Google V8引擎浅析

前端工程师 @ 公众号:ELab团队

前端开发人员都会遇到一个流行词:V8。它的流行程度很大一部分是因为它将JavaScript的性能提升到了一个新的水平。 是的,V8很快。但它是如何发挥它的魔力?

前言


源代码source.chromium.org/chromium/ch…
在介绍V8引擎之前,我们可以先分析下为什么需要V8引擎?众所周知,前端最火的开发语言非javascript莫属,那javascript与V8是什么样的关系呢?
我们知道,计算机只能识别二进制的机器语言,无法识别更高级的语言,用高级的语言开发,需要先将这些语言翻译成机器语言,而语言种类大体可以分为解释型语言和编译型语言:

语言种类翻译过程优点不足常见语言例子
解释型语言解释器 > 翻译成与平台无关的中间代码与平台无关,跨平台性强每次都需要解释执行
需要源文件
按句执行,执行效率差
javascript、Ruby、Python
编译型语言预处理>编译>汇编>可执行的二进制文件一次编译,永久执行
无需源代码,只需要可执行的源文件
运行速度快
不同系统可识别的二进制文件不同,跨平台兼容性差C、C++、java

JavaScript就是一种解释型语言,支持动态类型、弱类型、基于原型的语言,内置支持类型。一般JavaScript都是在前端侧执行,需要能快速响应用户,所以这就要求语言本身可以被快速地解析和执行,javascript引擎就为此目的而生。

JS引擎历史那些事

1993年网景浏览器诞生,成为浏览器鼻祖。

1995年微软推出了IE浏览器,拉开了第一次浏览器大战的序幕。IE受益于windows系统风靡世界,逐渐占有了大部分市场。

1998年处于低谷的网景公司成立了Mozilla基金会,在该基金会推动下,开发了著名的开源项目Firefox并在2004年发布1.0版本,拉开了第二次浏览器大战的序幕,IE发展更新较缓慢,Firefox一推出就深受大家的喜爱,市场份额一直上升。
2003年,苹果发布了Safari浏览器,并在2005年释放了浏览器中一种非常重要部件的源代码,发起了一个新的开源项目WebKit。

2008年,Google以苹果开源项目WebKit作为内核,创建了一个新的项目Chromium,在Chromium的基础上,Google发布了Chrome浏览器

Google工程师起初曾考虑过使用 Firefox 的 Gecko 内核,然而他们最终被 Android 团队说服采用了 WebKit,他们劝说道:WebKit 轻快、易扩展、代码结构清晰。而且在苹果公司内部不停的速度压榨的情况下,最终才发布了WebKit并把它开源。www.google.com/googlebooks…

站在当下回头来看,当时的选择无比的明智,现在WebKit 更是出现在几乎每一个移动平台——iOS、Android、BlackBerry等等。可惜的是,Google加入了WebKit之列并成为开发的主力后,独立fork出了Blink,自己的内核,又与WebKit分道扬镳了。

在Blink基础之上,为了追求javascript的极致速度和性能,Google工程师又创造出来了V8引擎,而Node的作者认为这么优秀的引擎只在浏览器中跑可惜了,不如拿出来写一些配套的模块,就可以开发服务器端应用了,这就有了Node.js,至此javascript语言从单纯的前端语言,蜕变成了一门全端语言,从而有了全栈工程师的发展方向。

微软依然维护着自己的EdgeHTML引擎,作为老的Trident引擎的替代方案。新的Edge的浏览器已经开始使用Chromium的Blink引擎了,当Edge加入Blink的阵营后,以Webkit和其衍生产品已经牢牢的占有市场的6成以上。

什么是V8引擎

V8引擎是一个JavaScript引擎实现,最初由一些语言方面专家设计,后被谷歌收购,随后谷歌对其进行了开源。V8使用C++开发,在运行JavaScript之前,相比其它的JavaScript的引擎转换成字节码或解释执行,V8将其编译成原生机器码(IA-32, x86-64, ARM, or MIPS CPUs),并且使用了如内联缓存(inline caching)等方法来提高性能。有了这些功能,JavaScript程序在V8引擎下的运行速度媲美二进制程序。V8支持众多操作系统,如windows、linux、android等,也支持其他硬件架构,如IA32,X64,ARM等,具有很好的可移植和跨平台特性。

V8如何运行Javascript

Loading

js文件加载的过程并不是由V8负责的,它可能来自于网络请求、本地的cache或者是也可以是来自service worker,浏览器的js加载的整个过程,就是V8引擎运行js的前置步骤。
3种加载方式 & V8的优化

  • Cold load: 首次加载脚本文件时,没有任何数据缓存
  • Warm load:V8分析到如果使用了相同的脚本文件,会将编译后的代码与脚本文件一起缓存到磁盘缓存中
  • Hot load: 当第三次加载相同的脚本文件时,V8可以从磁盘缓存中载入脚本,并且还能拿到上次加载时编译后的代码,这样可以避免完全从头开始解析和编译脚本

延伸阅读:V8 6.6 进一步改进缓存性能 代码缓存策略优化,简单讲就是从缓存代码依赖编译过程的模式,改变成两个过程解耦,并增加了可缓存的代码量,从而提升了解析和编译的时间
【旧模式】

【新模式】

Parsing

Parsing(分析过程)是将js脚本转换成AST(抽象语法树:Abstract Syntax Tree)的过程

词法分析

Token

从左往右逐个字符地扫描源代码,通过分析,产生一个不同的标记,这里的标记称为token,代表着源代码的最小单位,通俗讲就是将一段代码拆分成最小的不可再拆分的单元,这个过程称为词法标记。词法分析器常用的token标记种类有几类:

  • 常数(整数、小数、字符、字符串等)
  • 操作符(算术操作符、比较操作符、逻辑操作符)
  • 分隔符(逗号、分号、括号等)
  • 保留字
  • 标识符(变量名、函数名、类名等)
TOKEN-TYPE TOKEN-VALUE\
-----------------------------------------------\
T_IF                 if\
T_WHILE              while\
T_ASSIGN             =\
T_GREATTHAN          >\
T_GREATEQUAL         >=\
T_IDENTIFIER name    / numTickets / ...\
T_INTEGERCONSTANT    100 / 1 / 12 / ....\
T_STRINGCONSTANT     "This is a string" / "hello" / ...
复制代码
流式处理

词法处理过程中,输入是字节流,输出是Token流:

定义100行单词处理时间1t,占用内存1m,来对比看下流式和非流式两种方式的区别:

  • 非流式处理: 时间消耗6t,内存消耗峰值3M,读取+处理完成才会释放内存块;
  • 流式处理: 时间消耗是4t,内存消耗峰值1M,内存释放相同机制;

可以发现流式处理能很大程度上提升处理效率和节省内存空间

词法分析器结构


扫描缓存区大小一般是固定的大小,但也无法确保能不影响单词的边界,同时会使用两个指示器(指针),一个指向正在识别的单词头部,一个向前搜索单词的终点。

这里有个概念是:超前搜索,用户可能把关键字等特殊的语句重新定义,所以扫描器需要提前扫描到这些字后面的代码格式,才能确定其最终代表的词性。有这个问题存在会影响到性能,现在的大多数语言会把基本字都设置成保留字,用户不能修改其含义。

有限状态机

扫描器依托有限状态机来实现正则匹配不同的token类型,下面以识别整数和浮点数的状态机为例,简单讲下过程:
单圆代表着“结点”,代表着扫描过程中可能出现的“状态”,也就是上面提到的两个指示器中间对应的所有字符;
箭头指向可称为“边”,从一个状态指向另外一个状态,边的标号代表一个或者多个符号,如果能匹配一条边,向前指针就会前移,指向下个状态
Start代表着开始状态
双圆环代表着接受状态或者最终状态,代表着已经找到了准确的状态,向语法分析器返回一个token和相关的属性值
“*”代表着可能会识别到并不包含接受状态的符号,可能指针需要回退一步或者多步

词法单元模式
digit[0-9]
digitsdigit+
numberdigits(.digits)?(E[+-]?digits)?

23状态对应的是识别为整数,24状态代表为非科学计数法的浮点数,22匹配的是科学计数法的浮点数(包含整数和小数部分),同时也有只有整数部分的。状态机会通过一个state参数来保存识别出来的编号(例如:0-24),然后通过switch 来判断state的值,实现不同状态对应的执行动作。

状态机是一个很有用的设计思想,在很多场景都有使用,大家可以下来好好学习下,React的state,Redux的状态管理等等。

在线demo

Esprima: Parser 在线demo,仅做参考,v8的解析的比这个复杂:v8.dev/blog/scanne…

语法分析

语法分析是指根据某种给定的形式文法对由单词序列构成的输入文本,例如上个阶段的词法分析产物-tokens stream,进行分析并确定其语法结构的过程。
抽象语法树(Abstract Syntax Tree) 是源代码结构的一种抽象表示。它以树状的形式表现编程语言的语法结构,树上的每个节点都表示源代码中的一种结构。
推荐这2个网站可以用来分析代码生成的ast结构:Esprima: Parser
resources.jointjs.com/demos/javas…
以下面代码为例,简单分析下对应生成的AST树形结构:

function f(a, b) {
let result = 0;
if(a > 0) {
result = a + b;
} else {
result = a - b;
}
return result
}
复制代码




V8会将语法分析的过程分为两个阶段来执行:

Pre-parser
  • 跳过还未使用的代码
  • 不会生成对应的ast,会产生不带有变量的引用和声明的scopes信息
  • 解析速度会是Full-parser的2倍
  • 根据js的语法规则仅抛出一些特定的错误信息
Full-parser
  • 解析那些使用的代码
  • 生成对应的ast
  • 产生具体的scopes信息,带有变量引用和声明等信息
  • 抛出所有的js语法错误

默认函数声明后,没有调用,对应的pre-parser:

➜ Desktop d8 test.js --print-ast
[generating bytecode for function: ]
--- AST ---
FUNC at 0
. KIND 0
. LITERAL ID 0
. SUSPEND COUNT 0
. NAME ""
. INFERRED NAME ""
. DECLS
. . FUNCTION "f" = function f
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在文件末尾增加f(1, 2)调用函数方法,就可以触发Full-parser过程:

[generating bytecode for function: f]
--- AST ---
FUNC at 10
. KIND 0
. LITERAL ID 1
. SUSPEND COUNT 0
. NAME "f"
. PARAMS
. . VAR (0x7f80dd00fad8) (mode = VAR, assigned = false) "a"
. . VAR (0x7f80dd00fb80) (mode = VAR, assigned = false) "b"
. DECLS
. . VARIABLE (0x7f80dd00fad8) (mode = VAR, assigned = false) "a"
. . VARIABLE (0x7f80dd00fb80) (mode = VAR, assigned = false) "b"
. . VARIABLE (0x7f80dd00fc28) (mode = LET, assigned = true) "result"
. BLOCK NOCOMPLETIONS at -1
. . EXPRESSION STATEMENT at 25
. . . INIT at 25
. . . . VAR PROXY local[0] (0x7f80dd00fc28) (mode = LET, assigned = true) "result"
. . . . LITERAL undefined
. IF at 35
. . CONDITION at 40
. . . GT at 40
. . . . VAR PROXY parameter[0] (0x7f80dd00fad8) (mode = VAR, assigned = false) "a"
. . . . LITERAL 0
. . THEN at -1
. . . BLOCK at -1
. . . . EXPRESSION STATEMENT at 51
. . . . . ASSIGN at 58
. . . . . . VAR PROXY local[0] (0x7f80dd00fc28) (mode = LET, assigned = true) "result"
. . . . . . ADD at 63
. . . . . . . VAR PROXY parameter[0] (0x7f80dd00fad8) (mode = VAR, assigned = false) "a"
. . . . . . . VAR PROXY parameter[1] (0x7f80dd00fb80) (mode = VAR, assigned = false) "b"
. . ELSE at -1
. . . BLOCK at -1
. . . . EXPRESSION STATEMENT at 83
. . . . . ASSIGN at 90
. . . . . . VAR PROXY local[0] (0x7f80dd00fc28) (mode = LET, assigned = true) "result"
. . . . . . SUB at 94
. . . . . . . VAR PROXY parameter[0] (0x7f80dd00fad8) (mode = VAR, assigned = false) "a"
. . . . . . . VAR PROXY parameter[1] (0x7f80dd00fb80) (mode = VAR, assigned = false) "b"
. RETURN at 105
. . VAR PROXY local[0] (0x7f80dd00fc28) (mode = LET, assigned = true) "result"
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为什么要做两次解析?

如果仅有一次,那必须是Full-parser,但这样的话,大量未使用的代码会消耗非常多的解析时间,结合具体的项目来看下:通过Devtools-Coverage录制的方式可以分析页面哪些代码没有用到:

两次解析的负面影响:如果部分代码片段已经被pre-parser过了,那么在执行的过程中还会经过一次Full-parser,那总体耗时就是0.5*parser + 1 * parser = 1.5parser。
下面罗列了不同种情况的代码声明对应的解析方法:

let a = 0; *// Top-Level 顶层的代码都是 Full-Parsing*
*// 立即执行函数表达式 IIFE = Immediately Invoked Function Expression*
(function eager() {...})(); *// 函数体是 Full-Parsing*
*// 顶层的函数非IIFE*
function lazy() {...} *// 函数体是 Pre-Parsing*
lazy(); *// -> Full-Parsing 开始解析和编译!*
*// 强制触发Full-Parsing解析*
!function eager2() {...}, function eager3() {...} *// full 解析*
let f1 = function lazy() { ... }; *// 函数体是 Pre-Parsing*
let f2 = function lazy() {...}(); *// 先触发了pre 解析, 然后又full解析*
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Bad case: 深度内嵌定义方法

function lazy_outer() { *// pre-parser*
function inner() {
function inner2() {
*// ...*
}
}
}
lazy_outer(); *// pre-parsing inner & inner2*
inner(); *// pre-parsing inner & inner2 (3rd time!)*
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Parser性能优化Tips
  1. 使用Devtools-Coverage工具分析网页无用代码,并进行裁剪
  2. V8会将Parser过程的结果缓存72个小时,当用到的脚本文件中有任何代码修改了,那么parser缓存的结果就失效了,所以好的实践是将经常变动的代码打包一起,非经常变动的代码打包一起,这就有了第三方库dll的方案。
  3. 可以考虑懒加载方案,当有一些代码无需业务代码执行的最开始需要的话,可以用异步加载的方法后续再加载

Interpret(解释)


解释阶段会将之前生成的AST转换成字节码,代码会被编译器编译成从未被优化过的机器码,在运行的过程中,会将需要优化的代码进行热点标记,再通过更高级的编译器进行优化后再编译。
增加字节码的好处是,并不是将AST直接翻译成机器码,因为对应的cpu系统会不一致,翻译成机器码时要结合每种cpu底层的指令集,这样实现起来代码复杂度会非常高。

内存占用

最开始V8的设计中,运行js代码后会将AST直接转换成二进制的机器码,由于执行机器码的效率是非常高效的,所以这种方式在发布后的一段时间内运行效果是非常好。但机器码会存储在内存中,退出进程后会存储在磁盘上,但如果js源码可能只有1M,但转换后的机器码可能会多达几十M,过度占用会导致性能大大降低。当手机越来变得普及后,内存问题就更加突出了。

Ignition解释器

V8团队为了解决这类性能问题,自己做出了Ignition解释器,在中间过程中增加了字节码
Ignition解释器转换成的字节码,比传统的直接翻译成机器码节省了 25%-50% 的内存空间,同时为了进一步节省,当字节码生成后,AST的数据就直接被废弃掉了。在字节码上又加上了一些元数据,例如记录源代码的位置和用于执行字节码的处理方法等。

还是以上面的代码为例,看下d8下的字节码

function add(x, y) {
var z = x + y;
return z;
}
add(1,2);
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➜ Desktop d8 test.js --print-bytecode
[generated bytecode for function: (0x3ae908292f71 <SharedFunctionInfo>)]
Bytecode length: 28
Parameter count 1
Register count 4
Frame size 32
OSR nesting level: 0
Bytecode Age: 0
0x3ae908293032 @ 0 : 13 00 LdaConstant [0]
0x3ae908293034 @ 2 : c2 Star1
0x3ae908293035 @ 3 : 19 fe f8 Mov <closure>, r2
0x3ae908293038 @ 6 : 64 4f 01 f9 02 CallRuntime [DeclareGlobals], r1-r2
0x3ae90829303d @ 11 : 21 01 00 LdaGlobal [1], [0]
0x3ae908293040 @ 14 : c2 Star1
0x3ae908293041 @ 15 : 0d 03 LdaSmi [3]
0x3ae908293043 @ 17 : c1 Star2
0x3ae908293044 @ 18 : 0d 04 LdaSmi [4]
0x3ae908293046 @ 20 : c0 Star3
0x3ae908293047 @ 21 : 62 f9 f8 f7 02 CallUndefinedReceiver2 r1, r2, r3, [2]
0x3ae90829304c @ 26 : c3 Star0
0x3ae90829304d @ 27 : a8 Return
Constant pool (size = 2)
0x3ae908293001: [FixedArray] in OldSpace
- map: 0x3ae908002205 <Map>
- length: 2
0: 0x3ae908292fb9 <FixedArray[2]>
1: 0x3ae908003f85 <String[3]: #add>
Handler Table (size = 0)
Source Position Table (size = 0)
[generated bytecode for function: add (0x3ae908292fc9 <SharedFunctionInfo add>)]
Bytecode length: 7
Parameter count 3
Register count 1
Frame size 8
OSR nesting level: 0
Bytecode Age: 0
0x3ae908293156 @ 0 : 0b 04 Ldar a1
0x3ae908293158 @ 2 : 38 03 00 Add a0, [0]
0x3ae90829315b @ 5 : c3 Star0
0x3ae90829315c @ 6 : a8 Return
Constant pool (size = 0)
Handler Table (size = 0)
Source Position Table (size = 0)
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V8在执行字节码的过程中,使用到了通用寄存器累加寄存器,函数参数和局部变量保存在通用寄存器里面,累加器中保存中间计算结果,在执行指令的过程中,如果直接由cpu从内存中读取数据的话,比较影响程序执行的性能,使用寄存器存储中间数据的设计,可以大大提升cpu执行的速度。
这里面包含了很多编译原理里面涉及到的指令集。
字节码更多指令可以看下V8-Ignition的源码

参考文档:Google Ignition ppt

编译器

这个过程主要指是V8的TurboFan编译器将字节码翻译成机器码的过程。
字节码配合解释器和编译器这一技术设计,可以称为JIT,即时编译技术,java虚拟机也是类似的技术,解释器在解释执行字节码时,会收集代码信息,标记一些热点代码热点代码(hotspot)就是一段代码被重复执行多次,TurboFan会将热点代码直接编译成机器码,缓存起来,下次调用直接运行对应的二进制的机器码,加速执行速度。

TurboFan的整体优化过程,可参见下图,这里的优化分为了3层,更偏向于系统底层

TurboFan
将字节码编译成机器码的过程中,还进行了简化处:常量合并、强制折减、代数重新组合。

类型推断(Speculative Optimization)是TurboFan的一大核心能力,

Execution(执行)

在Javascript的执行过程中,经常遇到的就是对象属性的访问。作为一种动态的语言,在js中,一行简单的属性访问可能包含着复杂的语义: Object.xxx的形式,可能是属性的直接访问,也可能调用的对象的Getter方法,还有可能是要通过原型链往上层对象中查找。
这种不确定性而且动态判断的情况,会浪费很多查找时间,降低运行的速度,V8中会把第一次分析的结果放在缓存中,当再次访问相同的属性时,会优先从缓存中去取,调用GetProperty(Object, "xxx", feedback_cache)的方法获取缓存,如果有缓存结果,就会跳过查找过程。

Object Shapes

在静态语言中,代码执行前要先进行编译,编译的时候,每个对象的属性都是固定的, 直接可以通过记录某个属性相对该对象的地址的偏移量,就可直接读取到属性值, 而在动态语言中,对象的属性是会被实时改动的,能否可以借鉴静态语言的这种特点来设计呢?
V8加入了Object Shapes 或者叫做Hidden Class(隐藏类)的概念。 V8会给每个对象创建一个隐藏类,里面记录了对象的一些基本信息:

  • 对象所包含的所有属性
  • 每个属性相对于该对象的偏移量

有了属性名和地址的偏移量,当访问对象的某个属性时,就可以直接从内存中读取到,不需要再经过一系列的查找,大大提升了V8访问对象时的效率。 以代码为例:

let demoObj = { a:1, b:2 }; %DebugPrint(demoObj); // d8内部api 
复制代码

执行d8的调试命令查看对应的隐藏类结构:

➜ Desktop d8 --allow-natives-syntax test2.js
DebugPrint: 0x2ef2081094b5: [JS_OBJECT_TYPE]
- map: 0x2ef2082c78c1 <Map(HOLEY_ELEMENTS)> [FastProperties] //隐藏类地址
- prototype: 0x2ef208284205 <Object map = 0x2ef2082c21b9> // 原型链
- elements: 0x2ef20800222d <FixedArray[0]> [HOLEY_ELEMENTS] // elements 和 properties 快慢属性相关
- properties: 0x2ef20800222d <FixedArray[0]>
- All own properties (excluding elements): {
0x2ef20808ecf9: [String] in ReadOnlySpace: #a: 1 (const data field 0), location: in-object
0x2ef20808ed95: [String] in ReadOnlySpace: #b: 2 (const data field 1), location: in-object
}
0x2ef2082c78c1: [Map] // 对应的隐藏类
- type: JS_OBJECT_TYPE
- instance size: 20
- inobject properties: 2
- elements kind: HOLEY_ELEMENTS
- unused property fields: 0
- enum length: invalid
- stable_map
- back pointer: 0x2ef2082c7899 <Map(HOLEY_ELEMENTS)>
- prototype_validity cell: 0x2ef208202405 <Cell value= 1>
- instance descriptors (own) #2: 0x2ef2081094e5 <DescriptorArray[2]>
- prototype: 0x2ef208284205 <Object map = 0x2ef2082c21b9>
- constructor: 0x2ef208283e3d <JSFunction Object (sfi = 0x2ef208209071)>
- dependent code: 0x2ef2080021b9 <Other heap object (WEAK_FIXED_ARRAY_TYPE)>
- construction counter: 0
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隐藏类的复用

现在我们清楚每个对象都有一个map属性,指向的是一个隐藏类,如果两个相同形状的对象,在V8中会复用同一个隐藏类,这样会减少创建隐藏类的次数,加快V8的执行速度,同时也会减少隐藏类占用的内存空间,相同形状的定义:

  • 相同的属性名称
  • 相同的属性名顺序一致
  • 相同的属性个数
let demoObj = { a:1, b:2 }; 
let demoObj2 = { a:100, b:200 }; 
%DebugPrint(demoObj); 
%DebugPrint(demoObj2); 
复制代码



当对象的隐藏类创建完成后,一旦对象发生形状上的改变:增加新的属性或者是删除旧的属性时,隐藏类就会重新被创建,这个动作是V8执行过程中的一笔开销。所以这里的代码优化建议

  1. 尽量创建形状一致的对象,属性的顺序、属性的key值、key值的个数尽量保持一致
  2. 尽量不要后面再加入临时属性,声明对象时属性完整,因为每次加入属性,破坏了原有的对象形状,隐藏类要重新创建
  3. 尽量不要使用delete 删除对象属性,同理于上条原理,会破坏对象的形状

总结

V8引擎经历了多年的不断完善和新技术的演进,里面涵盖了太多的技术点和设计思想,本次分享主要是从js脚本内容下载到最终在V8引擎执行的过程进行分析,来体会一下V8的独到之处,和它不断追求极致性能的思想,加深对V8的理解,也能更好地写出高效的代码,而且很多优化思想也可以在其他的语言或框架中得到印证,还有很多比较深入的知识点,例如:内联属性策略、反馈向量机制、快慢属性等,后续的分享文章中会进一步解析,欢迎大家不吝指正和探讨,一起探究v8引擎背后绝妙的设计思想。

参考文档

浏览器工作原理-webkit内核研究
Using d8 · V8
V8 JavaScript engine 官网
认识 V8 引擎
[译] Blink内核是如何工作的?
词法分析--手动词法单元的识别(状态转换图、KMP算法)
v8 parser JS
利用 V8 深入理解 JavaScript 设计
[译] V8引擎中基于推测的优化介绍
JS引擎工作原理详解

❤️ 谢谢支持

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