最近项目中有涉及 Lua，在查阅其 VM 资料时发现：从 5.0 开始，用了十年的基于栈的 VM 切换到了基于寄存器的 VM。

猛然联想到，当年校招背 Android 八股文时，也有一段类似的描述：“与基于栈的 JVM 不同，Dalvik 基于寄存器。”

当时也是一头雾水：有函数调用，就离不开栈，莫非基于寄存器的 VM 还能做到不用栈？

初出茅庐时囫囵吞枣、不求甚解，结果多年后终究还是绕不开这个话题。看来必须得搞清楚。

首先声明一点，这里讨论的是进程虚拟机，而不是 VMWare、VirtualBox 那种系统虚拟机。

寄存器的特点

我们知道，寄存器的特点：

• 离 CPU 最近，速度比内存还快；

• 访问寄存器通过名字（如 PC、SP、LR），而不是像内存一样通过地址；

基于栈的 VM

VM 基于栈，是指：

• 指令集包含 PUSH/POP 等栈操作；

• 指令操作数存在栈中。

下面我们以加法为例：

因为指令操作数都保存在栈中，所以我们要先依次 POP，然后执行 ADD，最后 PUSH 结果：

POP
POP
ADD
PUSH

由此可以看出基于栈的 VM 的特点：

• 实现简单（不需要跟不同架构硬件的寄存器打交道）；

• 指令需要分发的次数多（需要额外的 PUSH/POP 操作），对性能有较大影响；

由于实现简单，较早出的 JVM、.NET CLR、Lua 5.0 以前的 VM 等，都是这个方案。

JVM 的栈相关的指令

我们看看 JVM 部分栈相关的指令：

• iload：将本地变量压栈；

• bipush：将 byte 压栈，作为整数；

• sipush：将 short 压栈，作为整数；

• pop：出栈一个元素；

• pop2：出栈两个元素；

• swap：交换栈顶的两个元素；

当然不止这些，从这里可以看到，相当多的指令都是和栈有关的。

有论文指出，超过 40% 的 JVM 指令都是用于本地变量和栈之间的操作。

比如 JVM 实现上面的加法：

iload_1     #加载变量 1
iload_2     #加载变量 2
iadd
istore_3    #存储结果到变量 3

基于寄存器的 VM

VM 基于寄存器，是指：

• 指令集没有 PUSH/POP 等栈操作；

• 指令操作数存在寄存器。

仍然以加法为例：

因为指令操作数都保存在不同的寄存器，所以只需要一条指令带上寄存器名字即可：

ADD R1, R2, R3

由此可以看出基于寄存器的 VM 的特点：

• 实现较复杂（需要跟不同架构机器的寄存器打交道）；

• 指令需要分发的次数少，性能高；

• 指令平均长度大（始终要带上操作数）；

• 结果存在单独的寄存器，可用于缓存临时结果，避免重复计算；

基于性能好，较晚出的 Lua 5.0 VM、Dalvik、Rust VM 等，都是这种方案。