摘要：于是我們想為什么不使用符合虛擬機(jī)當(dāng)前系統(tǒng)架構(gòu)的真實(shí)指令集來(lái)構(gòu)建自己的虛擬機(jī)這樣一來(lái)，我們不會(huì)丟失任何添加靜態(tài)驗(yàn)證高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或是加密算法的可能性，并且無(wú)論我們?cè)谥刑峁┰鯓拥臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或算法，都可以最大化的靈活性。

Nervos 底層公鏈 CKB 的虛擬機(jī)（CKB-VM）是基于 RISC-V 打造的區(qū)塊鏈虛擬機(jī)。在前兩期中，我們介紹了 CKB 虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)理念，以及基于 RISC-V 指令集打造的選擇邏輯。那么再往前推一步，我們?yōu)槭裁磿?huì)選擇基于真實(shí) CPU 指令集來(lái)構(gòu)建 CKB-VM 呢？在本篇文章中，CKB-VM 設(shè)計(jì)者將和我們繼續(xù)討論 CKB-VM 的設(shè)計(jì)靈感、設(shè)計(jì)以及基于真實(shí) CPU 指令集來(lái)構(gòu)建 CKB-VM 的額外優(yōu)勢(shì)。

秘猿科技區(qū)塊鏈小課堂第 24 期

在設(shè)計(jì) CKB-VM 之前，我們發(fā)現(xiàn)很多區(qū)塊鏈項(xiàng)目并不是用真實(shí)的 CPU 指令集來(lái)構(gòu)造自己的虛擬機(jī)。我們熟知的以太坊下一代虛擬機(jī) EWASM、EOS 以及 Dfinity 等都選擇了 WASM（WebAssembly，一種編碼格式）來(lái)構(gòu)造自己的虛擬機(jī)。我們也完全可以設(shè)計(jì)出一個(gè)具有高級(jí)語(yǔ)言特性的 VM，比如可以用于靜態(tài)驗(yàn)證，或是可以直接支持高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，或是支持各種加密算法的 VM。

但是我們發(fā)現(xiàn)，雖然帶有高級(jí)語(yǔ)言特性的虛擬機(jī)能夠提供更多的便利，比如能夠支持語(yǔ)法各異的編程語(yǔ)言，但同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)其他一些問題：任何復(fù)雜的、帶有高級(jí)語(yǔ)言功能的 VM，無(wú)論多么靈活，都不可避免的會(huì)在設(shè)計(jì)層面引入一些語(yǔ)義約束，出于性能的原因，不同的語(yǔ)言在底層幾乎需要共享相同的語(yǔ)義（帶有高級(jí)語(yǔ)言特性的虛擬機(jī)需要綁定密碼學(xué)原語(yǔ)，若未來(lái)現(xiàn)有的原語(yǔ)被攻破，或者需要更換一套密碼學(xué)原語(yǔ)時(shí)，需要通過分叉來(lái)實(shí)現(xiàn)）。這樣一來(lái)， VM 自身的靈活性就會(huì)受到限制，這和 CKB 作為加密經(jīng)濟(jì)底層基礎(chǔ)設(shè)施的愿景并不相符。

與此同時(shí)，一個(gè)帶有高級(jí)語(yǔ)言功能的 VM 通常會(huì)包含某些高級(jí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，這樣任何在 VM 中嵌入的高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法都可能只適合于某一類應(yīng)用的開發(fā)，卻不適用于其它應(yīng)用程序的開發(fā)。并且，我們無(wú)法預(yù)設(shè)所有可能的使用方式，這些嵌入 VM 本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或算法除了兼容性之外沒有任何作用，隨著時(shí)間的推移，甚至?xí)蔀樨?fù)擔(dān)。

另外我們還發(fā)現(xiàn)，所有的區(qū)塊鏈項(xiàng)目都要在馮·諾伊曼 CPU 架構(gòu)（x86，x86_64，ARM 等架構(gòu)）下才能運(yùn)行，并且所有高級(jí)的 VM 特性都必須映射到現(xiàn)代體系架構(gòu)的 CPU 匯編指令。

舉個(gè)例子，雖然 V8 引擎（由 Google 開發(fā)的開源 JavaScript 引擎，用于 Google Chrome 及 Chromium 中）看上去可以有無(wú)限量的內(nèi)存，但是其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)依然需要依靠一個(gè)十分復(fù)雜的垃圾回收算法，才能在有限的內(nèi)存空間中模擬出無(wú)限的內(nèi)存空間。

類似的，Haskell （一種標(biāo)準(zhǔn)化的，通用的純函數(shù)編程語(yǔ)言）或是 Idris（一個(gè)通用的依賴類型純函數(shù)式編程語(yǔ)言） 可能具有先進(jìn)的靜態(tài)類型檢查模式（在某種程度上）來(lái)證明軟件運(yùn)行的正確性，但在完成類型檢查之后，還是需要通過一個(gè)翻譯層把靜態(tài)驗(yàn)證后的代碼轉(zhuǎn)換成未驗(yàn)證的原生 x86_64 匯編指令。

這里的關(guān)鍵在于無(wú)論我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì) VM，都沒有辦法太過偏離當(dāng)前的體系結(jié)構(gòu)。換句話說，在任何 VM 的最底層，都需要將操作轉(zhuǎn)變成原始的匯編指令來(lái)執(zhí)行。

于是我們想： 為什么不使用符合 CKB 虛擬機(jī)當(dāng)前系統(tǒng)架構(gòu)的真實(shí) CPU 指令集來(lái)構(gòu)建自己的虛擬機(jī)？

這樣一來(lái)，我們不會(huì)丟失任何添加靜態(tài)驗(yàn)證、高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、或是加密算法的可能性，并且無(wú)論我們?cè)?VM 中提供怎樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或算法，都可以 最大化 VM 的靈活性 。此外，通過真實(shí)的 CPU 指令集，我們可以最大限度的讓開發(fā)者寫出任何滿足要求的合約。

除了 靈活性 之外，基于真實(shí) CPU 指令集的 VM 還有其它額外的優(yōu)勢(shì)：

穩(wěn)定性

為硬件設(shè)計(jì)的 CPU 指令集一旦最終確定并在芯片中使用，就難以修改，所以與通常是軟件實(shí)現(xiàn)的 VM 指令集相比，硬件指令集顯得非常穩(wěn)定。這個(gè)屬性與 Layer 1 區(qū)塊鏈 VM 的訴求非常契合，因?yàn)榉€(wěn)定的指令集意味著較少的硬分叉，且不會(huì)犧牲靈活性。

運(yùn)行期透明性

物理 CPU 在運(yùn)行時(shí)僅需要依靠寄存器和一段內(nèi)存，在使用堆棧的操作過程中，通常內(nèi)存中的空間是指定的。這樣一來(lái)，我們可以在程序執(zhí)行期間根據(jù) VM 中的堆棧指針來(lái)獲取堆?？臻g的使用情況，從而最大限度地提高運(yùn)行時(shí)狀態(tài)的可見性。

CKB-VM 可以調(diào)整堆棧指針、更改內(nèi)存中的區(qū)域分配，甚至根據(jù)需要擴(kuò)大或縮小堆棧區(qū)域大小，從而提高 VM 的靈活性。當(dāng)前 CPU 指令集還可以提供過去周期的計(jì)數(shù)，從而允許查詢 VM 的運(yùn)行開銷狀態(tài)。

運(yùn)行期開銷

具有真實(shí) CPU 指令集的 VM 可以輕松管理運(yùn)行期的開銷，每個(gè)指令執(zhí)行時(shí)所需的 cycle 數(shù)（不考慮流水線）是固定的。 我們可以根據(jù)真實(shí) CPU 指令集的這個(gè)特性來(lái)設(shè)計(jì) CKB-VM 運(yùn)行時(shí)的開銷計(jì)算機(jī)制，這樣一來(lái)，當(dāng)我們應(yīng)用新算法時(shí)，也可以準(zhǔn)確地計(jì)算出所需的開銷。

但是，與通過操作碼或本機(jī) VM 指令集實(shí)現(xiàn)加密算法的 VM 相比，使用真實(shí) CPU 指令集存在一個(gè)關(guān)鍵的缺點(diǎn)： 性能 。

不過，根據(jù)研究和測(cè)試結(jié)果，我們可以通過適當(dāng)?shù)膬?yōu)化和即時(shí)（Just-In-Time，JIT）編譯器實(shí)現(xiàn)來(lái)優(yōu)化基于真實(shí) CPU 指令集在 VM 上運(yùn)行的加密算法，從而滿足 CKB 應(yīng)用程序的需求。在處理即時(shí)性時(shí)，我們是基于底層指令集進(jìn)行處理，而不是基于像 JavaScript 這樣的高級(jí)語(yǔ)言上處理，這樣會(huì)使得 VM 具備更低的工作負(fù)載和更好的性能。

也許有人會(huì)問：在區(qū)塊鏈社區(qū)對(duì) WebAssembly 有著強(qiáng)烈興趣和廣泛關(guān)注的情況下， CKB 為什么不直接使用 WebAssembly 呢？

WebAssembly 是一個(gè)偉大的項(xiàng)目，并且我們非常希望它最后能夠成功。一個(gè)擁有廣泛支持的沙盒環(huán)境，對(duì)于整個(gè)區(qū)塊鏈行業(yè)，甚至整個(gè)軟件業(yè)來(lái)說都是件夢(mèng)寐以求的事。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，WebAssembly 也有潛力實(shí)現(xiàn) CKB 所需的大部分特性，但是它并不能提供我們?cè)凇禖KB-VM 誕生記（一） 1》中提到的 RISC-V 能為 CKB-VM 帶來(lái)的所有好處，比如，目前 WebAssembly 還全都是 JIT 實(shí)現(xiàn)，缺少一個(gè)合理的運(yùn)行期開銷計(jì)算模型。

另外，RISC-V 從 2010 年開始設(shè)計(jì)，在 2011 年發(fā)布第一版規(guī)范，2012 年出現(xiàn)基于 RISC-V 構(gòu)建的硬件；而 WebAssembly 出現(xiàn)于 2015 年，2017 年發(fā)布 MVP，相對(duì)來(lái)說，RISC-V 會(huì)比 WebAssembly 更加的成熟，所以至少在目前階段，我們覺得使用 WebAssembly 并不是 CKB-VM 最好的選擇。

當(dāng)然，我們并不是完全放棄使用 WebAssembly，考慮到 WebAssembly 與 RISC-V 同樣是底層 VM 的實(shí)現(xiàn)方式，而且很多設(shè)計(jì)和指令集十分相似， 我們完全有可能提供一個(gè)從 WebAssembly 到 RISC-V 的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器，從而確保 CKB 也可以利用目前區(qū)塊鏈上基于 WebAssembly 的創(chuàng)新。 另外，CKB 上也能夠支持僅可以編譯為 WebAssembly 的語(yǔ)言（比如 Forest：https://github.com/forest-lan... ）。

通過 CKB-VM 的設(shè)計(jì)，我們的目標(biāo)是建立一個(gè)圍繞 CKB 的社區(qū)，該社區(qū)可以自由地發(fā)展和適應(yīng)新技術(shù)的進(jìn)步，并且可以最大限度地減少人工干預(yù)（例如硬分叉）。 我們相信 CKB-VM 可以實(shí)現(xiàn)這一愿景。

注： CKB-VM 與 CKB 一樣為開源項(xiàng)目，目前 CKB-VM 仍在開發(fā)過程中，盡管 CKB-VM 的大部分設(shè)計(jì)已經(jīng)敲定，但某些設(shè)計(jì)也可能會(huì)在將來(lái)，因?yàn)槟愕呢暙I(xiàn)而有新的變動(dòng)和推進(jìn)。這篇文章是為了讓我們的社區(qū)更加了解 CKB-VM，這樣人人都可以在里面更好的玩耍并做出貢獻(xiàn)啦！

CKB-VM：https://github.com/nervosnetw...