JavaScript深入淺出第4課：V8引擎是如何工作的？

摘要： 性能彪悍的V8引擎。

《JavaScript深入淺出》系列：

• JavaScript深入淺出第1課：箭頭函數(shù)中的this究竟是什么鬼？
• JavaScript深入淺出第2課：函數(shù)是一等公民是什么意思呢？
• JavaScript深入淺出第3課：什么是垃圾回收算法？
• JavaScript深入淺出第4課：V8是如何工作的？

最近，JavaScript生態(tài)系統(tǒng)又多了2個(gè)非常硬核的項(xiàng)目。

大神Fabrice Bellard發(fā)布了一個(gè)新的JS引擎QuickJS，可以將JavaScript源碼轉(zhuǎn)換為C語言代碼，然后再使用系統(tǒng)編譯器(gcc或者clang)生成可執(zhí)行文件。

Facebook為React Native開發(fā)了新的JS引擎Hermes，用于優(yōu)化安卓端的性能。它可以在構(gòu)建APP的時(shí)候?qū)avaScript源碼編譯為Bytecode，從而減少APK大小、減少內(nèi)存使用，提高APP啟動(dòng)速度。

作為JavaScript程序員，只有極少數(shù)人有機(jī)會(huì)和能力去實(shí)現(xiàn)一個(gè)JS引擎，但是理解JS引擎還是很有必要的。本文將介紹一下V8引擎的原理，希望可以給大家一些幫助。

JavaScript引擎

我們寫的JavaScript代碼直接交給瀏覽器或者Node執(zhí)行時(shí)，底層的CPU是不認(rèn)識(shí)的，也沒法執(zhí)行。CPU只認(rèn)識(shí)自己的指令集，指令集對(duì)應(yīng)的是匯編代碼。寫匯編代碼是一件很痛苦的事情，比如，我們要計(jì)算N階乘的話，只需要7行的遞歸函數(shù)：

function factorial(N) {
    if (N === 1) {
        return 1;
    } else {
        return N * factorial(N - 1);
    }
}

代碼邏輯也非常清晰，與階乘數(shù)的學(xué)定義完美吻合，哪怕不會(huì)寫代碼的人也能看懂。

但是，如果使用匯編語言來寫N階乘的話，要300+行代碼n-factorial.s：

這個(gè)N階乘的匯編代碼是我大學(xué)時(shí)期寫的，已經(jīng)是N年前的事情了，它需要處理10進(jìn)制與2進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，需要使用多個(gè)字節(jié)保存大整數(shù)，最多可以計(jì)算大概500左右的N階乘。

還有一點(diǎn)，不同類型的CPU的指令集是不一樣的，那就意味著得給每一種CPU重寫匯編代碼，這就很崩潰了。。。

還好，JavaScirpt引擎可以將JS代碼編譯為不同CPU(Intel, ARM以及MIPS等)對(duì)應(yīng)的匯編代碼，這樣我們才不要去翻閱每個(gè)CPU的指令集手冊(cè)。當(dāng)然，JavaScript引擎的工作也不只是編譯代碼，它還要負(fù)責(zé)執(zhí)行代碼、分配內(nèi)存以及垃圾回收。

雖然瀏覽器非常多，但是主流的JavaScirpt引擎其實(shí)很少，畢竟開發(fā)一個(gè)JavaScript引擎是一件非常復(fù)雜的事情。比較出名的JS引擎有這些：

• V8 (Google)
• SpiderMonkey (Mozilla)
• JavaScriptCore (Apple)
• Chakra (Microsoft)
• IOT：duktape、JerryScript

還有，最近發(fā)布QuickJS與Hermes也是JS引擎，它們都超越了瀏覽器范疇，Atwood's Law再次得到了證明：

Any application that can be written in JavaScript, will eventually be written in JavaScript.

V8：強(qiáng)大的JavaScript引擎

在為數(shù)不多JavaScript引擎中，V8無疑是最流行的，Chrome與Node.js都使用了V8引擎，Chrome的市場(chǎng)占有率高達(dá)60%，而Node.js是JS后端編程的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)的眾多瀏覽器，其實(shí)都是基于Chromium瀏覽器開發(fā)，而Chromium相當(dāng)于開源版本的Chrome，自然也是基于V8引擎的。神奇的是，就連瀏覽器界的獨(dú)樹一幟的Microsoft也投靠了Chromium陣營。另外，Electron是基于Node.js與Chromium開發(fā)桌面應(yīng)用，也是基于V8的。

V8引擎是2008年發(fā)布的，它的命名靈感來自超級(jí)性能車的V8引擎，敢于這樣命名確實(shí)需要一些實(shí)力，它性能確實(shí)一直在穩(wěn)步提高，下面是使用Speedometer benchmark的測(cè)試結(jié)果：

V8在工業(yè)界已經(jīng)非常成功了，同時(shí)它還獲得了學(xué)術(shù)界的肯定，拿到了ACM SIGPLAN的Programming Languages Software Award：

V8's success is in large part due to the efficient machine code it generates.
Because JavaScript is a highly dynamic object-oriented language, many experts believed that this level of performance could not be achieved.
V8's performance breakthrough has had a major impact on the adoption of JavaScript, which is nowadays used on the browser, the server, and probably tomorrow on the small devices of the internet-of-things.

JavaScript是一門動(dòng)態(tài)類型語言，這會(huì)給編譯器增加很大難度，因此專家們覺得它的性能很難提高，但是V8居然做到了，生成了非常高效的machine code(其實(shí)是匯編代碼)，這使得JS可以應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，比如Web、APP、桌面端、服務(wù)端以及IOT。

嚴(yán)格來講，V8所生成的代碼是匯編代碼而非機(jī)器代碼，但是V8相關(guān)的文檔、博客以及其他資料都把V8生成的代碼稱作machine code。匯編代碼與機(jī)器代碼很多是一一對(duì)應(yīng)的，也很容易互相轉(zhuǎn)換，這也是反編譯的原理，因此他們把V8生成的代碼稱為Machine Code也未嘗不可，但是并不嚴(yán)謹(jǐn)。

V8引擎的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

V8是一個(gè)非常復(fù)雜的項(xiàng)目，使用cloc統(tǒng)計(jì)可知，它竟然有超過100萬行C++代碼。

V8由許多子模塊構(gòu)成，其中這4個(gè)模塊是最重要的：

• Parser：負(fù)責(zé)將JavaScript源碼轉(zhuǎn)換為Abstract Syntax Tree (AST)
• Ignition：interpreter，即解釋器，負(fù)責(zé)將AST轉(zhuǎn)換為Bytecode，解釋執(zhí)行Bytecode；同時(shí)收集TurboFan優(yōu)化編譯所需的信息，比如函數(shù)參數(shù)的類型；
• TurboFan：compiler，即編譯器，利用Ignitio所收集的類型信息，將Bytecode轉(zhuǎn)換為優(yōu)化的匯編代碼；
• Orinoco：garbage collector，垃圾回收模塊，負(fù)責(zé)將程序不再需要的內(nèi)存空間回收；

其中，Parser，Ignition以及TurboFan可以將JS源碼編譯為匯編代碼，其流程圖如下：

簡(jiǎn)單地說，Parser將JS源碼轉(zhuǎn)換為AST，然后Ignition將AST轉(zhuǎn)換為Bytecode，最后TurboFan將Bytecode轉(zhuǎn)換為經(jīng)過優(yōu)化的Machine Code(實(shí)際上是匯編代碼)。

• 如果函數(shù)沒有被調(diào)用，則V8不會(huì)去編譯它。
• 如果函數(shù)只被調(diào)用1次，則Ignition將其編譯Bytecode就直接解釋執(zhí)行了。TurboFan不會(huì)進(jìn)行優(yōu)化編譯，因?yàn)樗枰狪gnition收集函數(shù)執(zhí)行時(shí)的類型信息。這就要求函數(shù)至少需要執(zhí)行1次，TurboFan才有可能進(jìn)行優(yōu)化編譯。
• 如果函數(shù)被調(diào)用多次，則它有可能會(huì)被識(shí)別為熱點(diǎn)函數(shù)，且Ignition收集的類型信息證明可以進(jìn)行優(yōu)化編譯的話，這時(shí)TurboFan則會(huì)將Bytecode編譯為Optimized Machine Code，以提高代碼的執(zhí)行性能。

圖片中的紅線是逆向的，這的確有點(diǎn)奇怪，Optimized Machine Code會(huì)被還原為Bytecode，這個(gè)過程叫做Deoptimization。這是因?yàn)镮gnition收集的信息可能是錯(cuò)誤的，比如add函數(shù)的參數(shù)之前是整數(shù)，后來又變成了字符串。生成的Optimized Machine Code已經(jīng)假定add函數(shù)的參數(shù)是整數(shù)，那當(dāng)然是錯(cuò)誤的，于是需要進(jìn)行Deoptimization。

function add(x, y) {
    return x + y;
}

add(1, 2);
add("1", "2");

在運(yùn)行C、C++以及Java等程序之前，需要進(jìn)行編譯，不能直接執(zhí)行源碼；但對(duì)于JavaScript來說，我們可以直接執(zhí)行源碼(比如：node server.js)，它是在運(yùn)行的時(shí)候先編譯再執(zhí)行，這種方式被稱為即時(shí)編譯(Just-in-time compilation)，簡(jiǎn)稱為JIT。因此，V8也屬于JIT編譯器。

Ignition：解釋器

Node.js是基于V8引擎實(shí)現(xiàn)的，因此node命令提供了很多V8引擎的選項(xiàng)，使用node的--print-bytecode選項(xiàng)，可以打印出Ignition生成的Bytecode。

factorial.js如下，由于V8不會(huì)編譯沒有被調(diào)用的函數(shù)，因此需要在最后一行調(diào)用factorial函數(shù)。

function factorial(N) {
    if (N === 1) {
        return 1;
    } else {
        return N * factorial(N - 1);
    }
}

factorial(10); // V8不會(huì)編譯沒有被調(diào)用的函數(shù)，因此這一行不能省略

使用node命令(node版本為12.6.0)的--print-bytecode選項(xiàng)，打印出Ignition生成的Bytecode：

node --print-bytecode factorial.js

控制臺(tái)輸出的內(nèi)容非常多，最后一部分是factorial函數(shù)的Bytecode：

[generated bytecode for function: factorial]
Parameter count 2
Register count 3
Frame size 24
   18 E> 0x3541c2da112e @    0 : a5                StackCheck
   28 S> 0x3541c2da112f @    1 : 0c 01             LdaSmi [1]
   34 E> 0x3541c2da1131 @    3 : 68 02 00          TestEqualStrict a0, [0]
         0x3541c2da1134 @    6 : 99 05             JumpIfFalse [5] (0x3541c2da1139 @ 11)
   51 S> 0x3541c2da1136 @    8 : 0c 01             LdaSmi [1]
   60 S> 0x3541c2da1138 @   10 : a9                Return
   82 S> 0x3541c2da1139 @   11 : 1b 04             LdaImmutableCurrentContextSlot [4]
         0x3541c2da113b @   13 : 26 fa             Star r1
         0x3541c2da113d @   15 : 25 02             Ldar a0
  105 E> 0x3541c2da113f @   17 : 41 01 02          SubSmi [1], [2]
         0x3541c2da1142 @   20 : 26 f9             Star r2
   93 E> 0x3541c2da1144 @   22 : 5d fa f9 03       CallUndefinedReceiver1 r1, r2, [3]
   91 E> 0x3541c2da1148 @   26 : 36 02 01          Mul a0, [1]
  110 S> 0x3541c2da114b @   29 : a9                Return
Constant pool (size = 0)
Handler Table (size = 0)

生成的Bytecode其實(shí)挺簡(jiǎn)單的：

• 使用LdaSmi命令將整數(shù)1保存到寄存器；
• 使用TestEqualStrict命令比較參數(shù)a0與1的大?。?/li>
• 如果a0與1相等，則JumpIfFalse命令不會(huì)跳轉(zhuǎn)，繼續(xù)執(zhí)行下一行代碼；
• 如果a0與1不相等，則JumpIfFalse命令會(huì)跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存地址0x3541c2da1139
• ...

不難發(fā)現(xiàn)，Bytecode某種程度上就是匯編語言，只是它沒有對(duì)應(yīng)特定的CPU，或者說它對(duì)應(yīng)的是虛擬的CPU。這樣的話，生成Bytecode時(shí)簡(jiǎn)單很多，無需為不同的CPU生產(chǎn)不同的代碼。要知道，V8支持9種不同的CPU，引入一個(gè)中間層Bytecode，可以簡(jiǎn)化V8的編譯流程，提高可擴(kuò)展性。

如果我們?cè)诓煌布先ド葿ytecode，會(huì)發(fā)現(xiàn)生成代碼的指令是一樣的：

TurboFan：編譯器

使用node命令的--print-code以及--print-opt-code選項(xiàng)，打印出TurboFan生成的匯編代碼：

node --print-code --print-opt-code factorial.js

我是在Mac上運(yùn)行的，結(jié)果如下圖所示：

比起B(yǎng)ytecode，正真的匯編代碼可讀性差很多。而且，機(jī)器的CPU類型不一樣的話，生成的匯編代碼也不一樣。

這些匯編代碼就不用去管它了，因?yàn)樽钪匾氖抢斫釺urboFan是如何優(yōu)化所生成的匯編代碼的。我們可以通過add函數(shù)來梳理整個(gè)優(yōu)化過程。

function add(x, y) {
    return x + y;
}

add(1, 2);
add(3, 4);
add(5, 6);
add("7", "8");

由于JS的變量是沒有類型的，所以add函數(shù)的參數(shù)可以是任意類型：Number、String、Boolean等，這就意味著add函數(shù)可能是數(shù)字相加(V8還會(huì)區(qū)分整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù))，可能是字符串拼接，也可能是其他更復(fù)雜的操作。如果直接編譯的話，生成的代碼比如會(huì)有很多if...else分支，偽代碼如下：

if (isInteger(x) && isInteger(y)) {
    // 整數(shù)相加
} else if (isFloat(x) && isFloat(y)) {
    // 浮點(diǎn)數(shù)相加
} else if (isString(x) && isString(y)) {
    // 字符串拼接
} else {
    // 各種其他情況
}

我只寫了4個(gè)分支，實(shí)際上的分支其實(shí)更多，比如當(dāng)參數(shù)類型不一致時(shí)還得進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，大家不妨看看ECMASCript對(duì)加法是如何定義的：12.8.3The Addition Operator ( + )。

如果直接按照偽代碼去生成匯編代碼，那生成的代碼必然非常冗長(zhǎng)，這樣會(huì)占用很多內(nèi)存空間。

Ignition在執(zhí)行add(1, 2)時(shí)，已經(jīng)知道add函數(shù)的兩個(gè)參數(shù)都是整數(shù)，那么TurboFan在編譯Bytecode時(shí)，就可以假定add函數(shù)的參數(shù)是整數(shù)，這樣可以極大地簡(jiǎn)化生成的匯編代碼，偽代碼如下：

if (isInteger(x) && isInteger(y)) {
    // 整數(shù)相加
} else {
    // Deoptimization
}

當(dāng)然這樣做也是有風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)槿绻鸻dd函數(shù)參數(shù)不是整數(shù)，那么生成的匯編代碼也沒法執(zhí)行，只能Deoptimize為Bytecode來執(zhí)行。

也就是說，如果TurboFan對(duì)add函數(shù)進(jìn)行編譯優(yōu)化的話，則add(3, 4)與add(3, 4)可以執(zhí)行優(yōu)化的匯編代碼，但是add("7", "8")只能Deoptimize為Bytecode來執(zhí)行。

當(dāng)然，TurboFan所做的也不只是根據(jù)類型信息來簡(jiǎn)化代碼執(zhí)行流程，它還會(huì)進(jìn)行其他優(yōu)化，比如減少冗余代碼等更復(fù)雜的事情。

由這個(gè)簡(jiǎn)單的例子可知，如果我們的JS代碼中變量的類型變來變?nèi)?，是?huì)給V8引擎增加不少麻煩的，為了提高性能，我們可以盡量不要去改變變量的類型。

對(duì)于性能要求比較高的項(xiàng)目，使用TypeScript也是不錯(cuò)的選擇，理論上，如果嚴(yán)格遵守類型化的編程方式，也是可以提高性能的，類型化的代碼有利于V8引擎優(yōu)化編譯的匯編代碼，當(dāng)然這一點(diǎn)還需要測(cè)試數(shù)據(jù)來證明。

Orinoco：垃圾回收

強(qiáng)大的垃圾回收功能是V8實(shí)現(xiàn)提高性能的關(guān)鍵之一，因?yàn)樗梢栽诒苊庥绊慗S代碼執(zhí)行的情況下，同時(shí)回收內(nèi)存空間，提高內(nèi)存利用效率。

關(guān)于垃圾回收，我在JavaScript深入淺出第3課：什么是垃圾回收算法？中有詳細(xì)介紹，這里就不再贅述了。

JS引擎的未來

V8引擎確實(shí)很強(qiáng)大，但是它也不是無所不能的，簡(jiǎn)單地分析都可以發(fā)現(xiàn)一些可以優(yōu)化的點(diǎn)。

我有一個(gè)新的想法，還沒想好名字，不妨稱作Optimized TypeScript Engine：

• 使用TypeScript編程，遵循嚴(yán)格的類型化編程規(guī)則，不要寫成AnyScript了；
• 構(gòu)建的時(shí)候?qū)ypeScript直接編譯為Bytecode，而不是生成JS文件，這樣運(yùn)行的時(shí)候就省去了Parse以及生成Bytecode的過程；
• 運(yùn)行的時(shí)候，需要先將Bytecode編譯為對(duì)應(yīng)CPU的匯編代碼；
• 由于采用了類型化的編程方式，有利于編譯器優(yōu)化所生成的匯編代碼，省去了很多額外的操作；

這個(gè)想法其實(shí)可以基于V8引擎來實(shí)現(xiàn)，技術(shù)上應(yīng)該是可行的：

• 將Parser以及Ignition拆分出來，用于構(gòu)建階段；
• 刪掉TurboFan處理JS動(dòng)態(tài)特性的相關(guān)代碼；

這樣做，可以將JS引擎簡(jiǎn)化很多，一方面不再需要parse以及生成bytecode，另一方面編譯器不再需要因?yàn)镴avaScript動(dòng)態(tài)特性做很多額外的工作。因此可以減少CPU、內(nèi)存以及電量的使用，優(yōu)化性能，唯一的問題可能是必須使用嚴(yán)格的TS語法進(jìn)行編程。

為啥要這樣做呢？因?yàn)閷?duì)于IOT硬件來說，CPU、內(nèi)存、電量都是需要省著點(diǎn)用的，不是每一個(gè)智能家電都需要裝一個(gè)驍龍855，如果希望把JS應(yīng)用到IOT領(lǐng)域，必然需要從JS引擎角度去進(jìn)行優(yōu)化，只是去做上層的框架是沒有用的。

其實(shí)，F(xiàn)acebook的Hermes差不多就是這么干的，只是它沒有要求用TS編程。

這應(yīng)該是JS引擎的未來，大家會(huì)看到越來越多這樣的趨勢(shì)。

關(guān)于JS，我打算花1年時(shí)間寫一個(gè)系列的博客《JavaScript深入淺出》，大家還有啥不太清楚的地方？不妨留言一下，我可以研究一下，然后再與大家分享一下。歡迎添加我的個(gè)人微信(KiwenLau)，我是Fundebug的技術(shù)負(fù)責(zé)人，一個(gè)對(duì)JS又愛又恨的程序員。

參考

• Celebrating 10 years of V8
• Launching Ignition and TurboFan
• JavaScript engines - how do they even?
• An Introduction to Speculative Optimization in V8
• 2018年，JavaScript都經(jīng)歷了什么？
• JavaScript深入淺出第3課：什么是垃圾回收算法？
• Fabrice Bellard 是個(gè)什么水平的程序員？
• 如何評(píng)價(jià) Fabrice Bellard 發(fā)布 QuickJS JS 引擎?

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