为什么我支持托管运行时（虚拟机）
2010-07-01 11:37 by 老赵, 6422 visits最近博客园上在炒关于C#性能的问题，其实应该说是.NET性能的问题，其中某位仁兄提出，他希望C#能够直接编译为原生代码，而不是在CLR这样一个托管运行时上执行，因为虚拟机啊，JIT什么的性能差。后来发到TL上以后，也有朋友认为，“基于虚拟机的语言都是大公司为了利益在推动，说白了就是政治”，因此“对C#提高性能的建议感到可笑，因为它本来就不是用来开发高性能程序的”，再有，“C、C++已经明确不和这些后进争所谓的‘容易开发’的头衔”，那么其他语言为什么要和C++它们比较性能呢？我是托管运行时，或者虚拟机的忠实拥护者，这里谈一下我在这方面的看法。
我并不反对编译为原生代码的语言，尤其是C语言，它的意义在于提供了一种对硬件完全控制的手段，对硬件提供了一种最直接的抽象，几乎可以映射到最终流程控制方式，因此无可替代。C++作为C语言的超集，提供了更丰富的抽象能力（如面向对象和模版化），只是语言本身过于复杂，超过了以我的智商可以承受的范围，因此我学了几次都没怎么学会，现在更是忘得差不多了。不过我认为，越来越多的语言会构建在托管平台上，而不是直接编译成原生代码。因为一个统一的托管运行时会带来很多好处。
首先，统一的运行时提供了跨平台的能力，Java便是一例典型。.NET上有mono，使用也很广泛，也有不少如Unity3D，Gnome DO等成功案例。Novell，包括其他一些公司也在销售基于mono的商业产品（如MonoTouch及Infragistics的ASP.NET Controls组件），我本身也在两年多前就在生产环境上使用了mono，您现在看到的这个博客也是基于Ubuntu Server、mono 2.6 、Apache以及微软开源的ASP.NET MVC 2构建的。虽说从某些层面（如API兼容性）上说，mono的跨平台性远不如Java平台，但它也是一个比较成熟的执行环境，并具备相当程度的跨平台能力——尤其是在mono上开发，MS .NET上运行的时候（虽然我不建议这么做）。如今支持mono的产品、类库数不胜数，我时常调侃道，“如果您的产品不支持mono，还真不好意思和人打招呼”。只可惜，不少人都用一些“不是亲娘生的”类似的调调来否定mono，在我看来没有经过调查研究的看法只能属于“臆断”，而且更是一种FUD了。
即便退一步来说，我们不“跨操作系统”吧。有人说，.NET就支持Windows么，何必搞个虚拟机，还JIT那么麻烦。但事实上，“跨平台”并非指的是简单的“跨操作系统”，而是“跨执行环境”，如Silverlight。事实上，跨计算机体系结构本身也是种跨平台（当然，操作系统其实已经进行了一定的统一抽象了）。因此，虚拟机的目的，是为上层执行体抽象出了统一的运行环境——这其实还是跨平台，这平台不仅仅是指操作系统，整体运行环境之间的差异也是运行时所“抽象”的一部分。比如在并发环境中，不同CPU架构的流水线上的乱序方式不一样，同样的代码执行的效果就可能不同。最典型的例子，便是JVM之前的内存一致性模型控制的比较宽松，导致经典的double check模式在某些CPU上是会失败的。现在Java标准也变得严格了，和.NET CLR一样避免了Store Reordering。这意味着在某些CPU上，会在特定的地方加上Memory Barrier保证执行效果的一致性。在我看来这是更好的可移植性。C++或是C语言等实现“可移植性”的方式，往往是通过为不同环境提供不同的编译器，生成不同的结果，而且会使用“宏”等方式，在代码里写出有平台针对性的代码。
有了统一的运行时，也可以让多语言互操作更为容易，如果没有JVM或CLR，就很难像现在这么轻松地在Scala/Java/Jython/JRuby，或是C#/F#/IronPython/IronRuby，甚至是未来的语言之间进行直接地互操作，更难做到“无缝集成”了。在合适的场景下选用合适的语言，是提高生产力的重要手段。如果没有JVM平台，就很难使用Scala来代替Java这样的劣质语言，而现在Scala便能够保证充分利用Java平台上类库等积淀。
有了“多语言”，那么便会引出虚拟机的另一个作用：让语言实现者和虚拟机实现者的工作可以分离开来，各自优化。虚拟机的实现者可以尽力优化虚拟机的各种表现，为虚拟机加入各种优化措施，而无需让虚拟机的上层语言分别调整。例如JVM性能提高之后，Scala、Java、Jython、JRuby等语言的性能都可以提高，否则各种语言分别优化的代价太高了（当然某些情况还是需要特殊对待的）。要说这方面的实例，在.NET平台上有个开源的组件DLR（动态语言运行时），是在CLR上提供编写动态语言的统一辅助类库。以前它有个缺点，便是启动速度比较慢，因为动态代码的JIT耗时较长，而动态语言的很多场景是“即用即抛”的。后来，DLR增加了一个优化策略，便是一开始直接对抽象语法树直接解释执行，而执行多次之后才使用后台线程将代码JIT成原生代码。有了如此改进，基于DLR的动态语言，如IronRuby和IronPython的启动速度都提高了。
虚拟机/运行时本身可以做的优化也很多，如果真觉得性能不够，那么完全可以在运行前在本地编译成native code，这和直接从源代码变成native code从结果上看没什么区别。但是现实是，很少有人去这么做，因为这么做往往只是节省了JIT的开销，对性能提高效果不大。在不同环境中，此外还有各种优化，比如使用解释执行，而不是JIT以次节省内存消耗，或是在运行时回收JIT的代码（印象中在.NET Compact Framework里有这样的策略，求详情），或是在运行时根据代码逻辑进行二次编译。下面会谈一个例子。另一种典型的优化，一直在研究却还没有真正实现的，虚拟机便是“自动并行”。关于这点，Anders在上次的演讲中多次提到过，要实现这点还需要有各种支持，如声明式编程，提供“无副作用”标记，甚至在语言级别的支持等等。
之前那位朋友提到，C/C++已经明确不与后进语言比生产力了，后进语言也没办法和它们比较性能。对这个观点我持保留意见，因为基于虚拟机的做法，其优化空间还有很多，理论上也可以做到更为彻底，在许多情况下性能完全有超越静态编译语言的可能。这是许多人的看法，而事实也是如此，在某些场景下Java的性能也已经超过了C++。如回到上面的二次编译优化，对于性能优化也大有好处。举一个简单的例子，面向对象语言会出现很多虚方法调用（尤其是在符合一些关于设计的最佳实践时，如“基于抽象编程”），调用需方法需要查方法表找方法入口，最普通的做法就是必须每次根据对象的实际类型查找方法表，找到地址，然后调用。伪代码如下：
根据实际类型找到函数入口 调用
但是在实际执行过程中，可能有某个特定类型出现的次数特别多，甚至完全只会出现一种具体类型的实例（抽象只是为了扩展性或是单元测试等等），但因为虚方法的调用语义，我们就无法对这次调用进行内联优化等等。不过在托管的运行时中，如果发现某个特性类型出现次数特别多，则还是可能将那个类型的方法内联进来，然后只在“不是那个实例”的情况下才去查找方法入口。伪代码就是：
if (对象为不是类型A) then
根据实际类型找到函数入口
调用
else
执行内联后的类型A的代码
end
类似这种的优化不是空中楼阁，它们在HotSpot（即SunOracle的JVM）是确切实现的。Hotspot的JIT，尤其是加上-server开关时，它的优化会变得十分激进，而CLR的JIT与它相比就像是静态编译器了。C++在科学运算中性能高，往往是靠大量的inline和精细资源控制，但是这说实话都还是静态的“手动优化”，如果比实际工程的真实运行情况，比如上面说的虚方法跳转，还真不见得C++可以超过托管代码。虚拟机做的则是动态优化，对于长期执行的代码甚至可能执行的越来越高效，还能够针对环境改变作出调整。总而言之，托管代码可以运用的优化策略实在太多了。随着技术发展，托管代码的速度可以进一步提高，而静态编译代码的空间就小得多了。
对此Milo Yip老大做过一些补充，他指出这方面不同的C++ compiler有不同優化方法，例如VC2008開始有的Profile-Guided Optimizations：
Virtual Call Speculation - If a virtual call, or other call through a function pointer, frequently targets a certain function, a profile-guided optimization can insert a conditionally-executed direct call to the frequently-targeted function, and the direct call can be inlined.
我简单地思考了一下，从理论上说，各种优化策略都可以通过静态编译的方式写入原生代码，因此JIT能做的事情，native code理论上都能做。不过，这就意味着要在每个程序中带上“负责优化”的代码，而不光是程序的“功能代码”。用虚拟机，就意味着所有的程序都共享了虚拟机的这么一套优化机制。如果虚拟机的优化手段改进了，那么所有基于虚拟机的程序都能获利，而静态编译的程序，往往只能靠“重新编译”来得到优化了。
此外，对于面向对象语言来说，虚函数是很常见的，虚函数之间各种组合调用，分支、路径也特别多，到处都可能使用虚函数。我“猜想”，像VC这样的编译器，为每个虚函数调用之处都提供了基于profiling的内联优化是不太现实的。而且，为每个虚函数调用的地方都提供“内联”和“不内联”两种版本也不太可能。而基于虚拟机的话，它就可以动态的进行各种优化，每段JIT后的代码都可以回收再动态生成，这种优化是静态编译难以比拟的。
诚然，就目前来说，就性能方面，许多情况下还是静态编译配合手动细节优化可能获得更好的效率，但利用托管运行时获得的好处也是非常可观的，而且我也一直没有遇到过这方面的效率问题。同时，我认为托管运行时的愿景也十分现实可靠，因此就我看来，托管代码是未来趋势，除了越来越小的特定领域，越来越多的程序和语言会构建于托管平台上。事实上，正因为上面这些好处（例如独立优化），越来越多的语言也开始加入虚拟机这样的策略了。例如Rubinius，PyPy等新的Ruby和Python语言实现，其实都是有个虚拟机这样的机制存在。
最后我再多说一句：我并不是说追求性能的做法不对，我也从来不会说追求性能本身没有意义。但是我不同意说“考察托管语言性能”没有意义，更是完全不同意说托管代码虚拟机“本身意义就不大”，“完全是大公司在推动”，或是“政治因素”云云。技术就是技术，这些技术上投入了无数天才的精力和创意，这不是什么“政治”之类说法就能带过的。
沙发？
其实我同样很支持托管运行，指针我真的受不了……
当年搞OI的时候就被指针弄得晕头转向