V8是如何执行一段JavaScript代码的

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什么是V8?

V8是一个JS引擎,由谷歌开发,用于谷歌浏览器及node.js。我们可以简单地把V8理解成一个翻译程序,即将JS代码翻译成机器能够理解地机器语言

V8使用了即时编译(JIT)的双轮驱动的设计,这是一种权衡策略,混合编译执行和解释执行这两种手段,给 JavaScript 的执行速度带来了极大的提升。

我们都知道机器是无法直接理解如JS、C++等语言的代码的,需要进行编译?

我们先从 CPU 是怎么执行机器代码讲起,你可以把 CPU 看成是一个非常小的运算机器,我们可以通过二进制的指令和 CPU 进行沟通,比如我们给 CPU 发出“1000100111011000”的二进制指令,这条指令的意思是将一个寄存器中的数据移动到另外一个寄存器中,当处理器执行到这条指令的时候,便会按照指令的意思去实现相关的操作。为了能够完成复杂的任务,工程师们为 CPU 提供了一大堆指令,来实现各种功能,我们就把这一大堆指令称为指令集(Instructions),也就是机器语言

注意,CPU 只能识别二进制的指令,但是对程序员来说,二进制代码难以阅读和记忆,于是我们又将二进制指令集转换为人类可以识别和记忆的符号,这就是汇编指令集,你可以参考下面的代码:

1000100111011000  机器指令
mov ax,bx         汇编指令

CPU 能直接识别汇编语言吗?

“不能识别”,所以如果你使用汇编编写了一段程序,你还需要一个汇编编译器,其作用是将汇编代码编程成机器代码,具体流程可以参考下图:

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虽然汇编语言对机器语言做了一层抽象,减少了程序员理解机器语言的复杂度,但是汇编语言依然是复杂且繁琐的,即便你写一个非常简单的功能,也需要实现大量的汇编代码,这主要表现在以下两点。首先,不同的CPU 有着不同的指令集,如果要使用机器语言或者汇编语言来实现一个功能,那么你需要为每种架构的 CPU 编写特定的汇编代码,这会带来巨大的、枯燥繁琐的操作,可以参看下图

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和汇编语言一样,处理器也不能直接识别由高级语言所编写的代码,那怎么办?通常,有两种方式来执行这些代码。

第一种是解释执行,需要先将输入的源代码通过解析器编译成中间代码,之后直接使用解释器解释执行中间代码,然后直接输出结果。具体流程如下图所示:

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第二种是编译执行。采用这种方式时,也需要先将源代码转换为中间代码,然后我们的编译器再将中间代码编译成机器代码。通常编译成的机器代码是以二进制文件形式存储的,需要执行这段程序的时候直接执行二进制文件就可以了。还可以使用虚拟机将编译后的机器代码保存在内存中,然后直接执行内存中的二进制代码。

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以上就是基本的两种执行方式,解释执行和编译执行。对于不同的语言有着不同的处理方式。

V8 是怎么执行 JavaScript 代码的?

V8 并没有采用某种单一的技术,而是混合编译执行和解释执行这两种手段,我们把这种混合使用编译器和解释器的技术称为 JIT(Just In Time)技术。

这是一种权衡策略,因为这两种方法都各自有自的优缺点,解释执行的启动速度快,但是执行时的速度慢,而编译执行的启动速度慢,但是执行时的速度快。你可以参看下面完整的 V8 执行 JavaScript 的流程图:

8RBEDO.png

在 V8 启动执行 JavaScript 之前,它还需要准备执行 JavaScript 时所需要的一些基础环境,这些基础环境包括了“堆空间”“栈空间”“全局执行上下文”“全局作用域”“消息循环系统”“内置函数”等,这些内容都是在执行 JavaScript 过程中需要使用到的。

基础环境准备好之后,首先V8会接收到JS源代码,不过这对 V8 来说只是一堆字符串,V8 并不能直接理解这段字符串的含义,它需要结构化这段字符串。结构化,是指信息经过分析后可分解成多个互相关联的组成部分,各组成部分间有明确的层次结构,方便使用和维护,并有一定的操作规范。

V8 源代码的结构化之后,就生成了抽象语法树 (AST),我们称为 AST,AST 是便于 V8 理解的结构。

在生成 AST 的同时,V8 还会生成相关的作用域,作用域中存放相关变量。

有了 AST 和作用域之后,接下来就可以生成字节码了,字节码是介于 AST 和机器代码的中间代码。但是与特定类型的机器代码无关,解释器可以直接解释执行字节码,或者通过编译器将其编译为二进制的机器代码再执行。

生成了字节码之后,解释器会按照顺序解释执行字节码,并输出执行结果。

在解释执行字节码的过程中,如果发现了某一段代码会被重复多次执行,那么监控机器人就会将这段代码标记为热点代码。

当某段代码被标记为热点代码后,V8 就会将这段字节码丢给优化编译器,优化编译器会在后台将字节码编译为二进制代码,然后再对编译后的二进制代码执行优化操作,优化后的二进制机器代码的执行效率会得到大幅提升。如果下面再执行到这段代码时,那么 V8 会优先选择优化之后的二进制代码,这样代码的执行速度就会大幅提升。

不过,和静态语言不同的是,JavaScript 是一种非常灵活的动态语言,对象的结构和属性是可以在运行时任意修改的,而经过优化编译器优化过的代码只能针对某种固定的结构,一旦在执行过程中,对象的结构被动态修改了,那么优化之后的代码势必会变成无效的代码,这时候优化编译器就需要执行反优化操作,经过反优化的代码,下次执行时就会回退到解释器解释执行。

总结

V8 执行一段 JavaScript 代码所经历的主要流程包括了:

  1. 初始化基础环境。
  2. 生成AST(抽象语法树)和作用域(用于存放变量)。
  3. 根据AST和作用域生成字节码(即中间代码)
  4. 解释执行字节码。
  5. 监听热点代码
  6. 将热点代码进行标记使用编译器编译成二进制的机器代码并保存起来。
  7. 反优化生成的二进制机器代码。