compiler-construction - 为什么需要虚拟机？

Question

我在看 this question找出 Java 虚拟机和 .NET CLR 之间的区别，Benji 的回答让我想知道为什么首先需要虚拟机。

根据我对 Benji 解释的理解，虚拟机的 JIT 编译器将中间代码解释为在 CPU 上运行的实际汇编代码。它必须这样做的原因是因为 CPU 通常具有不同数量的寄存器，并且根据 Benji 的说法，“有些寄存器是专用的，并且每条指令都期望其操作数位于不同的寄存器中。”这是有道理的，因为需要像虚拟机这样的中间解释器，以便相同的代码可以在任何 CPU 上运行。

但是，如果是这样的话，那么我不明白为什么编译成机器代码的 C 或 C++ 代码能够在任何计算机上运行，​​只要它是正确的操作系统。为什么我在 Windows 机器上使用 Pentium 编译的 C 程序能够在我使用 AMD 的其他 Windows 机器上运行？

如果 C 代码可以在任何 CPU 上运行，那么虚拟机的目的是什么？是否可以在任何操作系统上运行相同的代码？我知道 Java 几乎在任何操作系统上都有 VM 版本，但是除了 Windows 之外还有其他操作系统的 CLR 吗？

或者还有什么我想念的吗？操作系统是否对其运行的汇编代码进行其他解释以使其适应特定的 CPU 或其他什么？

我很好奇所有这些是如何工作的，因此将不胜感激明确的解释。

注意:我不只是在 JVM vs. CLR 问题中将我的查询作为评论发布的原因是因为我还没有足够的积分来发布评论 =b。

编辑:感谢所有伟大的答案!因此，我似乎缺少的是，尽管所有处理器都有差异，但有一个共同的标准化，主要是 X86 架构，它提供了足够多的共同特征集，因此在一个 X86 处理器上编译的 C 代码将在大多数情况下工作在另一个 X86 处理器上。这进一步证明了虚拟机的合理性，更不用说我忘记了垃圾收集的重要性。

Answer 1

AMD 和 intel 处理器使用相同的指令集和机器架构(从机器代码执行的角度来看)。

C 和 C++ 编译器编译为机器代码，带有适合它们所针对的操作系统的头文件。一旦被编译，它们就不再以任何方式、形状或形式与它们被编译的语言相关联，而只是二进制可执行文件。 (有些工件可能会显示它是用什么语言编译的，但这不是这里的重点)

因此，一旦编译完成，它们就会与机器(X86、intel 和 amd 指令集和架构)和操作系统相关联。

这就是为什么它们可以在任何兼容的 x86 机器和任何兼容的操作系统上运行(对于某些软件，从 win95 到 winvista)。

但是，它们不能在 OSX 机器上运行，即使它在英特尔处理器上运行 - 二进制文件不兼容，除非您运行其他仿真软件(例如并行或带有 Windows 的 VM)。

除此之外，如果您想在 ARM 处理器、MIPS 或 PowerPC 上运行它们，那么您必须运行一个完整的机器指令集仿真器，它将来自 X86 的二进制机器代码解释为您运行它的任何机器。

与 .NET 形成对比。

.NET 虚拟机的构造就好像世界上有更好的处理器 - 理解对象、内存分配和垃圾收集以及其他高级构造的处理器。这是一台非常复杂的机器，现在不能直接在硅片中构建(具有良好的性能)，但可以编写一个模拟器，使其能够在任何现有处理器上运行。

突然之间，您可以为要在其上运行 .NET 的任何处理器编写一台特定于机器的模拟器，然后任何 .NET 程序都可以在其上运行。无需担心操作系统或底层 CPU 架构 - 如果有 .NET VM，则软件将运行。

但是让我们更进一步——一旦你有了这种通用语言，为什么不制作将任何其他书面语言转换成它的编译器呢？

因此，现在您可以使用 C、C#、C++、Java、javascript、Basic、python、lua 或任何其他语言编译器来转换编写的代码，以便在此虚拟机上运行。

您已经将机器与语言分离了 2 度，并且不需要太多工作，您就可以让任何人编写任何代码并让它在任何机器上运行，只要存在编译器和虚拟机来映射这两个分离度.

如果您仍然想知道为什么这是一件好事，请考虑一下早期的 DOS 机器，以及 Microsoft 对世界的真正贡献是什么:

Autocad 必须为他们可以打印的每台打印机编写驱动程序。莲花1-2-3也是如此。事实上，如果您希望您的软件能够打印，您必须编写自己的驱动程序。如果有 10 台打印机和 10 个程序，则必须分别且独立地编写 100 段基本相同的不同代码。

Windows 3.1 试图完成的(连同 GEM 和许多其他抽象层)是使打印机制造商为他们的打印机编写一个驱动程序，而程序员为 Windows 打印机类编写一个驱动程序。

现在有 10 个程序和 10 台打印机，只需要编写 20 段代码，而且由于代码的 microsoft 方面对每个人都是一样的，那么来自 MS 的示例意味着您几乎没有工作要做。

现在，程序不仅限于他们选择支持的 10 台打印机，还包括制造商在 Windows 中提供驱动程序的所有打印机。

在应用程序开发中也发生了同样的问题。我无法使用一些非常简洁的应用程序，因为我不使用 MAC。有大量的重复(我们真正需要多少个世界级的文字处理器？)。

Java 旨在解决这个问题，但它有很多限制，其中一些并没有真正解决。

.NET 更接近，但没有人为 Windows 以外的平台开发世界一流的 VM(mono 如此接近......但还没有完全实现)。

所以...这就是我们需要虚拟机的原因。因为我不想仅仅因为他们选择了与我不同的操作系统/机器组合而将自己限制在较小的受众中。

-亚当