关于WebAssembly作为栈机器的思考

Eli Bendersky 2026/04/30 02:28 新闻

webassembly stack-machine programming-languages forth virtual-machine compiler technical-analysis

摘要

这篇博客文章回应了关于WebAssembly不是纯栈机器的说法，通过讨论其带局部变量的设计并与Forth进行比较，论证它仍然符合栈机器的定义，并且其类似寄存器的局部变量提高了可读性和性能。

本周，文章<a class="reference external" href="https://purplesyringa.moe/blog/wasm-is-not-quite-a-stack-machine/">Wasm is not quite a stack machine</a>流传甚广，引起了我的注意。该文章称WASM不是纯栈机器，因为它有局部变量，并且缺少一些如<tt class="docutils literal">dup</tt>和<tt class="docutils literal">swap</tt>的栈操作指令。 虽然我并非不同意，但在我看来，这有点像是语义上的讨论——据我所知，栈机器并没有形式化的定义。例如，维基百科说： <blockquote> [...]，栈机器是一种计算机处理器或进程虚拟机，其主要交互是将短生命周期的临时值压入和弹出下推栈。</blockquote> WASM显然符合这个定义；其主要交互是通过栈进行的，尽管WASM还增加了无限的寄存器文件（局部变量）。更纯粹的栈机器如Forth仅限于栈和内存（指向内存的指针在栈上管理）；WASM也具有这些，此外还有寄存器。 说到Forth，提到<tt class="docutils literal">dup</tt>让我想起了自己用该语言编程的印象，这在我在<a class="reference external" href="https://eli.thegreenplace.net/2025/implementing-forth-in-go-and-c/">《用Go和C实现Forth》</a>一文中有所记录。那里我强调了Forth的以下基本库函数；它向内存中存储的值添加一个加数。 <div class="highlight"><pre>: +! ( addend addr -- ) tuck ( addr addend addr ) @ ( addr addend value-at-addr ) + ( addr updated-value ) swap ( updated-value addr ) ! ; </pre></div> 并感叹没有旁边的详细栈视图注释，这样的代码多么难以理解。 我发现推理以下WASM代码要简单得多： <div class="highlight"><pre>(func (export "add_to_byte") (param $addr i32) (param $delta i32) (i32.store8 (local.get $addr) (i32.add (i32.load8_u (local.get $addr)) (local.get $delta))) ) </pre></div> 你可能会说这是作弊，因为折叠的WASM指令提高了可读性，它们只是语法糖；好吧，这里是线性代码： <div class="highlight"><pre>local.get $addr local.get $addr i32.load8_u local.get $delta i32.add i32.store8 </pre></div> 它仍然非常可读，因为——虽然栈用于所有计算和实际命令——但部分数据存在于命名的“寄存器”中，而不是栈上。因此我们不需要那些tuck-swap的扭曲操作来把东西按正确顺序排列。 有人可能会担心重复的<tt class="docutils literal">local.get $addr</tt>；真正的<tt class="docutils literal">dup</tt>是否更好？嗯，从可读性角度来说，我们已经讨论过，并非如此。性能方面呢？由于栈虚拟机只是一个抽象，执行此代码的底层CPU无论如何都是寄存器机器，所以答案是不——这完全无关紧要。 现代编译器工程师是在C及其后继语言的烈火中锻造出来的；任意的控制流、任意的寄存器和内存访问，无所不有。编译器非常复杂。让我们看看<tt class="docutils literal">wasmtime</tt>如何将我们的<tt class="docutils literal">add_to_byte</tt>编译为本地代码（使用<tt class="docutils literal">wasmtime explore</tt>及其默认的<tt class="docutils literal">opt-level=2</tt>）；注释由我添加： <div class="highlight"><pre>// Prologue push rbp mov rbp, rsp // wasmtime's VM context pointer lives in rdi; 0x38 is likely its offset // to the default linear memory. Therefore, r10 will hold the base address // of the linear memory buffer mov r10, qword ptr [rdi + 0x38] // The first parameter ($addr) is in edx; since WASM values are i32, it's // zero-extended into the 64-bit r11 by copying into r11d mov r11d, edx // r10+r11 is memory[$addr]; this loads the current value into rsi // (zero-extending from 8 bits) movzx rsi, byte ptr [r10 + r11] // ecx is the first parameter ($delta); this adds the addend to the // current value add esi, ecx // Store cur_value+addend back into memory[$addr] mov byte <span class

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# 关于 WebAssembly 作为栈式机器的思考来源：https://eli.thegreenplace.net/2026/thoughts-on-webassembly-as-a-stack-machine 本周，文章《Wasm 并非纯粹的栈式机器》（https://purplesyringa.moe/blog/wasm-is-not-quite-a-stack-machine/）被广泛传播，引起了我的注意。该文声称 WASM 并非纯粹的栈式机器，因为它拥有局部变量，并且缺少一些像 `dup` 和 `swap` 这样的栈操作指令。虽然我并不完全反对，但恕我直言，这更像是一场语义上的讨论——因为据我所知，并没有关于什么是栈式机器的*正式*定义。例如，维基百科上这样说： > “[……]栈式机器是一种计算机处理器或进程虚拟机，其主要的交互方式是将短期存在的临时值压入和弹出下推栈。” WASM 确实符合这一定义；*主要*的交互通过栈进行，尽管 WASM 还通过无限寄存器文件（局部变量）进行了增强。更纯粹的栈式机器如 Forth，仅局限于栈和内存（内存中的指针由栈管理）；WASM 也拥有这些，外加寄存器。说到 Forth，文中提到的 `dup` 让我想起了自己在该语言中编程的体会，记录在我的文章《用 Go 和 C 实现 Forth》（https://eli.thegreenplace.net/2025/implementing-forth-in-go-and-c/）中。在那里，我强调了以下 Forth 的基本库函数；它将一个加数加到存储在内存中的值上。 ``` : +! ( addend addr -- ) tuck ( addr addend addr ) @ ( addr addend value-at-addr ) + ( addr updated-value ) swap ( updated-value addr ) ! ; ``` 并感叹若没有旁边详细的栈视图注释，理解这样的代码是多么困难。我发现下面这段 WASM 代码更容易理解： ``` (func (export "add_to_byte") (param $addr i32) (param $delta i32) (i32.store8 (local.get $addr) (i32.add (i32.load8_u (local.get $addr)) (local.get $delta))) ) ``` 你可能会说这是作弊，因为折叠的 WASM 指令提高了可读性，而它们只是语法糖；好吧，这是线性的代码： ``` local.get $addr local.get $addr i32.load8_u local.get $delta i32.add i32.store8 ``` 它仍然非常易读，因为——虽然栈用于所有计算和实际命令——但某些数据存在于命名的“寄存器”中，而不是栈上。所以我们不需要为了调整顺序而进行那些 `tuck-swap` 的复杂操作。有人可能会担心重复的 `local.get $addr`；难道一个真正的 `dup` 不是更好吗？嗯，从可读性角度来说，并不更好，正如我们已经讨论过的。那么性能呢？由于栈 VM 只是一个抽象，而执行这段代码的底层 CPU 本质上都是寄存器机器，答案是否定的——这根本无关紧要。现代编译器工程师是在 C 及其衍生语言的火炉中锻造出来的；任意的控制流、任意的寄存器和内存访问，一切皆有可能。编译器已经非常复杂了。让我们看看 `wasmtime` 是如何将我们的 `add_to_byte` 编译为本地代码的（使用 `wasmtime explore` 及其默认的 `opt-level=2`）；注释是我添加的： ``` // Prologue push rbp mov rbp, rsp // wasmtime 的 VM 上下文指针在 rdi 中；0x38 很可能是指向 // 默认线性内存的偏移量。因此，r10 将保存线性内存缓冲区的基址 mov r10, qword ptr [rdi + 0x38] // 第一个参数 ($addr) 在 edx 中；由于 WASM 值是 i32，它被 // 零扩展到 64 位的 r11 中（通过复制到 r11d） mov r11d, edx // r10+r11 是 memory[$addr]；这会将当前值加载到 rsi 中 // （从 8 位零扩展） movzx rsi, byte ptr [r10 + r11] // ecx 是第一个参数 ($delta)；这会将加数加到当前值上 add esi, ecx // 将 cur_value+addend 存回 memory[$addr] mov byte ptr [r10 + r11], sil // Epilogue mov rsp, rbp pop rbp ret ``` 这几乎就是为 C 语句 `mem[addr] += addend` 所期望生成的代码，或者如果手动编写 x86-64 汇编的话也是类似的。编译器毫不费力地发现，对同一个 WASM 局部变量的两次连续加载会产生相同的值，并且实际上不必重复加载。WASM 模型使得这一点相当容易，因为你不能为局部变量创建别名；只要没有中间写入同一个局部变量，多次读取就会产生相同的值（冗余加载消除）。 --- 如需评论，请发送[电子邮件](mailto:[email protected])给我。

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