資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：于是我們想為什么不使用符合虛擬機當前系統(tǒng)架構(gòu)的真實指令集來構(gòu)建自己的虛擬機這樣一來，我們不會丟失任何添加靜態(tài)驗證高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或是加密算法的可能性，并且無論我們在中提供怎樣的數(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（CKB-VM）是基于 RISC-V 打造的區(qū)塊鏈虛擬機。在前兩期中，我們介紹了 CKB 虛擬機的設(shè)計理念，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x擇基于真實 CPU 指令集來構(gòu)建 CKB-VM 呢？在本篇文章中，CKB-VM 設(shè)計者將和我們繼續(xù)討論 CKB-VM 的設(shè)計靈感、設(shè)計以及基于真實 CPU 指令集來構(gòu)建 CKB-VM 的額外優(yōu)勢。
秘猿科技區(qū)塊鏈小課堂第 24 期
在設(shè)計 CKB-VM 之前，我們發(fā)現(xiàn)很多區(qū)塊鏈項目并不是用真實的 CPU 指令集來構(gòu)造自己的虛擬機。我們熟知的以太坊下一代虛擬機 EWASM、EOS 以及 Dfinity 等都選擇了 WASM（WebAssembly，一種編碼格式）來構(gòu)造自己的虛擬機。我們也完全可以設(shè)計出一個具有高級語言特性的 VM，比如可以用于靜態(tài)驗證，或是可以直接支持高級數(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)，雖然帶有高級語言特性的虛擬機能夠提供更多的便利，比如能夠支持語法各異的編程語言，但同時也會出現(xiàn)其他一些問題：任何復雜的、帶有高級語言功能的 VM，無論多么靈活，都不可避免的會在設(shè)計層面引入一些語義約束，出于性能的原因，不同的語言在底層幾乎需要共享相同的語義（帶有高級語言特性的虛擬機需要綁定密碼學原語，若未來現(xiàn)有的原語被攻破，或者需要更換一套密碼學原語時，需要通過分叉來實現(xiàn)）。這樣一來， VM 自身的靈活性就會受到限制，這和 CKB 作為加密經(jīng)濟底層基礎(chǔ)設(shè)施的愿景并不相符。
與此同時，一個帶有高級語言功能的 VM 通常會包含某些高級的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法，這樣任何在 VM 中嵌入的高級數(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，我們無法預設(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，隨著時間的推移，甚至會成為負擔。
另外我們還發(fā)現(xiàn)，所有的區(qū)塊鏈項目都要在馮·諾伊曼 CPU 架構(gòu)（x86，x86_64，ARM 等架構(gòu)）下才能運行，并且所有高級的 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）看上去可以有無限量的內(nèi)存，但是其內(nèi)部實現(xiàn)依然需要依靠一個十分復雜的垃圾回收算法，才能在有限的內(nèi)存空間中模擬出無限的內(nèi)存空間。
類似的，Haskell （一種標準化的，通用的純函數(shù)編程語言）或是 Idris（一個通用的依賴類型純函數(shù)式編程語言） 可能具有先進的靜態(tài)類型檢查模式（在某種程度上）來證明軟件運行的正確性，但在完成類型檢查之后，還是需要通過一個翻譯層把靜態(tài)驗證后的代碼轉(zhuǎn)換成未驗證的原生 x86_64 匯編指令。
這里的關(guān)鍵在于無論我們?nèi)绾卧O(shè)計 VM，都沒有辦法太過偏離當前的體系結(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執(zhí)行。
于是我們想： 為什么不使用符合 CKB 虛擬機當前系統(tǒng)架構(gòu)的真實 CPU 指令集來構(gòu)建自己的虛擬機？
這樣一來，我們不會丟失任何添加靜態(tài)驗證、高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、或是加密算法的可能性，并且無論我們在 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。
額外的優(yōu)勢除了 靈活性 之外，基于真實 CPU 指令集的 VM 還有其它額外的優(yōu)勢：
穩(wěn)定性
為硬件設(shè)計的 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現(xiàn)的 VM 指令集相比，硬件指令集顯得非常穩(wěn)定。這個屬性與 Layer 1 區(qū)塊鏈 VM 的訴求非常契合，因為穩(wěn)定的指令集意味著較少的硬分叉，且不會犧牲靈活性。
運行期透明性
物理 CPU 在運行時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，我們可以在程序執(zhí)行期間根據(jù) VM 中的堆棧指針來獲取堆棧空間的使用情況，從而最大限度地提高運行時狀態(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)需要擴大或縮小堆棧區(qū)域大小，從而提高 VM 的靈活性。當前 CPU 指令集還可以提供過去周期的計數(shù)，從而允許查詢 VM 的運行開銷狀態(tài)。
運行期開銷
具有真實 CPU 指令集的 VM 可以輕松管理運行期的開銷，每個指令執(zhí)行時所需的 cycle 數(shù)（不考慮流水線）是固定的。 我們可以根據(jù)真實 CPU 指令集的這個特性來設(shè)計 CKB-VM 運行時的開銷計算機制，這樣一來，當我們應(yīng)用新算法時，也可以準確地計算出所需的開銷。
但是，與通過操作碼或本機 VM 指令集實現(xiàn)加密算法的 VM 相比，使用真實 CPU 指令集存在一個關(guān)鍵的缺點： 性能 。
不過，根據(jù)研究和測試結(jié)果，我們可以通過適當?shù)膬?yōu)化和即時（Just-In-Time，JIT）編譯器實現(xiàn)來優(yōu)化基于真實 CPU 指令集在 VM 上運行的加密算法，從而滿足 CKB 應(yīng)用程序的需求。在處理即時性時，我們是基于底層指令集進行處理，而不是基于像 JavaScript 這樣的高級語言上處理，這樣會使得 VM 具備更低的工作負載和更好的性能。
Why Not WASM?也許有人會問：在區(qū)塊鏈社區(qū)對 WebAssembly 有著強烈興趣和廣泛關(guān)注的情況下， CKB 為什么不直接使用 WebAssembly 呢？
WebAssembly 是一個偉大的項目，并且我們非常希望它最后能夠成功。一個擁有廣泛支持的沙盒環(huán)境，對于整個區(qū)塊鏈行業(yè)，甚至整個軟件業(yè)來說都是件夢寐以求的事。從長遠來看，WebAssembly 也有潛力實現(xiàn) CKB 所需的大部分特性，但是它并不能提供我們在《CKB-VM 誕生記（一） 1》中提到的 RISC-V 能為 CKB-VM 帶來的所有好處，比如，目前 WebAssembly 還全都是 JIT 實現(xiàn)，缺少一個合理的運行期開銷計算模型。
另外，RISC-V 從 2010 年開始設(shè)計，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，相對來說，RISC-V 會比 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 的實現(xiàn)方式，而且很多設(shè)計和指令集十分相似， 我們完全有可能提供一個從 WebAssembly 到 RISC-V 的二進制轉(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 的語言（比如 Forest：https://github.com/forest-lan... ）。
社區(qū)驅(qū)動的 CKB-VM通過 CKB-VM 的設(shè)計，我們的目標是建立一個圍繞 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)的進步，并且可以最大限度地減少人工干預（例如硬分叉）。 我們相信 CKB-VM 可以實現(xiàn)這一愿景。
注： CKB-VM 與 CKB 一樣為開源項目，目前 CKB-VM 仍在開發(fā)過程中，盡管 CKB-VM 的大部分設(shè)計已經(jīng)敲定，但某些設(shè)計也可能會在將來，因為你的貢獻而有新的變動和推進。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啦！
CKB-VM：https://github.com/nervosnetw...
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摘要：在區(qū)塊鏈上，虛擬機就是智能合約的運行環(huán)境，是一個可以完全對外隔離的完整計算機體系。區(qū)塊鏈通過虛擬機來調(diào)用和執(zhí)行智能合約，并要求所有節(jié)點都達成一致。 秘猿科技使命是用技術(shù)創(chuàng)造信任，為價值網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)。為了實現(xiàn)這個使命，我們?nèi)陙韴猿殖跣?，步步為營打造加密經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)。我們想要讓互聯(lián)網(wǎng)回歸到本源，用區(qū)塊鏈技術(shù)，去構(gòu)造更美好的社會，因此我們設(shè)計了 CKB 底層公鏈。我們自己造輪子，開創(chuàng)...
摘要：在區(qū)塊鏈上，虛擬機就是智能合約的運行環(huán)境，是一個可以完全對外隔離的完整計算機體系。區(qū)塊鏈通過虛擬機來調(diào)用和執(zhí)行智能合約，并要求所有節(jié)點都達成一致。當區(qū)塊鏈遇見在很多科技領(lǐng)域都得到了運用，目前，也開始在區(qū)塊鏈領(lǐng)域逐漸的得以發(fā)展。 showImg(https://segmentfault.com/img/bVbsfi2?w=2779&h=1179); 區(qū)塊鏈的出現(xiàn)使得智能合約得到了更好的實...
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