初识 JavaScriptCore JIT

zhangjiezhi_
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今天我们来了解一下JavaScriptCore中的JIT机制。

一、JIT基本概念

JIT（Just In Time）编译器：是指程序逻辑以代码（或字节码）形式下发到目标机（如客户端）上，在系统即将运行此逻辑的前一刻，目标机系统上的编译器才将这些代码编译成机器指令，然后再交给系统执行。因为它的编译发生成运行前一刻，刚刚能赶得上执行，所以叫做Just In Time编译器.

谈到JIT，经常有同学把它与解释器（Interpreter）混淆，下面首先看一下这两个概念的区别：

解释器（Interpreter）和JIT的区别

虚拟机执行一段程序，一般有两种方式：解释执行和先编译再执行。

  • 解释执行：虚拟机读取程序字节码，取出其中的“虚拟机指令”，由解释器逐条进行解释执行

    • “虚拟机指令”可以理解为一种DSL（Domain Specific Language），它作为一种领域专用数据结构，包含了虚拟机运行程序所需的所有数据信息（如：操作符、操作数等）

  • 先编译再执行，根据编译的时机不同，又可以分为AOT和JIT：

    • AOT：Ahead of Time，即开发者先将程序编译成机器码，再将由机器码构成的二进制程序下发到客户端运行。

      • JavaScriptCore目前不支持AOT
      • 一个支持AOT的虚拟机的例子是Dart VM，它可以执行事先编译成机器码的Dart程序。

    • JIT：Just in Time，虚拟机读取程序字节码，在真正运行代码逻辑前，先将他们编译成“机器指令”序列，再执行这些机器指令

      • JIT编译后，待运行的方法就已经是机器指令了
      • 一般对于比较“热”的方法可以在运行时动态调整JIT的级别，根据调用现场情况开启相应的优化

二、JavaScriptCore中的解释器和JIT

JavaScriptCore中的解释器（LLInt）和JIT都可以执行JavaScript代码编译成的字节码（bytecode）[1]。而其中JIT又根据优化级别的不同分为三种：Baseline JIT、DFG JIT和FTL JIT。

下面具体讲一下这四种模式的主要特点。

JavaScriptCore执行代码的四种模式

1. LLInt解释器模式

  • LLInt是用跨平台的汇编语言（offlineasm）实现的

  • 逐条解释执行JSC虚机指令

  • JS代码的执行总是从LLInt模式开始

由LLInt切换到Baseline JIT的条件（满足任意一条即可）：

  • 方法中任意一个语句执行次数超过100次
  • 方法被调用了超过6次

虚拟机由解释器模式向JIT模式切换时，解释器会将当前字节码偏移传给JIT，JIT只编译此字节码偏移能够到达的代码分支

OSR（On Stack Replacement）：是一种可以在程序运行时动态切换其内部方法具体实现的技术

  • 方法切换可以在任意一条语句结束后
  • 是虚拟机在解释器和各JIT模式间无缝切换的关键技术保障

2. Baseline JIT模式

  • 只是做了简单的“机器码化”，减小了解释器按指令dispatch的开销，代码（指令序列）本身并未做任何优化。
  • 切换到DFG JIT的条件：
    • 方法中任意语句执行次数超过1000
    • 方法被调用次数超过66次

3. DFG JIT模式（Data Flow Graph）

DFG JIT 主要流程：

  • DFG会把字节码转成DFG CPS形式

    • CPS（Continuation-Passing Style）
      • CPS表示这样一种形式[3]：一个函数f除了它自身的参数外，总是有一个额外的参数continuation。continuation也是一个函数，当f完成了自己的返回值计算之后，不是返回，而是将此返回值作为continuation的参数，调用continuation。所以CPS形式的函数从形式上看它不会return，当它要return的时候会将所有的参数传递给continuation，让continuation继续去执行。
      • CPS的优点是让如下的信息显式化：过程返回（调用一个continuation），中间值（具有显式的名称），求值顺序，尾调用（采用相同的continuation调用一个过程）。
      • CPS有利于后续通过profiling来预测数据类型，这些“数据类型预测”能减少后续生成代码时需添加的类型检查逻辑。

  • DFG启用了多种常规的编译优化

    • 寄存器分配
    • 控制流图简化
    • 公共子表达式消除
    • 无用代码消除
    • 稀疏有条件的常量传播
      • 编译时计算常量数据，并将它传播到相关代码中，达到整体简化代码的目的

  • DFG JIT编译器将CPS形式的代码优化后编译成机器码

例：如下的 foo 方法：

function foo(a, b) { return a + b + 42; }
  • 经过LLInt和Baseline JIT的多次运行后，profiler收集到了很多a和b的运行时类型信息，如果发现都是int，则生成的机器指令可以是：先判断是否是int，如果是则跳转到类型固化为int的机器指令代码，否则OSR exit回Baseline JIT。

4. FTL JIT模式

FTL JIT主要流程：（复用了DFG的大部分流程）

  • 之前是使用的LLVM后端，后来改成了B3，上图还是旧的框架图
  • 复用了DFG的大部分流程，将原DFG流程中的DFG后端替换为新的FTL流程：
    • CPS转SSA
    • SSA转LLVM IR
    • LLVM IR的编译优化
    • IR转机器码
  • 使用了LLVM后端，引入了更多的编译优化（类似C程序的极致优化）

参考资料

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