浅谈V8引擎

卖好车大前端团队
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一、JavaScript 引擎

JavaScript 引擎是一个专门处理 JavaScript 脚本的虚拟机，一般会附带在网页浏览器之中。

我们可以简单地把 JavaScript 虚拟机理解成是一个翻译程序，将人类能够理解的编程语言 JavaScript，翻译成机器能够理解的机器语言。

JavaScript 引擎有很多种：

  • Rhino — 由 Mozilla 基金会管理，开源，完全用 Java 开发。
  • SpiderMonkey — 第一款 JavaScript 引擎，早期用于 Netscape Navigator，现在用于 Mozilla Firefox。
  • V8 — 开放源代码，由 Google 丹麦开发，是 Google Chrome 的一部分
  • JavaScriptCore — 开发源代码，用于 Safari。
  • KJS — KDE 的引擎，最初由 Harri Porten 为 KDE 项目中的 Konqueror 网页浏览器开发。
  • Chakra (JScript 引擎) — 用于 Internet Explorer。
  • Chakra (JavaScript 引擎) — 用于 Microsoft Edge。
  • KJS — KDE 的 ECMAScript／JavaScript 引擎，最初由哈里·波顿开发，用于 KDE 项目的 Konqueror 网页浏览器中。

目前 V8 引擎是当下使用最广泛的 JavaScript 虚拟机，也是 Chrome 和 NodeJS使用的引擎。

二、V8 引擎内部原理

V8 工作流程

JavaScript 是高级语言，而计算机只能理解1和0。通常有两种方式来执行高级语言所编写的代码。

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。这种方式启动速度快，但是执行速度慢。

第二种是编译执行，需要先将输入的源代码通过解析器编译成中间代码，之后使用编译器再将中间代码编译成机器代码，机器代码通常以二进制文件形式存储，然后直接执行二进制代码。这种方式启动速度慢，执行速度快。

V8 引擎并没有采用以上方式的单一技术，而是使用了 JIT 技术，其实就是混合了编译执行和解释执行两种方式。JIT 技术也是一种权衡策略，在启动过程中采用了解释执行的策略，但是如果某段代码的执行频率超过一个值，那么 V8 会采用优化编译器将其编译成执行效率更加高效的机器代码。

V8 引擎工作流程：

  1. V8 启动时初始化执行环境，比如堆栈、全局执行上下文、内置函数等。
  2. V8 接收到输入的源代码后，结构化这段源代码，然后生成抽象语法树，也就是 AST。
  3. 生成 AST 同时，V8 还会生成相关的作用域，然后生成字节码，字节码可以让解释器直接解释执行。
  4. 当解释器执行字节码时发现代码被多次执行，那么就会丢给编译器，编译器会将字节码编译成二进制代码去执行。

V8 如何查找变量

作用域链将一个个作用域串起来，从而实现变量查找的路径。当在函数内部使用一个变量的时候，V8 便会去作用域中查找，如果在当前函数作用域中没有查找到变量，那么 V8 会去全局作用域中查找。

全局作用域在 V8 启动过程中就创建了，且一直保存在内存中不会被销毁，直至 V8 退出。而函数作用域在执行该函数时创建，当函数执行结束之后，函数作用域就随之被销毁掉了。

需要注意的是对于 V8 内部对于函数的处理会增加 name 和 code 两个内部属性，因为函数是特殊的对象，可以被赋值，作为参数以及被调用。

V8 如何实现运算

在 JavaScript 中，数字和字符串相加会返回一个新的字符串，这是因为 JavaScript 认为字符串和数字相加是有意义的，V8 会将其中的数字转换为字符，然后执行两个字符串的相加 操作，最终得到的是一个新的字符串。

在 JavaScript 中，类型系统是依据 ECMAScript 标准来实现的，所以 V8 会严格根据 ECMAScript 标准来执行。在执行加法过程中，V8 会先通过 ToPrimitive 函数，将对象转换为原生的字符串或者是数字类型，在转换过程中，ToPrimitive 会先调用对象的 valueOf 方法，如果没有 valueOf 方法，则调用 toString 方法，如果 vauleOf 和 toString 两个方 法都不返回基本类型值，便会触发一个 TypeError 的错误。

V8 如何实现闭包

首先我们理解一下惰性解析。惰性解析是指解析器在解析的过程中，如果遇到函数声明，那么会跳过函数内部的代码，并不会为其生成 AST 和字节码，而仅仅生成顶层代码的 AST 和字节码。 利用惰性解析可以加速 JavaScript 代码的启动速度，如果要将所有的代码一次性解析编译完成，那么会大大增加用户的等待时间。

由于 JavaScript 是一门天生支持闭包的语言，闭包会引用当前函数作用域之外的变量，所以当 V8 解析一个函数的时候，还需要判断该函数的内部函数是否引用了当前函数内部声明的变量，如果引用了，那么需要将该变量存放到堆中，即便当前函数执行结束之后，也不会释放该变量。

三、V8 引擎垃圾回收机制

新生代 Scavenge（清除）算法

  1. 将堆内存一分为二，其中一个处于使用之中的称为 from 空间，另一个处于闲置称为 to 空间。
  2. 垃圾回收时，检查 from 空间内的存活对象，并将这些存活对象复制到 to 空间中，而非存活对象占用的空间被释放。这个阶段如果经历过清除回收或者 to 空间已经使用了25%，则会将对象晋升到老生代空间中。
  3. 将这些存活对象复制到 to 空间中。非存活对象占用的空间将会被释放。
  4. 完成复制后，from 空间与 to 空间发生对换。

scavenge 算法用空间换取时间，问题在于只能使用堆内存中的一半，但由于它只复制存活的对象，对于生命周期短的场景存活对象只占少部分，所以在时间效率上有着优异的表现。

Mark-Sweep 老生代标记清除

  1. 标记阶段遍历堆中的所有对象，并标记活着的对象。
  2. 清除阶段，只清除没有被标记的对象。

Mark-Sweep 算法的问题在于进行一次标记清楚后，内存会出现不连续的状态，这种会导致后续需要分配一个大对象的时候，无法完成分配，就会提前触发垃圾回收，而这次回收是不必要的。

Mark-Compact 老生代标记整理

  1. 基于Mark-Sweep 算法上进行演变。
  2. 在标记整理过程中，将活着的对象往一端移动。
  3. 移动完成后，直接清理掉边界外的内存。

Mark-Compact 算法的问题在于当对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况。

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