[DearBook名人堂關注]雲風：虛擬機器之比較，lua 5 的實現

前段把自己的虛擬機器和編譯器完成後，曾經和 lua5 做過一個比較。比較的結果很沮喪，我的虛擬機器只能達到 lua 5 一半多點的速度。所以很不服氣的又讀了一段 lua5 的源碼。而之前我是一段一段的看 lua source code 的，甚至 lua 4 和 lua5 的是在不同時期去讀的，當然我也知道其間巨大的不同。

其實，對於簡單程式來說，我的虛擬機器是有速度優勢的，而且比 lua 快很多，我把它歸咎於 coding 的技巧。但是在設計方向上卻敗下陣來。因為 lua 5 早已經是基於寄存器的虛擬機器了，而我還在用基於堆棧的虛擬機器。雖然我對其做了改良，向基於寄存器方向做了靠攏，但是還是不如純粹的寄存器虛擬機器。

最近幾天仔細考慮了基於寄存器的虛擬機器的實現難度，雖然自己也可以繼續幹，但是目前項目很緊，決定先緩一陣子，多來點思考沉澱吧。

今天休假，讀了一些信箱裡訂閱的 lua maillist ，想看看 lua 5.1 到底做了些啥改動。由於最近自己做了好些類似的工作，更容易對 lua 的進展去理解了。最後發現，lua 的改進集中在 GC 上面。這點很合我意，其實我自己實現的東西，最得意的莫過於 gc，絕對是優於 lua 的。lua 現在在做分代 gc ，我在考慮並行的方案。大約都是為瞭解決 gc 的一些個頭痛的東西。不過 lua 的 gc 終究不是記憶體整理的，在受限記憶體環境下，表現相對不是特別好。另外，lua 為了最求速度等，在深層次遞迴的支援上也有些問題，會導致堆棧滿。我曾經寫過一個用遞迴算數列和的程式，遞迴層次過深，lua 就處理不了了，我的虛擬機器是可以勝任的。當然這對一般的應用都不是問題。

畢竟 lua 發展了 10 多年，可以借鑒的東西實在太多了。我那區區三周的玩具就當是練手的開始吧。今天仔細讀了一遍 the implementation of Lua 5.0 ，如果有人對指令碼語言實現有同樣的興趣，推薦閱讀。

從這個 paper 中我們可以瞭解幾件事情，雖然通過讀源碼也可以瞭解（我就是先通過閱讀源碼的）但是讀這個可以更休閑一些。

lua5 已經是完全 Register-based virtual machine ，可以說是世界上第一個被廣泛應用的register-based 指令碼虛擬機器了。這點，現在的 Java JVM 還有 .NET 都還是 Stack-based 。據說 perl6 打算做成 Register-based 了 當然我的語言也有此計劃 ，呵呵。Registere-based 虛擬機器相對難寫，看來是個挑戰。

lua5 最佳化了 table 的實現，這點我前面的 blog 裡提到過，這篇 paper 也做了詳細闡述。

lua5 增加了 coroutine 的實現，這點我考慮過，自從我把自己的虛擬機器改成系統堆棧無關後，做多幾個 thread 無非建立多一個堆棧而已，不難實現。 lua5 的 coroutine 也是每個 thread 有獨立堆棧的。(實際上有兩個堆棧）

lua 也是一個one-pass 的基於遞迴下降演算法的 compiler ，paper 中提到，one-pass 的 compiler 是 hard-written 的，這點我是深有體會啊。寫 compiler 那幾天，腦子裡翁翁亂叫，寫了兩整天不敢向倉庫提交一行代碼。不過寫出來的好處是顯而易見的，就和 paper 裡說的一樣，smaller, more efficient, more portable, and fully reentrant

前幾天在想，一個弱類型的語言，Object 的描述資訊能不能比 lua 這種更小。lua 用了一個獨立的字描述類型，然後用 union 來存放不同類型的資料，這個也是我用的方法。前幾天想了個辦法，那就是一般指標由於對齊的原因，末兩位永遠都是 0 。（如果我們以 8 對齊的話，末三位都是 0）這樣就有點額外的資訊來儲存資料類型了，整數可以用 30 或 31bit 來表示都是夠的。

今天讀這篇 paper 發現前人已經用過了，比如 Smalltalk80 ，不過 paper 解釋了 lua 不這樣做的原因。當然，我自己的語言倒是可以一試的

至於 lua5 用的指令集，每個 instruction 只用 4 個位元組，其實現方法還是很巧妙的，這個前幾天讀源碼的時候已經領教過了。當時我想找到我的語言的速度究竟慢在哪裡，才發現是迴圈中， i=i+1 這樣的操作。基於寄存器的虛擬機器自然可以啟動並執行更快了。而且我的虛擬機器的 instruction 是 8 位元組的，而 lua 卻只用 4 位元組，資料短了，效率也能提高。

讀完這篇 paper 感覺很多地方 lua 都是鄙視 python 的低效 這點跟我在 GDC2004 上參加的 lua round table 的感覺一樣，一下就可以發展成 lua 和python 的"派系鬥爭" 我想 GDC2006 上 lua 派會更理直氣壯一些，畢竟兩年前用 lua4 的人遠不如 lua5 的人，(我發言的時候特地讓用 lua5 的人舉了次手 這次隨著 lua 5.1 的 release ，lua在遊戲行業中的地位將不可動搖了。