VMKit: a Substrate for Virtual Machines

Developing and optimizing a virtual machine (VM) is a tedious task that requires many years of development. Although VMs share some common principles, such as a Just In Time Compiler or a Garbage Collector, this opportunity for sharing hash not been yet exploited in implementing VMs. This paper describes and evaluates VMKit, a first attempt to build a common substrate that eases the development of high-level VMs. VMKit has been successfully used to build three VMs: a Java Virtual Machine, a Common Language Runtime and a lisp-like language with type inference μvm-l . Our precise contribution is an extensive study of the lessons learnt in implementing such common infrastructure from a performance and an ease of development standpoint. Our performance study shows that VMKit does not degrade performance on CPU-intensive applications, but still requires engineering efforts to compete with other VMs on memory-intensive applications. Our high level VMs are only 20,000 lines of code, it took one of the author a month to develop a Common Language Runtime and implementing new ideas in the VMs was remarkably easy. Key-words: Virtual Machines, Compilation, VMKit, LLVM in ria -0 03 54 57 7, v er si on 1 3 M ar 2 00 9 VMKit: un substrat pour machines virtuelles Résumé : Le développement d’une machine virtuelle (MV) ainsi que ses optimisations est un travail complexe qui demande plusieurs années d’investissement. Alors que les MVs partagent des concepts communs comme les compilateur juste à temps ou les ramasse-miettes, les implémentations de MVs existantes n’ont pas exploité le partage d’implémentation de ces concepts. Dans ce rapport, nous décrivons et évaluons VMKit, un substrat commun pour le développement de MVs haut niveau. Nous avons implémenté trois MVs au-dessus de VMKit: une machine virtuelle Java, une machine virtuelle .Net et un langage á la Lisp avec inférence de type. Nous montrons que VMKit ne dégrade pas les performances d’applications gourmandes en processeur, mais demande encore des efforts d’ingénieurie pour les applications gourmandes en mémoire. Nos MVs haut-niveau représentent 20,000 lignes de code, un des auteurs a mis un mois pour développer la machine virtuelle .Net et l’implémentation de nouvelles idées MVs s’est révélée très simple. Mots-clés : Machines virtuelles, Compilation, VMKit, LLVM in ria -0 03 54 57 7, v er si on 1 3 M ar 2 00 9 VMKit: a Substrate for Virtual Machines 3