基于栈的虚拟机与基于寄存器的虚拟机

经常听到 LuaJIT 和 JVM 分别是基于寄存器的虚拟机和基于栈的虚拟机，那么这两种虚拟机究竟有什么区别？

最主要的区别

既然都叫作虚拟机了，那么实际上这些 Runtime 的最终目的是模仿实体机提供一个可以跨平台运行的环境。

基于寄存器的操作

读过计组和 CSAPP 的朋友们都知道，我们的 x86 机器指令存在一个东西叫作 N 地址指令，他看起来像是这样

• N=3: ADD a, b, c
• N=2: ADD a, b

ADD 指令后的地址就是目标的地址，并且 ADD 命令在完成后会在某个寄存器/内存里放入这次运算的值。经典的 x86 采用的是二地址指令，会在某个寄存器里放入这个值

基于栈的操作

那么如果我们的 N 地址 N=0 会发生什么？看起来我们没有任何地址可以存放读取。

但如果我们引入一个数据结构来储存值，操作数仅仅能操作当前最新的值会发生什么？基于栈的虚拟机就产生了。

求值栈

我们引入一个栈式结构叫作求值栈，并且假定有如下的命令

iconst_1  
iconst_2  
iadd  
istore_0

在 iconst_1 和 iconst_2 中我们压入了两个整型值：1，2

然后我们使用了 iadd 命令，iadd 命令将会弹出栈顶的两个整型值，并且将其相加后压入栈顶，这样我们的求值栈就只有一个值 2 了

在完成以上求值后，我们使用了 istore 命令将求值栈最终的值放到局部变量区的 0 号位

• istore, istore_<n>: An istore instruction with operand Index is type safe and yields an outgoing type state NextStackFrame, if a store instruction with operand Index and type int is type safe and yields an outgoing type state NextStackFrame.
• iadd: An iadd instruction is type safe iff one can validly replace types matching int and int on the incoming operand stack with int yielding the outgoing type state.

这样看起来就非常的跨平台，因为到目前为止几乎完全不用和平台的寄存器交互，这几乎完全是模拟出来的行为

如果要用 x86 汇编的话，两条指令就可以了：

mov  eax, 1  
add  eax, 2

请注意，求值栈（Evaluate Stack）不是一个固定的名字，除了求值栈，还可以叫作表达式栈（Expression Stack）

各有优劣？

简单列个表会更直观一些

请注意，设计模式并不是固定的，例如 JVM 的 JIT 也会面向平台进行特化，这一步实际上也是走向基于寄存器的虚拟机的设计模式，因为这样很明显会更快

	基于栈的虚拟机	基于寄存器的虚拟机	理由
可移植性	高	低	基于寄存器的虚拟机由于需要考虑和本地机器的映射关系，因此需要花很大力气去整理映射关系，但基于栈的虚拟机不需要这层映射关系
实现难易度	简单	难	同上
性能	较慢	快速	基于寄存器的虚拟机由于存在和本地机器的寄存器映射关系，因此运行起来非常的高效，基于栈的虚拟机有额外开销
储存资源占用	较低	较高	由于基于栈的虚拟机使用的是零地址指令，它的占用比其他任何指令都小并且更加紧凑。所以基于栈的虚拟机对于硬盘占用会更小

参照

• 虚拟机随谈（一）：解释器，树遍历解释器，基于栈与基于寄存器，大杂烩
• Java Virtual Machine Specification: 4.10.1.9. Type Checking Instructions