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使用符合 CKB 虚拟机当前系统架构的真实 CPU 指令集来构建自己的虚拟机

Nervos 底层公链 CKB 的虚拟机（CKB-VM）是基于 RISC-V 打造的区块链虚拟机。在前两期中，我们介绍了 CKB 虚拟机的设计理念，以及基于 RISC-V 指令集打造的选择逻辑。那么再往前推一步，我们为什么会选择基于真实 CPU 指令集来构建 CKB-VM 呢？在本篇文章中，CKB-VM 设计者将和我们继续讨论 CKB-VM 的设计灵感、设计以及基于真实 CPU 指令集来构建 CKB-VM 的额外优势。

秘猿科技区块链小课堂第 24 期

灵感与设计

在设计 CKB-VM 之前，我们发现很多区块链项目并不是用真实的 CPU 指令集来构造自己的虚拟机。我们熟知的以太坊下一代虚拟机 EWASM、EOS 以及 Dfinity 等都选择了 WASM（WebAssembly，一种编码格式）来构造自己的虚拟机。我们也完全可以设计出一个具有高级语言特性的 VM，比如可以用于静态验证，或是可以直接支持高级数据结构，或是支持各种加密算法的 VM。

但是我们发现，虽然带有高级语言特性的虚拟机能够提供更多的便利，比如能够支持语法各异的编程语言，但同时也会出现其他一些问题：任何复杂的、带有高级语言功能的 VM，无论多么灵活，都不可避免的会在设计层面引入一些语义约束，出于性能的原因，不同的语言在底层几乎需要共享相同的语义（带有高级语言特性的虚拟机需要绑定密码学原语，若未来现有的原语被攻破，或者需要更换一套密码学原语时，需要通过分叉来实现）。这样一来， VM 自身的灵活性就会受到限制，这和 CKB 作为加密经济底层基础设施的愿景并不相符。

与此同时，一个带有高级语言功能的 VM 通常会包含某些高级的数据结构与算法，这样任何在 VM 中嵌入的高级数据结构与算法都可能只适合于某一类应用的开发，却不适用于其它应用程序的开发。并且，我们无法预设所有可能的使用方式，这些嵌入 VM 本身的数据结构或算法除了兼容性之外没有任何作用，随着时间的推移，甚至会成为负担。

另外我们还发现，所有的区块链项目都要在冯·诺伊曼 CPU 架构（x86，x86_64，ARM 等架构）下才能运行，并且所有高级的 VM 特性都必须映射到现代体系架构的 CPU 汇编指令。

举个例子，虽然 V8 引擎（由 Google 开发的开源 JavaScript 引擎，用于 Google Chrome 及 Chromium 中）看上去可以有无限量的内存，但是其内部实现依然需要依靠一个十分复杂的垃圾回收算法，才能在有限的内存空间中模拟出无限的内存空间。

类似的，Haskell （一种标准化的，通用的纯函数编程语言）或是 Idris（一个通用的依赖类型纯函数式编程语言）可能具有先进的静态类型检查模式（在某种程度上）来证明软件运行的正确性，但在完成类型检查之后，还是需要通过一个翻译层把静态验证后的代码转换成未验证的原生 x86_64 汇编指令。

这里的关键在于无论我们如何设计 VM，都没有办法太过偏离当前的体系结构。换句话说，在任何 VM 的最底层，都需要将操作转变成原始的汇编指令来执行。

于是我们想：为什么不使用符合 CKB 虚拟机当前系统架构的真实 CPU 指令集来构建自己的虚拟机？

这样一来，我们不会丢失任何添加静态验证、高级数据结构、或是加密算法的可能性，并且无论我们在 VM 中提供怎样的数据结构或算法，都可以最大化 VM 的灵活性。此外，通过真实的 CPU 指令集，我们可以最大限度的让开发者写出任何满足要求的合约。

额外的优势

除了灵活性之外，基于真实 CPU 指令集的 VM 还有其它额外的优势：

稳定性

为硬件设计的 CPU 指令集一旦最终确定并在芯片中使用，就难以修改，所以与通常是软件实现的 VM 指令集相比，硬件指令集显得非常稳定。这个属性与 Layer 1 区块链 VM 的诉求非常契合，因为稳定的指令集意味着较少的硬分叉，且不会牺牲灵活性。

运行期透明性

物理 CPU 在运行时仅需要依靠寄存器和一段内存，在使用堆栈的操作过程中，通常内存中的空间是指定的。这样一来，我们可以在程序执行期间根据 VM 中的堆栈指针来获取堆栈空间的使用情况，从而最大限度地提高运行时状态的可见性。

CKB-VM 可以调整堆栈指针、更改内存中的区域分配，甚至根据需要扩大或缩小堆栈区域大小，从而提高 VM 的灵活性。当前 CPU 指令集还可以提供过去周期的计数，从而允许查询 VM 的运行开销状态。

运行期开销

具有真实 CPU 指令集的 VM 可以轻松管理运行期的开销，每个指令执行时所需的 cycle 数（不考虑流水线）是固定的。我们可以根据真实 CPU 指令集的这个特性来设计 CKB-VM 运行时的开销计算机制，这样一来，当我们应用新算法时，也可以准确地计算出所需的开销。

但是，与通过操作码或本机 VM 指令集实现加密算法的 VM 相比，使用真实 CPU 指令集存在一个关键的缺点：性能。

不过，根据研究和测试结果，我们可以通过适当的优化和即时（Just-In-Time，JIT）编译器实现来优化基于真实 CPU 指令集在 VM 上运行的加密算法，从而满足 CKB 应用程序的需求。在处理即时性时，我们是基于底层指令集进行处理，而不是基于像 JavaScript 这样的高级语言上处理，这样会使得 VM 具备更低的工作负载和更好的性能。

Why Not WASM?

也许有人会问：在区块链社区对 WebAssembly 有着强烈兴趣和广泛关注的情况下， CKB 为什么不直接使用 WebAssembly 呢？

WebAssembly 是一个伟大的项目，并且我们非常希望它最后能够成功。一个拥有广泛支持的沙盒环境，对于整个区块链行业，甚至整个软件业来说都是件梦寐以求的事。从长远来看，WebAssembly 也有潜力实现 CKB 所需的大部分特性，但是它并不能提供我们在《CKB-VM 诞生记（一） 1》中提到的 RISC-V 能为 CKB-VM 带来的所有好处，比如，目前 WebAssembly 还全都是 JIT 实现，缺少一个合理的运行期开销计算模型。

另外，RISC-V 从 2010 年开始设计，在 2011 年发布第一版规范，2012 年出现基于 RISC-V 构建的硬件；而 WebAssembly 出现于 2015 年，2017 年发布 MVP，相对来说，RISC-V 会比 WebAssembly 更加的成熟，所以至少在目前阶段，我们觉得使用 WebAssembly 并不是 CKB-VM 最好的选择。

当然，我们并不是完全放弃使用 WebAssembly，考虑到 WebAssembly 与 RISC-V 同样是底层 VM 的实现方式，而且很多设计和指令集十分相似，我们完全有可能提供一个从 WebAssembly 到 RISC-V 的二进制转换器，从而确保 CKB 也可以利用目前区块链上基于 WebAssembly 的创新。另外，CKB 上也能够支持仅可以编译为 WebAssembly 的语言（比如 Forest： https://github.com/forest-lan... ）。