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    toutiao
  • 5年 之前

V8 引擎是如何工作的？

JavaScript引擎

我们写的JavaScript代码直接交给浏览器或者Node执行时，底层的CPU是不认识的，也没法执行。CPU只认识自己的指令集，指令集对应的是汇编代码。写汇编代码是一件很痛苦的事情，比如，我们要计算N阶乘的话，只需要7行的递归函数：

function factorial(N) {
if (N === 1) {
return 1;
} else {
return N * factorial(N – 1);
}
}

代码逻辑也非常清晰，与阶乘的数学定义完美吻合，哪怕不会写代码的人也能看懂。

但是，如果使用汇编语言来写N阶乘的话，要300+行代码n-factorial.s：

V8：强大的JavaScript引擎

在为数不多JavaScript引擎中，V8无疑是最流行的，Chrome与Node.js都使用了V8引擎，Chrome的市场占有率高达60%，而Node.js是JS后端编程的事实标准。国内的众多浏览器，其实都是基于Chromium浏览器开发，而Chromium相当于开源版本的Chrome，自然也是基于V8引擎的。神奇的是，就连浏览器界的独树一帜的Microsoft也投靠了Chromium阵营。另外，Electron是基于Node.js与Chromium开发桌面应用，也是基于V8的。

V8引擎是2008年发布的，它的命名灵感来自超级性能车的V8引擎，敢于这样命名确实需要一些实力，它性能确实一直在稳步提高，下面是使用Speedometer benchmark的测试结果：

V8引擎的内部结构

V8是一个非常复杂的项目，使用cloc统计可知，它竟然有超过100万行C++代码。

V8由许多子模块构成，其中这4个模块是最重要的：

  • Parser：负责将JavaScript源码转换为Abstract Syntax Tree (AST)

  • Ignition：interpreter，即解释器，负责将AST转换为Bytecode，解释执行Bytecode；同时收集TurboFan优化编译所需的信息，比如函数参数的类型；

  • TurboFan：compiler，即编译器，利用Ignitio所收集的类型信息，将Bytecode转换为优化的汇编代码；

  • Orinoco：garbage collector，垃圾回收模块，负责将程序不再需要的内存空间回收；

其中，Parser，Ignition以及TurboFan可以将JS源码编译为汇编代码，其流程图如下：

Ignition：解释器

生成的Bytecode其实挺简单的：

  • 使用LdaSmi命令将整数1保存到寄存器；

  • 使用TestEqualStrict命令比较参数a0与1的大小；

  • 如果a0与1相等，则JumpIfFalse命令不会跳转，继续执行下一行代码；

  • 如果a0与1不相等，则JumpIfFalse命令会跳转到内存地址0x3541c2da1139

  • …

不难发现，Bytecode某种程度上就是汇编语言，只是它没有对应特定的CPU，或者说它对应的是虚拟的CPU。这样的话，生成Bytecode时简单很多，无需为不同的CPU生产不同的代码。要知道，V8支持9种不同的CPU，引入一个中间层Bytecode，可以简化V8的编译流程，提高可扩展性。

如果我们在不同硬件上去生成Bytecode，会发现生成代码的指令是一样的：

TurboFan：编译器

比起Bytecode，正真的汇编代码可读性差很多。而且，机器的CPU类型不一样的话，生成的汇编代码也不一样。

这些汇编代码就不用去管它了，因为最重要的是理解TurboFan是如何优化所生成的汇编代码的。我们可以通过add函数来梳理整个优化过程。

function add(x, y) {
return x + y;
}

add(1, 2);
add(3, 4);
add(5, 6);
add(“7”, “8”);

由于JS的变量是没有类型的，所以add函数的参数可以是任意类型：Number、String、Boolean等，这就意味着add函数可能是数字相加(V8还会区分整数和浮点数)，可能是字符串拼接，也可能是其他更复杂的操作。如果直接编译的话，生成的代码比如会有很多if…else分支，伪代码如下：

if (isInteger(x) && isInteger(y)) {
// 整数相加
} else if (isFloat(x) && isFloat(y)) {
// 浮点数相加
} else if (isString(x) && isString(y)) {
// 字符串拼接
} else {
// 各种其他情况
}

我只写了4个分支，实际上的分支其实更多，比如当参数类型不一致时还得进行类型转换，大家不妨看看ECMASCript对加法是如何定义的：12.8.3The Addition Operator ( + )。

如果直接按照伪代码去生成汇编代码，那生成的代码必然非常冗长，这样会占用很多内存空间。

Ignition在执行add(1, 2)时，已经知道add函数的两个参数都是整数，那么TurboFan在编译Bytecode时，就可以假定add函数的参数是整数，这样可以极大地简化生成的汇编代码，伪代码如下：

if (isInteger(x) && isInteger(y)) {
// 整数相加
} else {
// Deoptimization
}

当然这样做也是有风险的，因为如果add函数参数不是整数，那么生成的汇编代码也没法执行，只能Deoptimize为Bytecode来执行。

也就是说，如果TurboFan对add函数进行编译优化的话，则add(3, 4)与add(3, 4)可以执行优化的汇编代码，但是add(“7”, “8”)只能Deoptimize为Bytecode来执行。

当然，TurboFan所做的也不只是根据类型信息来简化代码执行流程，它还会进行其他优化，比如减少冗余代码等更复杂的事情。

由这个简单的例子可知，如果我们的JS代码中变量的类型变来变去，是会给V8引擎增加不少麻烦的，为了提高性能，我们可以尽量不要去改变变量的类型。

对于性能要求比较高的项目，使用TypeScript也是不错的选择，理论上，如果严格遵守类型化的编程方式，也是可以提高性能的，类型化的代码有利于V8引擎优化编译的汇编代码，当然这一点还需要测试数据来证明。

强大的垃圾回收功能是V8实现提高性能的关键之一，因为它可以在避免影响JS代码执行的情况下，同时回收内存空间，提高内存利用效率。

关于垃圾回收，我在JavaScript深入浅出第3课：什么是垃圾回收算法？中有详细介绍，这里就不再赘述了。