JavaScript深入淺出第4課：V8引擎是如何工作的？

摘要： 性能彪悍的V8引擎。

《JavaScript深入淺出》系列：

• JavaScript深入淺出第1課：箭頭函數中的this究竟是什么鬼？
• JavaScript深入淺出第2課：函數是一等公民是什么意思呢？
• JavaScript深入淺出第3課：什么是垃圾回收算法？
• JavaScript深入淺出第4課：V8是如何工作的？

最近，JavaScript生態系統又多了2個非常硬核的項目。

大神Fabrice Bellard發布了一個新的JS引擎QuickJS，可以將JavaScript源碼轉換為C語言代碼，然后再使用系統編譯器(gcc或者clang)生成可執行文件。

Facebook為React Native開發了新的JS引擎Hermes，用于優化安卓端的性能。它可以在構建APP的時候將JavaScript源碼編譯為Bytecode，從而減少APK大小、減少內存使用，提高APP啟動速度。

作為JavaScript程序員，只有極少數人有機會和能力去實現一個JS引擎，但是理解JS引擎還是很有必要的。本文將介紹一下V8引擎的原理，希望可以給大家一些幫助。

JavaScript引擎

我們寫的JavaScript代碼直接交給瀏覽器或者Node執行時，底層的CPU是不認識的，也沒法執行。CPU只認識自己的指令集，指令集對應的是匯編代碼。寫匯編代碼是一件很痛苦的事情，比如，我們要計算N階乘的話，只需要7行的遞歸函數：

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

代碼邏輯也非常清晰，與階乘數的學定義完美吻合，哪怕不會寫代碼的人也能看懂。

但是，如果使用匯編語言來寫N階乘的話，要300+行代碼n-factorial.s：

這個N階乘的匯編代碼是我大學時期寫的，已經是N年前的事情了，它需要處理10進制與2進制的轉換，需要使用多個字節保存大整數，最多可以計算大概500左右的N階乘。

還有一點，不同類型的CPU的指令集是不一樣的，那就意味著得給每一種CPU重寫匯編代碼，這就很崩潰了。。。

還好，JavaScirpt引擎可以將JS代碼編譯為不同CPU(Intel, ARM以及MIPS等)對應的匯編代碼，這樣我們才不要去翻閱每個CPU的指令集手冊。當然，JavaScript引擎的工作也不只是編譯代碼，它還要負責執行代碼、分配內存以及垃圾回收。

雖然瀏覽器非常多，但是主流的JavaScirpt引擎其實很少，畢竟開發一個JavaScript引擎是一件非常復雜的事情。比較出名的JS引擎有這些：

• V8 (Google)
• SpiderMonkey (Mozilla)
• JavaScriptCore (Apple)
• Chakra (Microsoft)
• IOT：duktape、JerryScript

還有，最近發布QuickJS與Hermes也是JS引擎，它們都超越了瀏覽器范疇，Atwood's Law再次得到了證明：

Any application that can be written in JavaScript, will eventually be written in JavaScript.

V8：強大的JavaScript引擎

在為數不多JavaScript引擎中，V8無疑是最流行的，Chrome與Node.js都使用了V8引擎，Chrome的市場占有率高達60%，而Node.js是JS后端編程的事實標準。國內的眾多瀏覽器，其實都是基于Chromium瀏覽器開發，而Chromium相當于開源版本的Chrome，自然也是基于V8引擎的。神奇的是，就連瀏覽器界的獨樹一幟的Microsoft也投靠了Chromium陣營。另外，Electron是基于Node.js與Chromium開發桌面應用，也是基于V8的。

V8引擎是2008年發布的，它的命名靈感來自超級性能車的V8引擎，敢于這樣命名確實需要一些實力，它性能確實一直在穩步提高，下面是使用Speedometer benchmark的測試結果：

V8在工業界已經非常成功了，同時它還獲得了學術界的肯定，拿到了ACM SIGPLAN的Programming Languages Software Award：

V8's success is in large part due to the efficient machine code it generates.
Because JavaScript is a highly dynamic object-oriented language, many experts believed that this level of performance could not be achieved.
V8's performance breakthrough has had a major impact on the adoption of JavaScript, which is nowadays used on the browser, the server, and probably tomorrow on the small devices of the internet-of-things.

JavaScript是一門動態類型語言，這會給編譯器增加很大難度，因此專家們覺得它的性能很難提高，但是V8居然做到了，生成了非常高效的machine code(其實是匯編代碼)，這使得JS可以應用在各個領域，比如Web、APP、桌面端、服務端以及IOT。

嚴格來講，V8所生成的代碼是匯編代碼而非機器代碼，但是V8相關的文檔、博客以及其他資料都把V8生成的代碼稱作machine code。匯編代碼與機器代碼很多是一一對應的，也很容易互相轉換，這也是反編譯的原理，因此他們把V8生成的代碼稱為Machine Code也未嘗不可，但是并不嚴謹。

V8引擎的內部結構

V8是一個非常復雜的項目，使用cloc統計可知，它竟然有超過100萬行C++代碼。

V8由許多子模塊構成，其中這4個模塊是最重要的：

• Parser：負責將JavaScript源碼轉換為Abstract Syntax Tree (AST)
• Ignition：interpreter，即解釋器，負責將AST轉換為Bytecode，解釋執行Bytecode；同時收集TurboFan優化編譯所需的信息，比如函數參數的類型；
• TurboFan：compiler，即編譯器，利用Ignitio所收集的類型信息，將Bytecode轉換為優化的匯編代碼；
• Orinoco：garbage collector，垃圾回收模塊，負責將程序不再需要的內存空間回收；

其中，Parser，Ignition以及TurboFan可以將JS源碼編譯為匯編代碼，其流程圖如下：

簡單地說，Parser將JS源碼轉換為AST，然后Ignition將AST轉換為Bytecode，最后TurboFan將Bytecode轉換為經過優化的Machine Code(實際上是匯編代碼)。

• 如果函數沒有被調用，則V8不會去編譯它。
• 如果函數只被調用1次，則Ignition將其編譯Bytecode就直接解釋執行了。TurboFan不會進行優化編譯，因為它需要Ignition收集函數執行時的類型信息。這就要求函數至少需要執行1次，TurboFan才有可能進行優化編譯。
• 如果函數被調用多次，則它有可能會被識別為熱點函數，且Ignition收集的類型信息證明可以進行優化編譯的話，這時TurboFan則會將Bytecode編譯為Optimized Machine Code，以提高代碼的執行性能。

圖片中的紅線是逆向的，這的確有點奇怪，Optimized Machine Code會被還原為Bytecode，這個過程叫做Deoptimization。這是因為Ignition收集的信息可能是錯誤的，比如add函數的參數之前是整數，后來又變成了字符串。生成的Optimized Machine Code已經假定add函數的參數是整數，那當然是錯誤的，于是需要進行Deoptimization。

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

add(1, 2);
add("1", "2");

在運行C、C++以及Java等程序之前，需要進行編譯，不能直接執行源碼；但對于JavaScript來說，我們可以直接執行源碼(比如：node server.js)，它是在運行的時候先編譯再執行，這種方式被稱為即時編譯(Just-in-time compilation)，簡稱為JIT。因此，V8也屬于JIT編譯器。

Ignition：解釋器

Node.js是基于V8引擎實現的，因此node命令提供了很多V8引擎的選項，使用node的--print-bytecode選項，可以打印出Ignition生成的Bytecode。

factorial.js如下，由于V8不會編譯沒有被調用的函數，因此需要在最后一行調用factorial函數。

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

factorial(10); // V8不會編譯沒有被調用的函數，因此這一行不能省略

使用node命令(node版本為12.6.0)的--print-bytecode選項，打印出Ignition生成的Bytecode：

node --print-bytecode factorial.js

控制臺輸出的內容非常多，最后一部分是factorial函數的Bytecode：

[generated bytecode for function: factorial]
Parameter count 2
Register count 3
Frame size 24
   18 E> 0x3541c2da112e @    0 : a5                StackCheck
   28 S> 0x3541c2da112f @    1 : 0c 01             LdaSmi [1]
   34 E> 0x3541c2da1131 @    3 : 68 02 00          TestEqualStrict a0, [0]
         0x3541c2da1134 @    6 : 99 05             JumpIfFalse [5] (0x3541c2da1139 @ 11)
   51 S> 0x3541c2da1136 @    8 : 0c 01             LdaSmi [1]
   60 S> 0x3541c2da1138 @   10 : a9                Return
   82 S> 0x3541c2da1139 @   11 : 1b 04             LdaImmutableCurrentContextSlot [4]
         0x3541c2da113b @   13 : 26 fa             Star r1
         0x3541c2da113d @   15 : 25 02             Ldar a0
  105 E> 0x3541c2da113f @   17 : 41 01 02          SubSmi [1], [2]
         0x3541c2da1142 @   20 : 26 f9             Star r2
   93 E> 0x3541c2da1144 @   22 : 5d fa f9 03       CallUndefinedReceiver1 r1, r2, [3]
   91 E> 0x3541c2da1148 @   26 : 36 02 01          Mul a0, [1]
  110 S> 0x3541c2da114b @   29 : a9                Return
Constant pool (size = 0)
Handler Table (size = 0)

生成的Bytecode其實挺簡單的：

• 使用LdaSmi命令將整數1保存到寄存器；
• 使用TestEqualStrict命令比較參數a0與1的大小；
• 如果a0與1相等，則JumpIfFalse命令不會跳轉，繼續執行下一行代碼；
• 如果a0與1不相等，則JumpIfFalse命令會跳轉到內存地址0x3541c2da1139
• ...

不難發現，Bytecode某種程度上就是匯編語言，只是它沒有對應特定的CPU，或者說它對應的是虛擬的CPU。這樣的話，生成Bytecode時簡單很多，無需為不同的CPU生產不同的代碼。要知道，V8支持9種不同的CPU，引入一個中間層Bytecode，可以簡化V8的編譯流程，提高可擴展性。

如果我們在不同硬件上去生成Bytecode，會發現生成代碼的指令是一樣的：

TurboFan：編譯器

使用node命令的--print-code以及--print-opt-code選項，打印出TurboFan生成的匯編代碼：

node --print-code --print-opt-code factorial.js

我是在Mac上運行的，結果如下圖所示：

比起Bytecode，正真的匯編代碼可讀性差很多。而且，機器的CPU類型不一樣的話，生成的匯編代碼也不一樣。

這些匯編代碼就不用去管它了，因為最重要的是理解TurboFan是如何優化所生成的匯編代碼的。我們可以通過add函數來梳理整個優化過程。

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

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

由于JS的變量是沒有類型的，所以add函數的參數可以是任意類型：Number、String、Boolean等，這就意味著add函數可能是數字相加(V8還會區分整數和浮點數)，可能是字符串拼接，也可能是其他更復雜的操作。如果直接編譯的話，生成的代碼比如會有很多if...else分支，偽代碼如下：

if (isInteger(x) && isInteger(y)) {
    // 整數相加
} else if (isFloat(x) && isFloat(y)) {
    // 浮點數相加
} else if (isString(x) && isString(y)) {
    // 字符串拼接
} else {
    // 各種其他情況
}

我只寫了4個分支，實際上的分支其實更多，比如當參數類型不一致時還得進行類型轉換，大家不妨看看ECMASCript對加法是如何定義的：12.8.3The Addition Operator ( + )。

如果直接按照偽代碼去生成匯編代碼，那生成的代碼必然非常冗長，這樣會占用很多內存空間。

Ignition在執行add(1, 2)時，已經知道add函數的兩個參數都是整數，那么TurboFan在編譯Bytecode時，就可以假定add函數的參數是整數，這樣可以極大地簡化生成的匯編代碼，偽代碼如下：

if (isInteger(x) && isInteger(y)) {
    // 整數相加
} else {
    // Deoptimization
}

當然這樣做也是有風險的，因為如果add函數參數不是整數，那么生成的匯編代碼也沒法執行，只能Deoptimize為Bytecode來執行。

也就是說，如果TurboFan對add函數進行編譯優化的話，則add(3, 4)與add(3, 4)可以執行優化的匯編代碼，但是add("7", "8")只能Deoptimize為Bytecode來執行。

當然，TurboFan所做的也不只是根據類型信息來簡化代碼執行流程，它還會進行其他優化，比如減少冗余代碼等更復雜的事情。

由這個簡單的例子可知，如果我們的JS代碼中變量的類型變來變去，是會給V8引擎增加不少麻煩的，為了提高性能，我們可以盡量不要去改變變量的類型。

對于性能要求比較高的項目，使用TypeScript也是不錯的選擇，理論上，如果嚴格遵守類型化的編程方式，也是可以提高性能的，類型化的代碼有利于V8引擎優化編譯的匯編代碼，當然這一點還需要測試數據來證明。

Orinoco：垃圾回收

強大的垃圾回收功能是V8實現提高性能的關鍵之一，因為它可以在避免影響JS代碼執行的情況下，同時回收內存空間，提高內存利用效率。

關于垃圾回收，我在JavaScript深入淺出第3課：什么是垃圾回收算法？中有詳細介紹，這里就不再贅述了。

JS引擎的未來

V8引擎確實很強大，但是它也不是無所不能的，簡單地分析都可以發現一些可以優化的點。

我有一個新的想法，還沒想好名字，不妨稱作Optimized TypeScript Engine：

• 使用TypeScript編程，遵循嚴格的類型化編程規則，不要寫成AnyScript了；
• 構建的時候將TypeScript直接編譯為Bytecode，而不是生成JS文件，這樣運行的時候就省去了Parse以及生成Bytecode的過程；
• 運行的時候，需要先將Bytecode編譯為對應CPU的匯編代碼；
• 由于采用了類型化的編程方式，有利于編譯器優化所生成的匯編代碼，省去了很多額外的操作；

這個想法其實可以基于V8引擎來實現，技術上應該是可行的：

• 將Parser以及Ignition拆分出來，用于構建階段；
• 刪掉TurboFan處理JS動態特性的相關代碼；

這樣做，可以將JS引擎簡化很多，一方面不再需要parse以及生成bytecode，另一方面編譯器不再需要因為JavaScript動態特性做很多額外的工作。因此可以減少CPU、內存以及電量的使用，優化性能，唯一的問題可能是必須使用嚴格的TS語法進行編程。

為啥要這樣做呢？因為對于IOT硬件來說，CPU、內存、電量都是需要省著點用的，不是每一個智能家電都需要裝一個驍龍855，如果希望把JS應用到IOT領域，必然需要從JS引擎角度去進行優化，只是去做上層的框架是沒有用的。

其實，Facebook的Hermes差不多就是這么干的，只是它沒有要求用TS編程。

這應該是JS引擎的未來，大家會看到越來越多這樣的趨勢。

關于JS，我打算花1年時間寫一個系列的博客《JavaScript深入淺出》，大家還有啥不太清楚的地方？不妨留言一下，我可以研究一下，然后再與大家分享一下。歡迎添加我的個人微信(KiwenLau)，我是Fundebug的技術負責人，一個對JS又愛又恨的程序員。

參考

• Celebrating 10 years of V8
• Launching Ignition and TurboFan
• JavaScript engines - how do they even?
• An Introduction to Speculative Optimization in V8
• 2018年，JavaScript都經歷了什么？
• JavaScript深入淺出第3課：什么是垃圾回收算法？
• Fabrice Bellard 是個什么水平的程序員？
• 如何評價 Fabrice Bellard 發布 QuickJS JS 引擎?

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