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走进chrome内心,了解V8引擎是如何工作的

阳呀呀
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作为一个前端程序员,每天上班的第一件事就是打开电脑,不由自主的点开chrome浏览器,或是摸会儿鱼或是立马进入工作状态。接下来浏览器窗口就会陪伴着你度过一天的时光,正常到七八点钟,晚点就九十点钟,再晚点就陪你跨过一天,时刻关注着你的工作。作为一个忠诚陪伴你的伙伴,你扪心自问,你有认真的了解过它是如何工作的吗?你有走进过它的内心世界吗?

如果你也好奇过,那么请收看这期的《走进chrome内心,了解V8引擎是如何工作的》。

V8是什么

在深入了解一件事物之前,首先要知道它是什么。

V8是一个由Google开源的采用C++编写的高性能JavaScriptWebAssembly引擎,应用在 ChromeNode.js等中。它实现了ECMAScriptWebAssembly,运行在Windows 7及以上、macOS 10.12+以及使用x64、IA-32、ARMMIPS处理器的Linux系统上。 V8可以独立运行,也可以嵌入到任何C++应用程序中。

V8由来

接下来我们来关心关心它如何诞生的,以及为什么叫这个名字。

V8最初是由Lars Bak团队开发的,以汽车的V8发动机(有八个气缸的V型发动机)进行命名,预示着这将是一款性能极高的JavaScript引擎,在2008年9月2号chrome一同开源发布。

为什么需要V8

我们写的JavaScript代码最终是要在机器中被执行的,但机器无法直接识别这些高级语言。需要经过一系列的处理,将高级语言转换成机器可以识别的的指令,也就是二进制码,交给机器执行。这中间的转换过程就是V8的具体工作。

接下来我们就来详细的了解一下。

V8组成

首先来看一下V8的内部组成。V8的内部有很多模块,其中最重要的4个如下:

  • Parser: 解析器,负责将源代码解析成AST
  • Ignition: 解释器,负责将AST转换成字节码并执行,同时会标记热点代码
  • TurboFan: 编译器,负责将热点代码编译成机器码并执行
  • Orinoco: 垃圾回收器,负责进行内存空间回收

V8工作流程

以下是V8中几个重要模块的具体工作流程图。我们逐个分析。

V8工作流程.png

Parser解析器

Parser解析器负责将源代码转换成抽象语法树AST。在转换过程中有两个重要的阶段:词法分析(Lexical Analysis)语法分析(Syntax Analysis)

词法分析

也称为分词,是将字符串形式的代码转换为标记(token)序列的过程。这里的token是一个字符串,是构成源代码的最小单位,类似于英语中单词。词法分析也可以理解成将英文字母组合成单词的过程。词法分析过程中不会关心单词之间的关系。比如:词法分析过程中能够将括号标记成token,但并不会校验括号是否匹配。

JavaScript中的token主要包含以下几种:

关键字:var、let、const等

标识符:没有被引号括起来的连续字符,可能是一个变量,也可能是 if、else 这些关键字,又或者是 true、false 这些内置常量

运算符: +、-、 *、/ 等

数字:像十六进制,十进制,八进制以及科学表达式等

字符串:变量的值等

空格:连续的空格,换行,缩进等

注释:行注释或块注释都是一个不可拆分的最小语法单元

标点:大括号、小括号、分号、冒号等

以下是const a = 'hello world'经过esprima词法分析后生成的tokens

[
    {
        "type": "Keyword",
        "value": "const"
    },
    {
        "type": "Identifier",
        "value": "a"
    },
    {
        "type": "Punctuator",
        "value": "="
    },
    {
        "type": "String",
        "value": "'hello world'"
    }
]
语法分析

语法分心是将词法分析产生的token按照某种给定的形式文法转换成AST的过程。也就是把单词组合成句子的过程。在转换过程中会验证语法,语法如果有错的话,会抛出语法错误。

上述const a = 'hello world'经过语法分析后生成的AST如下:

{
  "type": "Program",
  "body": [
    {
      "type": "VariableDeclaration",
      "declarations": [
        {
          "type": "VariableDeclarator",
          "id": {
            "type": "Identifier",
            "name": "a"
          },
          "init": {
            "type": "Literal",
            "value": "hello world",
            "raw": "'hello world'"
          }
        }
      ],
      "kind": "const"
    }
  ],
  "sourceType": "script"
}

经过Parser解析器生成的AST将交由Ignition解释器进行处理。

Ignition解释器

Ignition解释器负责将AST转换成字节码(Bytecode)并执行。字节码是介于AST和机器码之间的一种代码,与特定类型的机器代码无关,需要通过解释器转换成机器码才可以执行。

看到这里想必大家都有疑惑,既然字节码也需要转换成机器码才能运行,那一开始为什么不直接将AST转换成机器码直接运行呢?转换成机器码直接运行速度肯定更快,那为什么还要加一个中间过程呢?

其实在V85.9版本之前是没有字节码的,而是直接将JS代码编译成机器码并将机器码存储到内存中,这样就占用了大量的内存,而早期的手机内存都不高,过度的占用会导致手机性能大大的下降;而且直接编译成机器码导致编译时间长,启动速度慢;再者直接将JS代码转换成机器码需要针对不同的CPU架构编写不同的指令集,复杂度很高。

5.9版本以后引入了字节码,可以解决上述内存占用大、启动时间长、代码复杂度高这几个问题。

接下来我们来看看Ignition是如何将AST转换成字节码的。

下图是Ignition解释器的工作流程图。AST需要先通过字节码生成器,再经过一系列的优化之后才能生成字节码。

ignation.png

其中的优化包括:

  • Register Optimizer:主要是避免寄存器不必要的加载和存储
  • Peephole Optimizer:寻找字节码中可以复用的部分,并进行合并
  • Dead-code Elimination: 删除无用的代码,减少字节码的大小

将代码转换成字节码后就可以通过解释器执行了。Ignition在执行的过程中,会监视代码的执行情况并记录执行信息,如函数的执行次数、每次执行函数时所传的参数等。

当同一段代码被执行多次,就会被标记成热点代码。热点代码会交给TurboFan编译器进行处理。

TurboFan编译器

TurboFan拿到Ignition标记的热点代码后,会先进行优化处理,然后将优化后字节码编译成更高效的机器码存储起来。下次再次执行相同代码时,会直接执行相应的机器码,这样就在很大程度上提升了代码的执行效率。

当一段代码不再是热点代码后,TurboFan会进行去优化的过程,将优化编译后的机器码还原成字节码,将代码的执行权利交还给Ignition

现在我们来看一看具体的执行过程。

sum += arr[i]为例,由于JS是动态类型的语言,每次的sumarr[i]都有可能是不同的类型,在执行这段代码时,Ignition每次都会检查sumarr[i]的数据类型。当发现同样的代码被执行了多次时,就将其标记为热点代码,交给TurboFan

TurboFan在执行时,如果每次都判断sumarr[i]的数据类型是很浪费时间的。因此在优化时,会根据之前的几次执行确定sumarr[i]的数据类型,将其编译成机器码。下次再执行时,省去了判断数据类型的过程。

但如果在后续的执行过程中,arr[i]的数据类型发生了改变,之前生成的机器码就不满足要求了,TurboFan会把之前生成的机器码丢弃,将执行权利再交给Ignition,完成去优化的过程。

热点代码:
image.png

优化前:
image.png

优化后:
image.png

总结

现在我们来总结一下V8的执行过程:

  1. 源代码经过Parser解析器,经过词法分析和语法分析生成AST
  2. AST经过Ignition解释器生成字节码并执行
  3. 在执行过程中,如果发现热点代码,将热点代码交给TurboFan编译器生成机器码并执行
  4. 如果热点代码不再满足要求,进行去优化处理

这种字节码与解释器和编译器结合的技术,就是我们通常所说的即时编译(JIT)。

本文并没有介绍垃圾回收器OrinocoV8的垃圾回收机制可以单独用一篇文章来详细介绍,我们下期再见。

参考文章

  1. V8官方文档
  2. Celebrating 10 years of V8
  3. V8是如何执行JavaScript代码的?
  4. Ignition: An Interpreter for V8
  5. 即时编译
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