WebAssembly与RISC-V 指令集架构的对比

WebAssembly 与 RISC-V 都是近十年内新出现的指令集架构。摘录一段 WebAssembly 官方网站的介绍：

WebAssembly (abbreviatedWasm) is a binary instruction format for a stack-based virtual machine. Wasm is designed as a portable target for compilation of high-level languages like C/C++/Rust, enabling deployment on the web for client and server applications.

WebAssembly （简写为 Wasm）是一种栈虚拟机的二进制指令格式。Wasm 被设计为 C/C++/Rust 等高级语言的可移植编译目标，从而允许客户端和服务器应用程序部署在 Web 上。

和 RISC-V 的官方介绍：

RISC-V is a free and open ISA enabling a new era of processor innovation through open standard collaboration. Born in academia and research, RISC-V ISA delivers a new level of free, extensible software and hardware freedom on architecture, paving the way for the next 50 years of computing design and innovation.

RISC-V 是一种自由、开放的指令集架构，通过开放标准协作使新的处理器创新成为可能。RISC-V 来自学术研究，提供了更加自由、可扩展的软硬件架构，为未来 50 年的计算技术设计与创新铺平道路。

这两种指令集架构看起来很不一样。WebAssembly 的目标平台主要是 JIT 编译器（以及浏览器）；而 RISC-V 则专为硬件设计，其目标之一即是在 FPGA 和电路上的高效实现。WebAssembly 与 RISC-V 的关系似乎类似于早期的 Java 与 x86：一种字节码格式，和一个硬件指令集。它们有什么关系呢？

其实字节码格式与硬件指令集的分界线并不是非常清晰。例如在 x86 指令集的早期实现中，指令经过一层解码直接被分发到执行电路去执行。但近年的 Intel/AMD CPU 采用了不同的执行策略：每条 x86 指令首先被翻译为某种内部 RISC 指令，执行组件收到的指令其实已经是翻译后的 RISC 编码格式。这实际上相当于从 x86 到内部 RISC 指令集的某种“硬件实时编译”过程。同时，Java 与 WebAssembly 也有实验性的硬件实现，虽然它们还不能赶上 JIT 编译器在现代 CPU 上所能达到的效率。

我们已经可以看到 RISC-V 指令集被用于区块链的智能合约，而 WebAssembly 此前几乎是原生语言智能合约的唯一选择。

在这里我们对 WebAssembly 与 RISC-V 做一个比较。

1. 代码/数据分离

包括 RISC-V 在内的大多数现代架构对代码和数据使用同一个地址空间，但是 WebAssembly 没有这样做。实际上，运行中的代码甚至没有办法读/写它自己。这个设计的原因可能是：

简化 JIT 编译器的实现。如果代码可以自我修改，那么 JIT 编译器则需要有检测修改和重新生成目标代码的能力，而这需要相当复杂的实现机制。

WebAssembly 假设了一个功能完善的运行环境。运行环境会处理链接、重定位等准备工作，程序不需要关心怎样把它自己运行起来。

安全。能够动态生成和修改的代码是个很危险的攻击点。

2. 静态类型与控制流约束

WebAssembly 具有很强的“结构性”。其标准要求所有函数调用、循环、跳转和值类型遵循特定的结构约束，例如向一个接受三个参数的函数传入两个参数、跳转到其他函数里的某个位置、在两个整数上执行浮点加操作等都会导致编译/验证失败。RISC-V 则不具有此类约束，指令的有效与否只取决于其自身的编码是否正确。

3. 机器模型

WebAssembly 是一种栈机指令集，而 RISC-V 是一种寄存器机指令集。

在 WebAssembly 中，每条指令语义上会从值栈上弹出它的操作数，然后将结果推入值栈。然而与 Java 等其他基于栈机的字节码格式不同的是，程序中任意指令处值栈的结构都可以被静态确定。这一设计有利于更好的编译优化。

在 RISC-V 中，每条指令的编码包含 0 - 3 个寄存器编号。其中与是输入寄存器，是输出寄存器。除内存访问、特权指令等特殊类型指令外，每条指令只从输入寄存器中读取数据，在输出寄存器中存放结果。

4. 内存管理

虽然 WebAssembly 与 RISC-V 都定义了一个无类型的、字节可寻址的内存，它们之间还是有一些细节上的区别。WebAssembly 的内存等同于一个大数组：有效地址从 0 开始，连续扩展到某个由程序定义初值、可增长的上限。而 RISC-V 则使用了虚拟内存，用页表将地址映射到物理内存。

内存布局

WebAssembly 的内存设计虽然简洁且易于实现，但存在一些问题：

地址 0 是有效的，这会导致一些程序在解引用空指针时的行为与预期不同。

无法建立不映射到任何物理地址的“无效”地址区间，因此无法实现多线程环境下的栈保护页 (guard page) 。

5. 同步机制

图灵完备的计算机器需要至少一条条件分支指令。同样，支持多线程同步的指令集架构需要至少一条“原子条件分支”指令。这类指令在 WebAssembly 下是，在 RISC-V 下是，分别对应 CAS 模型和 LL/SC 模型。

LL/SC 的语义比 CAS 更强。CAS 存在难以解决的 ABA 问题，但 LL/SC 不受影响。这也意味着在 CAS 架构上模拟 LL/SC 比反过来要困难很多。