为什么苹果的二进制翻译那么强？

本文不适合给新手阅读，特此声明~

先来一段个人感悟：从 Intel 芯片换到 M 架构芯片的 Macbook 后，发现大部分游戏甚至 3A大作都有人移植了，并且可以流畅运行。而他们原本只适配 X86 架构。打开 app store，发现有些游戏标注上了针对 M 芯片优化，这足以证明苹果的技术与实力。
可以先用五个特点来概括：

  • 软硬件一体化设计：苹果掌控从芯片到操作系统的==完整生态==，可以在多个层面优化翻译性能。
  • 高效的动态翻译技术：通过Rosetta 2 达到了卓越的性能（==不开源！==）。
  • 针对 x86 的深度优化：对 SIMD、库函数替换和特定指令模式的优化，使得翻译效率大幅提高。
  • 开发工具链的协作：Xcode 和 LLVM 等工具为二进制生成提供了翻译友好的支持。
  • 用户体验至上：通过无缝的自动化翻译和高度优化的执行，用户在运行 x86 应用时几乎察觉不到性能差异。

    动态二进制翻译介绍

    BT可以分为静态二进制翻译和动态二进制翻译（DBT）。
    静态二进制翻译：顾名思义，就是在编译阶段就完成对ISA的翻译，优点很明显，没有动态执行的开销，一次性的成本，编译优化可以做的更多。但是同时它也有2个问题很难解决，所以应用范围一直很窄，那就是Code Discover和Code Location。目前静态二进制翻译，在一些古老设备上游戏的移植使用的比较多。
    动态二进制翻译是目前采用的最多的BT技术，它采用边运行边翻译的方式。优点是可以得到很多运行时信息，解决之前静态翻译很难解决的问题，同时可以利用 runtime的信息来做一些激进的优化。但是，事物的两面性决定了，DBT也有自己缺陷，作为动态翻译，运行的开销不小，可以采用的编译优化就受限，技术上的原因，启动速度也不如静态翻译和原生应用，虚拟机的设计比较复杂，维护成本等等。DBT不仅仅是一种纯软件技术，很多时候它还需要硬件团队的配合来达到更好的翻译和优化，以让最终的效果达到预期。本文也会着重介绍DBT技术。
    其他细节原理可以参考文献[1]，详细列举了二进制翻译的全栈方案与策略。

    Rosetta 历史

    2006 年，Apple 宣布从 PowerPC 过渡到 x86 架构。由于绝大多数应用程序是为 PowerPC 架构编译的，Apple 开发了 Rosetta，用于在 x86 上运行这些应用程序。但是由于不支持某些高级指令集（如 AltiVec），性能在某些计算密集型场景下会下降。
    Rosetta 1 随着 macOS 10.7（Lion）停止支持，因为 Apple 生态已经完全转移到 x86。随着 Apple 决定自研 M 系列芯片开始，Rosetta 2 又来了。
    2020 年，Apple 宣布转向自研的 Apple Silicon（基于 Arm 架构），取代了 x86 架构（Intel 处理器）。其目的是使用动态二进制翻译将 x86-64 指令集翻译为 Arm64 指令集，然后执行。

    Rosetta 2 原理

    其原理可以直接参考二进制翻译的原理。
    Rosetta 2 是内置在 macOS 系统里的，在幕后工作，只有当你第一次下载一款 x86 应用，第一次打开时，才会提示你安装 Rosetta 2。换句话说，Rosetta 2 的存在完全不会对你过去一直以来使用 Mac 的习惯造成影响，它几乎是无感的，悄悄做着翻译工作。因此，新的 Mac 也是可以流畅运行 X86 软件的。
    之所以能保持实时的高性能翻译，得益于“在应用安装时就会对应用进行翻译”，只有无法提前预知的才会使用 JIT 翻译。

参考资料