Қолданбаларды виртуализациялау және виртуалды машиналар түрлері

Кіріспе

Қолданбалық виртуалды бағдарламалық қамтамасыз ету – бұл қолданбалық виртуалды машиналар мен оларды іске асыруға жауапты бағдарламалық қамтамасыз етуді қамтиды. Қолданбалық виртуалды машиналар көбінесе әртүрлі компьютерлік архитектуралар мен операциялық жүйелерде қолданбаның байт-кодын портативті түрде іске қосу үшін пайдаланылады. Қолданба әдетте интерпретатор немесе уақытында компиляциялау (JIT) арқылы компьютерде орындалады. Кез келген виртуалды машинаның әр түрлі функцияларды қамтитын бірнеше іске асырылу нұсқалары болуы мүмкін.

Виртуалды машиналарды салыстыру

JavaScript машиналары қосылмаған. Оларды табу үшін ECMAScript қозғалтқыштарының тізімін қараңыз. Бұл кестеде виртуалды машиналардың дизайны тиімді болуы тиіс элементтер жинақталған, кез келген іске асырылған мүмкіндіктердің тізімі емес. Виртуалды машинаМашина моделіЖеке сақтауды басқаруКодты қорғауТәржімешіJITAOБірлескен кітапханаларЖалпы тілдік нысандық модельДинамикалық жазу Android Runtime (ART) автоматты тіркеліміЖалпы тілдік Runtime (CLR) стегі автоматты немесе қолмен Dis (Inferno) автоматты тіркелімі DotGNU портативті. NET стек автоматты немесе қолмен Java виртуалды машинасы (JVM) стек автоматты ✔ JikesRVM стек автоматты LLVM тіркелімі қолмен Mono стек автоматты немесе қолмен Parrot тіркелімі автоматты Dalvik тіркелімі автоматты Squeak стек автоматты BEAM (Erlang) тіркелімі автоматты MoarVM тіркелімі автоматты

Виртуалды машина нұсқаулары есептеудің негізгі моделі арқылы жергілікті айнымалыларда деректерді өңдеу, әдетте стек машинасы, тіркелім машинасы немесе кездейсоқ қолжетімділік машинасы, көбінесе жады машинасы деп аталады. Бұл үш әдісті қолдануды виртуалды машиналар мен физикалық машиналар арасындағы әртүрлі сауда-саттық, мысалы, түсіндірудің, құрастырудың және қауіпсіздікті тексерудің оңайлығы ынталандырады. Бұл портативті виртуалды машиналарда жадты басқару физикалық машиналарға қарағанда абстракцияның жоғары деңгейінде қарастырылады. Кейбір виртуалды машиналар, мысалы танымал Java виртуалды машиналары (JVM), адрестермен айналысады, яғни виртуалды машинаға сілтемелерді іздеуге мүмкіндік беру арқылы қауіпсіз автоматты жад басқаруды талап етеді және машинаның нұсқауларын жадқа сілтемелерді қолмен құрастырудан бас тартады. LLVM сияқты басқа виртуалды машиналар дәстүрлі физикалық машиналарға көбірек ұқсайды, олар сілтемелермен тікелей пайдалану мен манипуляциялауға мүмкіндік береді. Common Intermediate Language (CIL) ортада гибридті ұсынады, бұл жадты бақылауға мүмкіндік береді (JVM сияқты, ол қауіпсіз автоматты жадты басқаруға мүмкіндік береді), сонымен қатар типтік шекараларды және рұқсаттарды бұза алатын тікелей сілтемелерді манипуляциялауға мүмкіндік беретін "қауіпсіз" режимге мүмкіндік береді. Код қауіпсіздігі, әдетте, портативті виртуалды машинаның кодты орындауға қабілеттілігін білдіреді, бірақ оған тек белгіленген мүмкіндіктер жиынтығын ұсынады. Мысалы, виртуалды машина кодқа белгілі бір функцияларға немесе деректерге қол жеткізуге ғана рұқсат беруі мүмкін. Жадты автоматты басқаруды мүмкін ететін және виртуалды машинаға типіне сенімді деректерге қол жеткізуді қамтамасыз етуге мүмкіндік беретін сілтемелердегі бірдей бақылаулар кодтың фрагментінің тек жадтың белгілі бір элементтеріне ғана рұқсат етілуін және виртуалды машинаның өзін айналып өтуін қамтамасыз ету үшін қолданылады. Басқа қауіпсіздік тетіктері кодты тексерушілер, стек тексерушілер және басқа әдістер ретінде үстінен орналасады. Интерпретатор виртуалды нұсқаулардан жасалған бағдарламаларды жүктеуге және жергілікті машина нұсқауларына құнсыз компиляциясыз дереу орындауға мүмкіндік береді. Орындауға болатын кез келген виртуалды машинаны түсіндіруге болады, сондықтан бағанның аталуы мұнда жоба тиімді түсіндіруге арналған ережелерді қамтиды ма дегенді білдіреді (жалпы пайдалану үшін). Тек уақытында компиляция (JIT) - бағдарламаны орындау алдында немесе оның ішінде, мүмкіндігінше соңғы уақытта, жергілікті нұсқауларға компиляциялау әдісі. JIT-тің қиындықтары виртуалды машиналарды жобалауға қарағанда, оны іске асыруда көбірек, алайда қазіргі заманғы жобалар тиімділікке көмектесу үшін қарастыруға бастады. Ең қарапайым JIT әдістері тек офлайн компиляторға ұқсас код фрагментіне компиляцияланады. Алайда, көбінесе күрделі әдістер қолданылады, олар құрастырылған кодты фрагменттерді тек орындалу кезінде белгілі параметрлерге мамандандырады (Адаптивті оптимизацияны қараңыз). Уақыт алдында компиляция (AOT) - бағдарламаны орындау кезінде өзгермейтін жергілікті нұсқаулар жиынтығын жасау үшін прекомпиляторды пайдаланудың классикалық әдісіне қатысты. Агрессивті компиляция мен оптимизациялау уақытты талап ететіндіктен, алдын ала компиляцияланған бағдарлама орындалуы үшін тек JIT-ке сүйенетін бағдарламаға қарағанда жылдам іске қосылуы мүмкін. JVM-ді іске асыру JIT-пен туынды код фрагменттері шығарылғанға дейін іске қосу уақытын жылдамдату үшін бастапқы түсіндіру арқылы осы іске қосу шығынын азайтты. Ортақ кітапханалар - бірнеше орындалып жатқан бағдарламалар арасында жергілікті код сегменттерін қайта пайдалану мүмкіндігі. Қазіргі заманғы операциялық жүйелерде бұл әдетте ортақ кітапхананы қамтитын жад беттерін әртүрлі процестер арасында бөлісуді білдіреді, олар жадты қорғау арқылы бір-бірінен қорғалған. Жылдам JIT әдістері, мысалы адаптивті оптимизация, көбінесе процестер арасында немесе бағдарламаның тізбектелген орындалуларында бөлісуге жарамсыз код фрагменттерін тудырады, сондықтан алдын ала компиляцияланған және бөлісетін кодтың тиімділігі мен адаптивті мамандандырылған кодтың артықшылықтары арасында таңдау жасау қажет. Мысалы, CIL дизайнының бірнеше ережелері тиімді ортақ кітапханаларды қамтамасыз етуге арналған, мүмкін, JIT кодын одан да мамандандыру есебінен. OS X-тегі JVM Java Shared Archive-ты ортақ кітапханалардың кейбір артықшылықтарын ұсыну үшін пайдаланады.

Virtual machine instructions process data in local variables using a main model of computation, typically that of a stack machine, register machine, or random access machine often called the memory machine. Use of these three methods is motivated by different tradeoffs in virtual machines vs physical machines, such as ease of interpreting, compiling, and verifying for security. Memory management in these portable virtual machines is addressed at a higher level of abstraction than in physical machines. Some virtual machines, such as the popular Java virtual machines (JVM), are involved with addresses in such a way as to require safe automatic memory management by allowing the virtual machine to trace pointer references, and disallow machine instructions from manually constructing pointers to memory. Other virtual machines, such as LLVM, are more like traditional physical machines, allowing direct use and manipulation of pointers. Common Intermediate Language (CIL) offers a hybrid in between, allowing both controlled use of memory (like the JVM, which allows safe automatic memory management), while also allowing an 'unsafe' mode that allows direct pointer manipulation in ways that can violate type boundaries and permission. Code security generally refers to the ability of the portable virtual machine to run code while offering it only a prescribed set of abilities. For example, the virtual machine might only allow the code access to a certain set of functions or data. The same controls over pointers which make automatic memory management possible and allow the virtual machine to ensure typesafe data access are used to assure that a code fragment is only allowed to certain elements of memory and cannot bypass the virtual machine itself. Other security mechanisms are then layered on top as code verifiers, stack verifiers, and other methods. An interpreter allows programs made of virtual instructions to be loaded and run immediately without a potentially costly compile into native machine instructions. Any virtual machine which can be run can be interpreted, so the column designation here refers to whether the design includes provisions for efficient interpreting (for common usage). Just in time compilation (JIT), refers to a method of compiling to native instructions at the latest possible time, usually immediately before or during the running of the program. The challenge of JIT is more one of implementation than of virtual machine design, however, modern designs have begun to make considerations to help efficiency. The simplest JIT methods simply compile to a code fragment similar to an offline compiler. However, more complex methods are often employed, which specialize compiled code fragments to parameters known only at runtime (see Adaptive optimization). Ahead of time compilation (AOT) refers to the more classic method of using a precompiler to generate a set of native instructions which do not change during the runtime of the program. Because aggressive compiling and optimizing can take time, a precompiled program may launch faster than one which relies on JIT alone for execution. JVM implementations have mitigated this startup cost by initial interpreting to speed launch times, until native code fragments can be generated by JIT. Shared libraries are a facility to reuse segments of native code across multiple running programs. In modern operating systems, this generally means using virtual memory to share the memory pages containing a shared library across different processes which are protected from each other via memory protection. It is interesting that aggressive JIT methods such as adaptive optimization often produce code fragments unsuitable for sharing across processes or successive runs of the program, requiring a tradeoff be made between the efficiencies of precompiled and shared code and the advantages of adaptively specialized code. For example, several design provisions of CIL are present to allow for efficient shared libraries, possibly at the cost of more specialized JIT code. The JVM implementation on OS X uses a Java Shared Archive to provide some of the benefits of shared libraries.

Виртуалды машинаның қолданбалық іске асырылуын салыстыру

Жоғарыда сипатталған портативті виртуалды машиналардан басқа, виртуалды машиналар көбінесе интерпретатор арқылы жеке скрипт тілдерінің орындалу моделі ретінде қолданылады. Бұл кестеде жоғарыда аталған портативті виртуалды машиналардың және скрипт тілдерінің виртуалды машиналарын тізімделеді. Виртуалды машиналар Тілдері Түсініктемелер Интерпретатор JIT Іске асыру тілі SLoC Жалпы тілдің орындалу уақыты (CLR) C#, C++/CLI, F#, VB. NET байт-коды CIL; NET Core Runtime GitHub-та C#, C++ Adobe Flash Player (Tamarin) ActionScript, SWF (файл пішімі) интерактивті веб-авторлық құралы. Байт-коды "ActionScript Byte Code (.abc)" деп аталады. C++ 135к (бастапқыда шығарылды) Dis (Inferno) Limbo Dis Виртуалды машинаның ерекшелігі C 15к + 2850 JIT архитектурасына + 500 хост ОС DotGNU Портативті .NET CLI тілдері: C# Common Language Runtime клоны C, C# Forth Forth мүмкіндіктері оңайлатылған, әдетте құрастырушы, компилятор, мәтін және бинарлық деңгейдегі интерпретаторларды, кейде редактор, жөндеуші және операциялық жүйені қамтиды. Компиляция жылдамдығы >20 SKLOC/с және JIT сияқты жұмыс істейді. Forth, Forth Assembler 2.8к-тан 5.6к-қа дейін; озық, кәсіби іске асырулар кішірек. Glulx Inform 6, Inform 7, басқалары Әртүрлі іске асырулар бар HHVM PHP, Hack Hack және PHP тілінде жазылған бағдарламаларды орындауға арналған ашық кодты виртуалды машина. C++, OCaml Icon Icon Бастапқы код интерпретаторды және C тіліне қолдаусыз компиляцияны ұсынады. Компилятор мен интерпретатор арасында ортақ пайдаланылатын орындалу коды C тілінің RTT деп аталатын нұсқасында жазылған. C, RTT (Icon үшін негізгі кодпен бірге берілген C тіліне арналған интерфейс). ~180к (байткодтың көзі: ~11к, байткод интерпретаторы: ~46к, iconc: ~23к, жалпы/заголовоктар: ~13к, rtt: ~15к) JVM Java, Kotlin, Jython, Groovy, JRuby, C, C++, Clojure, Scala және басқалар; Sun-ның анықтамалық іске асыруы; OpenJDK: GPL лицензиясымен код; IcedTea: GPL лицензиясымен код және құралдар; OpenJDK & IcedTea тұрақты JIT-мен: Java, C, C++, ASM; IcedTea "Zero" JIT-мен: Java, C, C++ JVM шамамен 6500к жол; TCK шамамен 80к тест және шамамен 1000к LLVM жолдар; C, C++, Kotlin, Objective-C, Swift, Ada, Fortran және Rust MSIL, C және C++ шығарулары қолдалады. ActionScript байт-кодын шығаруды Adobe Alchemy қолдайды. Байт-коды "LLVM Bytecode (.bc)" деп аталады. Ассемблер "LLVM Assembly Language (*.ll)" деп аталады. C++ 811к Lua Lua LuaJIT C 13к + 7к LuaJIT MMIX MMIXAL Mono CLI тілдері, соның ішінде: C#, VB.NET, IronPython, IronRuby және басқалар Common Language Runtime клоны C#, C 2332к NekoVM қазіргі уақытта Neko және Haxe x86 ғана C 46к Oz Oz, Alice O код машинасы BCPL p код машинасы Pascal UCSD Pascal, 70-жылдардың соңында, соның ішінде Apple II ассамблерінде кеңінен таралған, Pascal Parrot Perl 5, Raku, NQP rx, PIR, PASM, PBC, BASIC, bc, C99, ECMAScript, Lisp, Lua, m4, Tcl, WMLScript, XML және басқалар C, Perl 111к C, 240к Perl Perl виртуалды машинасы Perl op код ағашы C, Perl 175к C, 9к Perl CPython Python Psyco, Unladen Swallow C 387к C, 368к Python, 10к ASM, 31к Psyco PyPy Python Өзін-өзі орындалатын Python, Psyco-ның келесі буыны Python Rubinius Ruby Ruby үшін тағы бір іске асыру C++, Ruby Silverlight C#, VB.NET Microsoft .NET Framework-тің шағын нұсқасы, бағдарламаларды браузердегі қауіпсіз ортада орындауға мүмкіндік береді C++ 7МБ (бастапқыда шығарылды) ScummVM Scumm Компьютерлік ойын қозғалтқышы SECD ISWIM, Lispkit Lisp Squirrel Squirrel Squirrel JIT C++ 12к Smalltalk Smalltalk SQLite SQLite опкодтары Виртуалды деректер базасы қозғалтқышы Squeak Squeak Smalltalk Squeak виртуалды машинасының өзін-өзі орындалуы. Бай мультимедиалық қолдау. Smalltalk/Slang 110к Smalltalk, ~300к CSWI PrologProlog: SWI Prolog, YAP C, SWI Prolog TraceMonkey JavaScript Tamarin негізінде C++ 173к TrueType TrueType Шрифттерді көрсету қозғалтқышы C (әдетте) Valgrind x86/x86 64 бинарлары Linux жүйесінде жадқа кіруді және ақауларды тексеру C 467к VisualWorks Smalltalk C Vx32 виртуалды машинасы x86 бинарлары Жергілікті код үшін қолданба деңгейіндегі виртуализация Waba кішкентай құрылғылар үшін виртуалды машина, Java-ға ұқсас Yet Another Ruby VM (YARV) Ruby Ruby 1.9 және одан жаңа нұсқалары үшін анықтамалық іске асыру Z машина Z Код Zend Engine PHP C 75к.

In addition to the portable virtual machines described above, virtual machines are often used as an execution model for individual scripting languages, usually by an interpreter. This table lists specific virtual machine implementations, both of the above portable virtual machines, and of scripting language virtual machines. Virtual machine Languages Comments Interpreter JIT Implementation language SLoC Common Language Runtime (CLR) C#, C++/CLI, F#, VB. NET bytecode is CIL; NET Core Runtime on GitHub C#, C++ Adobe Flash Player (aka Tamarin) ActionScript, SWF (file format) interactive web authoring tool. bytecode is named "ActionScript Byte Code (. abc)" C++ 135k (initially released) Dis (Inferno) Limbo Dis Virtual Machine Specification C 15k + 2850 per JIT arch + 500 per host OS DotGNU Portable. NET CLI languages including: C# Common Language Runtime clone C, C# Forth Forth Features are simplified, usually include assembler, compiler, text level and binary level interpreters, sometimes editor, debugger and OS. Compiling speeds are >20 SKLOC/S and behave much like JIT. Forth, Forth Assembler 2.8K to 5.6K; advanced, professional implementations are smaller. Glulx Inform 6, Inform 7, others Various implementations exist HHVM PHP, Hack Is an open source virtual machine designed for executing programs written in Hack and PHP. C++, OCaml Icon Icon Base source code provides both the interpreter as well as an unsupported compile to C version. The runtime code, that is shared between the compiler and the interpreter, is written in a variant of C called RTT. C, RTT (a custom front end to C, provided with the base source for Icon). ~180k total. (source to bytecode: ~11k, bytecode interpreter: ~46k, iconc: ~23k, common/headers: ~13k, rtt: ~15k) JVM Java, Kotlin, Jython, Groovy, JRuby, C, C++, Clojure, Scala and several others Reference implementation by Sun ; OpenJDK: code under GPL ; IcedTea: code and tools under GPL JDK, OpenJDK & IcedTea with regular JIT : Java, C, C++, ASM ; IcedTea with the "Zero" JIT : Java, C, C++ JVM is around 6500k lines; TCK is 80k tests and around 1000k lines LLVM C, C++, Kotlin, Objective C, Swift, Ada, Fortran, and Rust MSIL, C and C++ output are supported. ActionScript Byte Code output is supported by Adobe Alchemy. bytecode is named "LLVM Bytecode (. bc)". assembly is named "LLVM Assembly Language (*. ll)". C++ 811k Lua Lua LuaJIT C 13k + 7k LuaJIT MMIX MMIXAL Mono CLI languages including: C#, VB. NET, IronPython, IronRuby, and others Common Language Runtime clone C#, C 2332k NekoVM currently Neko and Haxe x86 only C 46k Oz Oz, Alice O code machine BCPL p code machine Pascal UCSD Pascal, widespread in late 70s including Apple IIassembly, Pascal Parrot Perl 5, Raku, NQP rx, PIR, PASM, PBC, BASIC, bc, C99, ECMAScript, Lisp, Lua, m4, Tcl, WMLScript, XML, and others C, Perl 111k C, 240k Perl Perl virtual machine Perl op code tree walker C, Perl 175k C, 9k Perl CPython Python Psyco, Unladen Swallow C 387k C, 368k Python, 10k ASM, 31k Psyco PyPy Python Self hosting implementation of Python, next generation of Psyco Python Rubinius Ruby Virtual machine for another Ruby implementation C++, Ruby Silverlight C#, VB. NET A Micro version of Microsoft NET Framework to let applications run sandboxed inside browser C++ 7MB (initially released) ScummVM Scumm Computer game engine SECD ISWIM, Lispkit Lisp Squirrel Squirrel Squirrel JIT C++ 12k Smalltalk Smalltalk SQLite SQLite opcodes Virtual database engine Squeak Squeak Smalltalk Self hosting implementation of Squeak virtual machine. Rich multi media support. Smalltalk/Slang 110k Smalltalk, ~300K CSWI PrologProlog: SWI Prolog, YAP C, SWI Prolog TraceMonkey JavaScript Based on Tamarin C++ 173k TrueType TrueType Font rendering engine C (typically) Valgrind x86/x86 64 binaries Checking of memory accesses and leaks under Linux C 467k VisualWorks Smalltalk C Vx32 virtual machine x86 binaries Application level virtualization for native code Waba Virtual machine for small devices, similar to Java Yet Another Ruby VM (YARV) Ruby Virtual machine of the reference implementation for Ruby 1.9 and newer versionsC Z machine Z Code Zend Engine PHP C 75k