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教女朋友学前端之深入理解JS引擎

美味值:🌟🌟🌟🌟🌟

口味:番茄肥牛

食堂老板娘:老板,Chrome V8 引擎工作原理面试会问吗?

食堂老板:这块的知识不仅面试可能会问,学会了 JS 引擎的工作原理,可以更好的理解 JavaScript、更好的理解前端生态中 Babel 的词法分析和语法分析,ESLint 的语法检查原理以及 React、Vue 等前端框架的实现原理。总之,学习引擎原理可谓是一举多得。

食堂老板娘:好好好,别罗嗦了,快开始吧~

宏观视角看 V8

V8 是我们前端届的网红,它用 C++ 编写,是谷歌开源的高性能 JavaScript 和 WebAssembly 引擎,主要用在 Chrome、Node.js、Electron...中。

在开始讲我们的主角 V8 引擎之前,先来从宏观视角展开谈谈 V8 所处的位置,建立一个世界观。

在信息科技高速发展的今天,这个疯狂的大世界充斥着各种电子设备,我们每天都用的手机、电脑、电子手表、智能音箱以及现在马路上跑的越来越多的电动汽车。

作为软件工程师,我们可以将它们统一理解为“电脑”,它们都是由中央处理器(CPU)、存储以及输入、输出设备构成。CPU 就像厨师,负责按照菜谱执行命令烧菜。存储如同冰箱,负责保存数据以及要执行的命令(食材)。

当电脑接通电源,CPU 便开始从存储的某个位置读取指令,按照指令一条一条的执行命令,开始工作。电脑还可以接入各种外部设备,比如:鼠标、键盘、屏幕、发动机等等。CPU 不需要全部搞清楚这些设备的能力,它只负责和这些设备的端口进行数据交换就好。设备厂商也会在提供设备时,附带与硬件匹配的软件,来配合 CPU 一起工作。说到这里,我们便得到了最基础的计算机,也是计算机之父冯·诺伊曼在 1945 年提出的体系结构。

不过由于机器指令人类读起来非常不友好,难以阅读和记忆,所以人们发明了编程语言和编译器。编译器可以把人类更容易理解的语言转换为机器指令。除此之外,我们还需要操作系统,来帮我们解决软件治理的问题。我们知道操作系统有很多,如 Windows、Mac、Linux、Android、iOS、鸿蒙等,使用这些操作系统的设备更是数不胜数。为了消除客户端的多样性,实现跨平台并提供统一的编程接口,浏览器便诞生了。

所以,我们可以将浏览器看作操作系统之上的操作系统,而对于我们前端工程师最熟悉的 JavaScript 代码来说,浏览器引擎(如:V8)就是它的整个世界。

星球最强 JavaScript 引擎

毫无疑问,V8 是最流行、最强的 JavaScript 引擎,V8 这个名字的灵感来源于 50 年代经典的“肌肉车”的引擎。

Programming Languages Software Award

V8 也曾获得了学术界的肯定,拿到了 ACM SIGPLAN 的 Programming Languages Software Award

主流 JS 引擎

JavaScript 的主流引擎如下所示:

V8 发布周期

V8 团队使用 4 种 Chrome 发布渠道向用户推送新版本。

  • Canary releases 金丝雀版 (每天)
  • Dev releases 开发版 (每周)
  • Beta releases 测试版 (每 6 周)
  • Stable releases 稳定版 (每 6 周)

想要了解更多,请戳 V8 引擎版本发布流程

V8 架构演进史

2008 年 9 月 2 日,V8 与 Chrome 在同一天开源,最初的代码提交日期可追溯到 2008 年 6 月 30 日,你可以通过下面的链接查看 V8 代码库的可视化演化进程。

当时的 V8 架构简单粗暴,只有一个 Codegen 编译器。

2010 年,V8 中加入了 Crankshaft 优化编译器,大大提升了运行时性能。Crankshaft 生成的机器代码比之前的 Codegen 编译器快两倍,而体积减少了 30%。

2015 年,为了进一步提升性能,V8 引入了 TurboFan 优化编译器。

接下来到了分水岭,在此之前,V8 都是选择将源码直接编译为机器码的架构。不过随着 Chrome 在移动设备的普及,V8 团队发现了这种架构下存在的致命问题:编译时间过长、机器码的内存占用很大。

所以,V8 团队对引擎架构进行了重构,在 2016 年引入了 Ignition 解释器和字节码

2017 年,V8 默认开启全新的编译 pipeline(Ignition + TurboFan),并移除了 Full-codegen 和 Crankshaft

高性能的 JS 引擎不仅需要 TurboFan 这样高度优化的编译器,在编译器有机会开始工作之前的性能,也存在着大量的优化空间。

于是在 2021 年,V8 引入新的编译管道 Sparkplug

对于 Sparkplug 想要了解更多,请戳Sparkplug

食堂老板娘:原来 V8 架构经历了这么多的变化

食堂老板:是的,V8 团队为了不断的优化引擎的性能,做了很多努力。

V8 工作机制

敲黑板,进入本文的重点。

食堂老板娘:拿出小本本记好

V8 执行 JavaScript 代码的核心流程分为以下两个阶段:

  • 编译
  • 执行

编译阶段指 V8 将 JavaScript 转换为字节码或者二进制机器码,执行阶段指解释器解释执行字节码,或者 CPU 直接执行二进制机器码。

为了对 V8 整体的工作机制有更好的理解,我们先来搞懂下面几个概念。

机器语言、汇编语言、高级语言

CPU 的指令集就是机器语言,CPU 只能识别二进制的指令。但是对人类来说,二进制难以阅读和记忆,所以人们将二进制转换为可以识别、记忆的语言,也就是汇编语言,通过汇编编译器可以将汇编指令转换为机器指令。

不同的 CPU 有不同的指令集,使用汇编语言编程需要兼容不同的 CPU 架构,如 ARM、MIPS 等,学习成本比较高。汇编语言这层抽象还远远不够,所以高级语言应运而生,高级语言屏蔽了计算机架构的细节,兼容多种不同的 CPU 架构。

CPU 同样不认识高级语言,一般有两种方式执行高级语言的代码,也就是:

  • 解释执行
  • 编译执行

解释执行、编译执行

解释执行会先将输入的源码通过解析器编译成中间代码,再直接使用解释器解释执行中间代码,输出结果。

编译执行也会将源码转换为中间代码,然后编译器会将中间代码编译成机器码,通常编译成的机器码以二进制文件形式存储,执行二进制文件输出结果。编译后的机器码还可以保存在内存中,可以直接执行内存中的二进制代码。

JIT (Just In Time)

解释执行启动速度快,执行速度慢,而编译执行启动速度慢,执行速度快。

V8 权衡利弊后同时采用了解释执行和编译执行这两种方式,这种混合使用的方式称为 JIT (即时编译)

V8 在执行 JavaScript 源码时,首先解析器会将源码解析为 AST 抽象语法树,解释器 (Ignition) 会将 AST 转换为字节码,一边解释一边执行。

解释器同时会记录某一代码片段的执行次数,如果执行次数超过了某个阈值,这段代码便会被标记为热代码(Hot Code),同时将运行信息反馈给优化编译器 TurboFan,TurboFan 根据反馈信息,会优化并编译字节码,最后生成优化的机器码。

食堂老板娘:也就是说,当这段代码再次执行时,解释器就可以直接运行优化后的机器码,不需要再次解释,这样会提升很多性能吧?

食堂老板:对的!

V8 的解释器和编译器的名字寓意非常有趣,解释器 Ignition 代表点火器,编译器 TurboFan 代表涡轮增压,代码启动时通过点火器发动,TurboFan 一旦介入,执行效率会越来越高。

了解了 V8 的大体工作机制,接下来我们继续深入,看一下 V8 核心模块的工作原理。

V8 核心模块工作原理

V8 的核心模块包括:

  • Parser:解析器负责将 JavaScript 代码转换成 AST 抽象语法树。
  • Ignition:解释器负责将 AST 转换为字节码,并收集 TurboFan 需要的优化编译信息。
  • TurboFan:利用解释器收集到的信息,将字节码转换为优化的机器码。

V8 需要等编译完成后才可以运行代码,所以解析和编译过程中的性能十分重要。

解析器 Parser

解析器的解析过程分为两个阶段:

  • 词法分析 (Scanner 词法分析器)
  • 语法分析 (Pre-Parser、Parser 语法分析器)

词法分析

Scanner 负责接收 Unicode Stream 字符流,将其解析为 tokens,提供给解析器 Parser

比如下面这段代码:

let myName = '童欧巴'
复制代码

会被解析成 letmyName='童欧巴',它们分别是关键字、标识符、赋值运算符以及字符串。

语法分析

接下来,语法分析会将上一步生成的 tokens,根据语法规则转换为 AST,如果源码存在语法错误,在这一阶段就会终止并抛出语法错误。

可以通过这个网站查看 AST 的结构:astexplorer.net/

也可以通过这个链接resources.jointjs.com/demos/javas…直接生成图片,如下所示:

得到了 AST,V8 便会生成该段代码的执行上下文

惰性解析

主流的 JavaScript 引擎都采用了惰性解析(Lazy Parsing),因为源码在执行前如果全部完全解析的话,不仅会造成执行时间过长,而且会消耗更多的内存以及磁盘空间。

惰性解析就是指如果遇到并不是立即执行的函数,只会对其进行预解析(Pre-Parser),当函数被调用时,才会对其完全解析。

预解析时,只会验证函数的语法是否有效、解析函数声明以及确定函数作用域,并不会生成 AST,这项工作由 Pre-Parser 预解析器完成。

解释器 Ignition

得到了 AST 和执行上下文,接下来解释器会将 AST 转换为字节码并执行。

食堂老板娘:为什么要引入字节码呢?

引入字节码是一种工程上的权衡,从图中可以看出,仅仅是一个几 KB 的文件,生成的机器码就已经占用了大量的内存空间。

相比机器码,字节码不仅占用内存少,而且生成字节码的时间很快,提升了启动速度。虽然字节码没有机器码执行速度快,但是牺牲了一点执行效率,换来的收益还是很值得的。

况且,字节码与特定类型的机器码无关,通过解释器将字节码转换为机器码后才可以执行,这样也使得 V8 更加方便的移植到不同的 CPU 架构。

你可以通过如下命令,查看 JavaScript 代码生成的字节码。

node --print-bytecode index.js
复制代码

也可以通过如下链接进行查看:

我们来看一段代码:

// index.js
function add(a, b) {
    return a + b
}

add(2, 4)
复制代码

上面的代码在执行命令后,会生成如下的字节码:

[generated bytecode for function: add (0x1d3fb97c7da1 <SharedFunctionInfo add>)]
Parameter count 3
Register count 0
Frame size 0
   25 S> 0x1d3fb97c8686 @    0 : 25 02             Ldar a1
   34 E> 0x1d3fb97c8688 @    2 : 34 03 00          Add a0, [0]
   37 S> 0x1d3fb97c868b @    5 : aa                Return
Constant pool (size = 0)
Handler Table (size = 0)
Source Position Table (size = 8)
0x1d3fb97c8691 <ByteArray[8]>
复制代码

其中,Parameter count 3 表示三个参数,包括传入的 a,b 以及 this。字节码的详细信息如下:

Ldar a1 // 表示将寄存器中的值加载到累加器中
Add a0, [0] // 从 a0 寄存器加载值并且将其与累加器中的值相加,然后将结果再次放入累加器
Return // 结束当前函数的执行,并把控制权传给调用方,将累加器中的值作为返回值
复制代码

每行字节码都对应着特定的功能,一行行字节码就如同搭乐高积木一样,组装到一起就构成了完整的程序。

解释器通常有两种类型,基于栈基于寄存器的解释器,早期的 V8 解释器也是基于栈的,现在的 V8 解释器采用了基于寄存器的设计,支持寄存器的指令操作,使用寄存器来保存参数和中间计算结果。

Ignition 解释器在执行字节码时,主要使用了通用寄存器累加寄存器,相关的函数参数和局部变量会保存在通用寄存器中,累加寄存器会保存中间结果。

在执行指令的过程中,CPU 需要对数据进行读写,如果直接在内存中读写的话,会严重影响程序的执行性能。所以 CPU 就引入了寄存器,将一些中间数据存放到寄存器中,提升 CPU 的执行速度。

编译器 TurboFan

在编译方面,V8 团队同样做了很多优化,我们来看下内联和逃逸分析。

内联 inlining

关于内联,我们先来看一段代码:

function add(a, b) {
  return a + b
}
function foo() {
  return add(2, 4)
}
复制代码

如上代码所示,我们在 foo 函数中调用了函数 add,add 函数接收 a,b 两个参数,返回他们的和。如果不经过编译器优化,则会分别生成这两个函数所对应的机器码。

为了提升性能,TurboFan 优化编译器会将上面两个函数进行内联,然后再进行编译。内联后的函数如下所示:

function fooAddInlined() {
  var a = 2
  var b = 4
  var addReturnValue = a + b
  return addReturnValue
}

// 因为 fooAddInlined 中 a 和 b 的值都是确定的,所以可以进一步优化
function fooAddInlined() {
  return 6
}
复制代码

内联优化后,编译生成的机器码会精简很多,执行效率也有很大的提升。

逃逸分析 Escape Analysis

逃逸分析也不难理解,它的意思就是分析对象的生命周期是否仅限于当前函数,我们来看一段代码:

function add(a, b){
  const obj = { x: a, y: b }
  return obj.x + obj.y
}
复制代码

如果对象只在函数内部定义,并且对象只作用于函数内部的话,就会被认为是“未逃逸”的,我们可以将上面代码进行优化:

function add(a, b){
  const obj_x = a
  const obj_y = b
  return obj_x + obj_y
}
复制代码

优化后,无需再有对象定义,而且我们可以直接将变量加载到寄存器上,不再需要从内存中访问对象属性。不仅减少了内存消耗,而且提升了执行效率。

关于逃逸分析,Chrome 曾经也爆出过安全漏洞,使整个互联网变慢,感兴趣请戳V8 团队的一个错误,使得整个互联网变慢

除了上述提到的各种优化方案和模块,V8 还有很多优化手段和核心模块,如:使用隐藏类快速获取对象属性、使用内联缓存提升函数执行效率、Orinoco 垃圾回收器、Liftoff WebAssembly 编译器等等,本文不再过多介绍,大家感兴趣可以自行学习。

小结

本文从宏观视角看 V8、V8 架构演进史、V8 的工作机制以及 V8 核心模块的工作原理几个方面进行了介绍和总结,我们可以发现,无论是 Chrome 还是 Node.js,它们只是一个桥梁,负责把我们前端工程师编写的 JavaScript 代码运输到最终的目的地,转换成对应机器的机器码并执行。在这段旅程中,V8 团队做了很大的努力,给他们最大的 respect。

虽然 CPU 的指令集是有限的,但是我们软件工程师编写的程序不是固定的,正是这些程序最终被 CPU 执行,才有了改变世界的可能。

你们是最棒的,改变世界的程序们!

食堂老板娘:童童,你是最胖的!^_^

站在巨人的肩膀上

  • V8是如何执行 JavaScript 代码的?-老蒋
  • 图解 Google V8 -李兵
  • 许式伟的架构课
  • v8.dev/blog

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