Nibbly 十一月

前言

大家好。歡迎來到十一月。希望你一切都好。

我們剛度過超級忙碌的十月。我們才剛推出一項對社群解答的重大改進。 我們現在會將它們去重，所以類似的解答只會顯示一次；我們加入了新的排序選項、依程式碼搜尋的功能，而如果你去看看 C#，就會發現我們還加入了依不同程式設計概念篩選的功能。 所以你可以搜尋使用位元位移、遞迴，或任何你感興趣技巧的解答。我們會在社群週把這項功能推展到其他學習軌道。

不過現在，讓我們把焦點放在 #12in23。 十月是個有趣的月份，探索了物件導向語言，但這個月我們要來硬的。 我們這個月聚焦在組合語言，具體來說是 MIPS Assembly、x86-64 Assembly 和 WebAssembly。 一如往常，Erik 會為我們解說這些語言有趣又獨特的地方。

徽章

一如往常，只要完成這些語言中任 5 個練習，就能獲得 Nibbly November 徽章。我們也有年度徽章，我知道你們很多人都在朝它努力。為此我們準備了 5 個精選練習供你完成。它們是：

• 位元計數：計算一個數字中 1 位元的數量
• 麥粒：計算在方格數量逐格倍增的棋盤上的麥粒總數
• 電阻色碼：將電阻色帶的顏色轉換為其數值表示
• 旋轉密碼：實作旋轉密碼（又稱凱薩密碼）
• 核苷酸計數：計算每個核苷酸在 DNA 字串中出現的次數

背景

為什麼叫 Nibble November？

嗯，你大概知道，一個 byte 是 8 個位元，而一個 nibble 是 4 個位元。如果把 byte 裡面的 y 換成 i，就會得到 bite，這麼一來這個名字就說得通了。nibble 就是小小的一口。

什麼是組合語言？

好，我們從一些基本概念開始吧。CPU 會執行指令，例如「將兩個數字相加」或「將位元左移」等等。這些指令稱為機器碼指令，它們不過是特定的位元序列。執行一支程式「不過是」（加引號）CPU 處理並執行這些位元序列而已。

由於直接把指令寫成一串串位元既麻煩又容易出錯，Kathleen 和 Andrew Donald Booth 早在 1947 年就想出一種對人類更友善的語言來表示機器碼指令。這種用來表示機器碼指令的語言就稱為組合語言。這種組合語言接著會透過「組譯器」轉換成機器碼指令。

組合語言一個有趣的地方是，它們與 CPU 架構直接綁定，不過通常與作業系統無關。

順帶一提，如果你記得打孔卡片，也就是最早期的電腦用來執行程式的那種大張卡片，它們也算是一種組合語言！

組合語言和我們現在寫程式的語言有什麼不同？

關鍵差異在於，組合語言非常低階。你會發現很多習以為常的抽象都不見了。類別或物件完全找不到。迴圈？你得靠跳躍指令自己寫。函式？想都別想！我發現寫組合語言程式碼讓人很謙卑，因為你會意識到現代語言替你省下多少工夫。不過，寫組合語言也極其有用，因為你會更了解事情實際上是怎麼運作的。

有趣的小知識：《RollerCoaster Tycoon》有 99% 的原始碼是手寫組合語言！這是個驚人的成就，等你自己寫過一些組合語言之後，會更加佩服。

現在還有人在寫組合語言嗎？

嗯，比以前少多了。以前手寫的組合語言常常能勝過編譯器產生的機器碼（這也是 C++ 這類語言允許直接嵌入組合語言的其中一個原因），但現在編譯器產生機器碼的功力太好了，這種情況已很少見。話雖如此，在效能至上或資源受限的環境裡，你還是會看到有人使用組合語言。

概覽

MIPS

• MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipelined Stages，無內鎖管線階段的微處理器）是精簡指令集電腦（RISC）指令集架構的一個家族
• 由 MIPS Computer Systems 開發，於 1985 年首次發布
• 有多個版本：MIPS I、II、III、IV、V 以及 MIPS32/64。前兩個版本僅支援 32 位元，但 MIPS III 導入了 64 位元支援。
• 有數個選用的擴充，例如 SIMD 指令與壓縮
• 對後續的 RISC 架構影響深遠
• MIPS 在 2021 年宣布不再開發 MIPS 架構，並轉向 RISC-V（一個開源、免授權金的架構）
• 主要用於嵌入式系統（例如路由器）與伺服器（Silicon Graphics 的電腦曾採用它，這些電腦以電影特效聞名）、NEC Cenju-4 超級電腦、Tesla 的 Model S 汽車、NASA 的 New Horizons 探測器，但也用於大學教授組合語言，以及多款遊戲主機（例如初代 PlayStation、PlayStation Portable 和 Nintendo 64）

x86-64 Assembly

• 由 AMD 設計，於 1999 年以 AMD64 架構發布
• 它是 x86 指令集的 64 位元版本，而 x86 可追溯至 1978 年 Intel 推出 8086 微處理器。那是一款 16 位元處理器，但後來的 80386 加入了 32 位元指令，而那套指令集也成了 x86 的代名詞。
• 64 位元帶來的核心能力是存取更多記憶體（32 位元定址上限為 4GB），而這已成為瓶頸。64 位元理論上可定址 16 EB，但目前只用了 48 位元，可定址 256 TB（日後有需要時還能擴充）
• AMD64 擴充了 x86 指令集，並透過相容模式設計成與現有的 16 位元與 32 位元應用程式完全相容
  • Intel 在 AMD 未參與的情況下設計了 IA-64。那是一套全新、非常不同且不向後相容的 64 位元指令集。最後 AMD64 勝出，Intel 也實作了自己的版本（只有一些細微的語意差異）
• 無所不在。從工作站到伺服器（包括超級電腦），從嵌入式系統到遊戲主機（例如 PS5 和 Xbox Series X）。

WebAssembly

• 由 W3C 設計，這是制定網頁技術標準的組織
• 設計目標是：
  • 快速、安全且可攜
  • 高效率且可攜的表示法
• 早年要在網頁上快速執行通常得靠特製的瀏覽器外掛，例如 Flash 和 Silverlight，因為 JavaScript 本身並不太適合高效能運算。這些外掛最大的缺點是通常有許多安全性問題，而且未經標準化。
  • Mozilla 設計了 asm.js，這是 JavaScript 的一個子集，目標是讓程式碼能在瀏覽器中以絕佳的效能執行，它透過型別一致性（型別不會動態改變）與不使用垃圾回收來達成。各種語言便能編譯成 asm.js，在網頁上執行時仍保有良好效能。不過它終究還是 JS，能達成的效果有限。於是就有了新語言的提案：WASM。
• 它是一種類似組合語言的語言，提供一組要執行的指令。關鍵在於它不綁定特定 CPU，因此與平台無關，但每個平台都需要有對應的實作（虛擬機器）。這表示 WebAssembly 其實是位元組碼，而不是機器碼
• 靜態型別（與 JS 的關鍵差異）
• 通常採用提前編譯或即時編譯（但也可以解譯執行）
• 開放標準，定義了兩件事：
  • 二進位格式
  • 文字格式（會被編譯成二進位格式）
• 所有主要瀏覽器都有實作
• 用於許多需要高效能的網頁，例如 Google Earth、Figma、Unity 和 Autocad。在伺服器端也越來越受歡迎，例如用來執行微服務、在 SaaS 平台（例如 CloudFlare workers）或 Docker 中執行

從程式設計的角度來看，它們有何不同？

MIPS

• 採用載入／儲存架構（又稱暫存器對暫存器），指令不是做記憶體存取就是做算術運算，但都只對暫存器中的資料進行操作

x86-64 Assembly

• 採用暫存器與記憶體架構，允許對記憶體（或從記憶體）進行運算，也可對暫存器運算

WebAssembly

• 採用堆疊式程式設計（沒有暫存器），並可選擇從記憶體讀取資料或寫入記憶體

這些語言有什麼過人之處？

MIPS

• 精簡。MIPS 指令集的所有指令可以塞進一頁
• 既定的呼叫慣例有助於釐清如何使用可用的暫存器，例如哪些用來傳遞引數、哪些用來回傳結果。
• 穩定。最後一個版本於 2014 年發布
• 文件豐富，尤其在學術文獻中
• 實際應用廣泛。數十億台裝置

x86-64 Assembly

• 雖然是 x64 的擴充，但加入了許多新功能，包括：
  • 64 位元整數支援
  • 額外的暫存器
  • SSE 指令（向量指令）
  • 相對定址資料存取（使用共享函式庫時更有效率）
  • 不可執行位元（防止在特定記憶體分頁中執行程式碼的安全功能）
• 熟悉。由於它擴充了 x86 指令集，對熟悉 x86 指令集的人來說相對容易學習 豐富且詳盡的文件
• 穩定。雖然新版本定期加入，但其核心極為穩定且向後相容

WebAssembly

• 相較於實體處理器（包括 RISC）的組合語言，堆疊式的 WebAssembly 虛擬機器精簡又單純。這讓它相對容易作為編譯目標。
• WebAssembly 文字格式使用 S 運算式「語法糖」來達成熟悉的命令式風格，再轉換成堆疊式程式碼。帶有 S 運算式的形式稱為「加糖形式」，它會「去糖」成另一種與二進位內容等價的形式。任何用過 LISP 的人對 S 運算式都會感到熟悉
• 與 JavaScript 有強大的互通性。在與 JavaScript 之間傳遞資料很簡單。重要但書：WASM（目前）還不允許與 DOM 互動
• 持續改進中。不只是 WASM 虛擬機器在改進，標準本身也在積極開發。大量新功能正在設計與開發中，例如 SIMD 相關指令、垃圾回收、執行緒、尾呼叫最佳化等等
• 安全。程式碼會在沙箱環境中驗證並執行，相較於 JavaScript 或原生組合語言提供了更高程度的靜態驗證。語意定義明確，易於檢查與推理

突出特色

MIPS

• 效率。MIPS 處理器非常有效率，很適合嵌入式系統。
• 效能。效能優異，因此 MIPS 曾被用於超級電腦
• 易學。指令少，而且每道指令只做一件簡單的事，因此容易學習。非常適合教學。

x86-64 Assembly

• 強大。x86-64 經過數十年的調整，擁有大量有助於效能提升的指令。其中一個例子是 SIMD（Single Instruction, Multiple Data，單指令多資料），這類指令可以……嗯，讓一道指令同時對多筆資料平行執行。
• 無所不在。執行 x86-64 的裝置到處都是。Intel 和 AMD 的 CPU 都有實作。它長久以來一直是實質標準
• 定期更新。例如新的向量指令，有 SSE3-5、AVX、AVX-512 等等

WebAssembly

• 高效率。二進位格式精簡，能用快速的單次遍歷解碼、驗證並編譯。它也可以串流處理，讓解碼、驗證與編譯能在看完所有資料之前就盡早開始。而且它還能平行處理。這使它非常適合高效能的網頁應用程式。
• 絕佳的編譯目標。讓許多語言的程式碼都能在網頁上執行。大多數主要語言都支援編譯成 WebAssembly 二進位檔，這表示你的程式碼不必寫 JavaScript 就能在網頁上執行。有些語言不是把你的程式碼編譯成 WebAssembly，而是把執行環境編譯成 WebAssembly，再由它執行未經修改的位元組碼。
• 易於部署與執行。你只需要一個能解譯位元組碼的虛擬機器，而所有主要瀏覽器都內建了一個。
• 不綁定網頁，也能在伺服器端執行。WebAssembly System Interface（WASI）是一套設計成可攜至任何平台的介面（ABI 與 API）。它類似 POSIX（Unix 系統的標準介面），提供 I/O 之類的功能。安全性是其設計的核心，包括沙箱化以及以能力為導向（檔案或 socket 之類的權限都必須明確要求）。WASI 也有潛力讓不同語言之間輕鬆互通。Docker 共同創辦人 Solomon Hykes 在 2019 年寫道：「如果 WASM+WASI 在 2008 年就存在，我們根本不需要打造 Docker。」

該選哪一個

• 如果你從未接觸過組合語言，WebAssembly 大概是最好上手的語言。話雖如此，如果你想學一種會編譯成機器碼的組合語言，就試試 MIPS Assembly 吧
• 如果你用的是 x86-64 機器（很有可能），試試 x86-64 Assembly 吧
• 如果你熟悉 LISP，你會很欣賞 WebAssembly 採用 S 運算式這一點
• 如果你在做網頁應用程式，WebAssembly 是最合理的選擇
• 如果你在意效能，x86-64 和 MIPS 都是很棒的選擇。或者如果你在意網頁效能，就試試 WebAssembly 吧