезной. В нем обсуждаются многие вопросы, о которых вы спрашиваете. (обратите внимание, что я никоим образом не связан с Amazon и не продвигаю Amazon; просто это было самое простое место для ссылки).

https://rads.stackoverflow.com/amzn/click/com/1852339691