「Node.js系列」深入浅出讲解V8引擎如何执行JavaScript代码
玫瑰余香000 2020-10-12
看完本文可以掌握，以下几个方面：
- JavaScript的执行原理；
- 浏览器内核的真实结构；
- 浏览器渲染引擎的工作过程；
- V8引擎的工作原理；
- 浏览器和Node.js架构的区别和练习；
- Node.js架构的应用场景和REPL；
- Node.js架构的REPL使用；
PS：本篇文章为「Node.js系列」的第一篇，为邂逅Node.js。
之后会保持每周1~2篇的Node.js文章，欢迎大家和我一起学习大前端进阶系列。
题目中说到的V8引擎，大家自然会联想到Node.js。
我们先看一下官方对Node.js的定义：
Node.js是一个基于V8 JavaScript引擎的JavaScript运行时环境
但是这句话对于我们很多同学来说，非常笼统，比如先抛出这样几个问题：
- 什么是JavaScript运行环境？
- 为什么JavaScript需要特别的运行环境呢？
- JavaScript引擎又是什么呢？
- V8是什么？
上面这些问题，同学们理解的笼统没关系，这篇文章会依次揭晓答案~
我们先来吧这些概念搞清楚，再去看Node到底是什么？为什么大前端需要它。
JavaScript无处不在
Stack Overflow的创立者之一的 Jeff Atwood 在前些年提出了著名的Atwood定律：
- 任何可以使用JavaScript来实现的应用最终都会使用JavaScript实现。
在发明之处，JavaScript的目的是应用于在浏览器执行简单的脚本任务，对浏览器以及其中的DOM进行各种操作，所以JavaScript的应用场景非常受限。
但是随着Node的出现，Atwood定律已经越来越多的被证实是正确的。
但是为了可以理解Node.js是如何帮助我们做到这一点的，我们必须了解JavaScript是如何被运行的。
现在我们想一下，JavaScript代码在浏览器中是如何被执行的呢？
浏览器内核
不同的浏览器有不同的内核组成：
- Gecko：早期被Netscape和Mozilla Firefox浏览器使用；
- Trident：微软开发，被IE4~IE11浏览器使用，但是Edge浏览器已经转向Blink；
- Webkit：苹果基于KHTML开发、开源的，用于Safari，Google Chrome之前也在使用；
- Blink：是Webkit的一个分支，Google开发，目前应用于Google Chrome、Edge、Opera等；
- 等等...
事实上，我们经常说的浏览器内核指的是浏览器的排版引擎：
排版引擎（layout engine），也称为浏览器引擎（browser engine）、页面渲染引擎（rendering engine）或样板引擎。
介绍完浏览器的排版引擎之后，来介绍下浏览器的渲染引擎的工作过程。
渲染引擎工作的过程
浏览器渲染引擎的工作过程
如上图：
- HTML和CSS经过对应的Parser解析之后，会形成对应的DOM Tree和 CSS Tree；
- 它们经过附加合成之后，会形成一个Render Tree，同时生成一个Layout布局，最终通过浏览器的渲染引擎帮助我们完成绘制，展现出平时看到的Hmtl页面；
- 在HTML解析过程中，如果遇到了<script src='xxx'>，会停止解析HTML，而优先去加载和执行JavaScript代码（此过程由JavaScript引擎完成）
因为JavaScript属于高级语言（Python、C++、Java），所以JavaScript引擎会先把它转换成汇编语言，再把汇编语言转换成机器语言（二进制010101），最后被CPU所执行。
JavaScript引擎
为什么需要JavaScript引擎呢？
- 事实上我们编写的JavaScript无论你交给浏览器或者Node执行，最后都是需要被CPU执行的；
- 但是CPU只认识自己的指令集，实际上是机器语言，才能被CPU所执行；
- 所以我们需要JavaScript引擎帮助我们将JavaScript代码翻译成CPU指令来执行；
比较常见的JavaScript引擎有哪些呢？
- SpiderMonkey：第一款JavaScript引擎，由Brendan Eich开发（也就是JavaScript作者）；
- Chakra：微软开发，用于IT浏览器；
- JavaScriptCore：WebKit中的JavaScript引擎，Apple公司开发；
- V8：Google开发的强大JavaScript引擎，也帮助Chrome从众多浏览器中脱颖而出；
上面我们介绍了JavaScript引擎和浏览器内核，但有的同学就该问了它们俩之间有什么联系呢和不同呢？
下面，我以WebKit内核为例。
WebKit内核
事实上WebKit内核由两部分组成的：
WebCore：负责HTML解析、布局、渲染等等相关的工作；
JavaScriptCore：解析、执行JavaScript代码（JavaScript引擎的工作）。
另外一个强大的JavaScript引擎就是V8引擎。
V8引擎
我们来看一下官方对V8引擎的定义：
- 支持语言：V8是用C ++编写的Google开源高性能JavaScript和WebAssembly引擎，它用于Chrome和Node.js等；
（译：V8可以运行JavaScript和WebAssembly引擎编译的汇编语言等）
- 跨平台：它实现ECMAScript和WebAssembly，并在Windows 7或更高版本，macOS 10.12+和使用x64，IA-32，
ARM或MIPS处理器的Linux系统上运行；
- 嵌入式：V8可以独立运行，也可以嵌入到任何C ++应用程序中；
V8引擎的工作原理
图解V8引擎的工作原理
图解V8引擎的工作原理
其中的**Parse(解析器)、lgnition(解释器)、TurboFan(优化编译器)**都是V8引擎的内置模块
假如有这样一段JavaScript源代码：
console.log("hello world");
function sum(num1, num2) {
return num1 + num2;
} - Parse模块会将JavaScript代码转换成AST（抽象语法树），这是因为解释器并不直接认识JavaScript代码；
- 如果函数没有被调用，那么是不会被转换成AST的；
- Parse的V8官方文档：https://v8.dev/blog/scanner
- Ignition是一个解释器，会将AST转换成ByteCode（字节码）；
- 同时会收集TurboFan优化所需要的信息（比如函数参数的类型信息，有了类型才能进行真实的运算）；
- 如果函数只调用一次，Ignition会执行解释执行ByteCode；
- Ignition的V8官方文档：https://v8.dev/blog/ignition-interpreter
- TurboFan是一个编译器，可以将字节码编译为CPU可以直接执行的机器码；
- 如果一个函数被多次调用，那么就会被标记为热点函数，那么就会经过TurboFan转换成优化的机器码，提高代码的执行性能；
- 但是，机器码实际上也会被还原为ByteCode，这是因为如果后续执行函数的过程中，类型发生了变化（比如sum函数原来执行的是number类型，后来执行变成了string类型），之前优化的机器码并不能正确的处理运算，就会逆向的转换成字节码；
- TurboFan的V8官方文档：https://v8.dev/blog/turbofan-jit
- 上面是JavaScript代码的执行过程，事实上V8的内存回收也是其强大的另外一个原因；
- Orinoco模块，负责垃圾回收，将程序中不需要的内存回收；
- Orinoco的V8官方文档：https://v8.dev/blog/trash-talk
- 关于V8引擎的垃圾内存回收机制，可以看下我之前整理的这篇文章「经典升华」V8引擎的垃圾内存回收机制
编程语言会大体分为两大类：
- 解释型语言：运行效率相对较低（比如JavaScript）
- 编译型语言：运行效率相对较高（比如C++）
上述情况对应的是JavaScript解释性语言的大体执行流程，但编译性语言往往不是，比如C++，例如系统内的某些应用程序用C++编写的，它们在执行的时候会直接转化为机器语言（二进制格式010101），并交给CPU统一执行，这样的运行效率自然相对较高了些。
但V8也对解释性的编程语言做了一个优化，就是上文提到的TurboFan优化编译器，如果一个JavaScript函数被多次调用，那么它就会经过TurboFan抓成优化后的机器码，交由CPU执行，提高代码的执行性能。
回顾：Node.js是什么
回顾：官方对Node.js的定义：
Node.js是一个基于V8 JavaScript引擎的JavaScript运行时环境。
也就是说Node.js基于V8引擎来执行JavaScript的代码，但是不仅仅只有V8引擎：
- 前面我们了解到V8可以嵌入到任何C ++应用程序中，无论是Chrome还是Node.js，事实上都是嵌入了V8引擎
来执行JavaScript代码；
- 但是在Chrome浏览器中，还需要解析、渲染HTML、CSS等相关渲染引擎，另外还需要提供支持浏览器操作
的API、浏览器自己的事件循环等，这些都是由浏览器内核帮我们完成的；
- 另外，在Node.js中我们也需要进行一些额外的操作，比如文件系统读/写、网络IO、加密、压缩解压文件等
PS：在后面的文章我们，我会带领大家逐步探索Node.js的世界...
浏览器和Node.js架构区别
简单对比一下Node.js和浏览器架构的差异：
浏览器和Node.js架构区别
- 在Chrome浏览器中
- 比如发送网络请求，中间层会调用操作系统中的网卡；
- 读取一些本地文件，中间层会调用操作系统中的硬盘；
- 浏览器页面的渲染工作，中间层会调用操作系统中的显卡；
- 等等...
- V8引擎只是其中的一小部分，用来辅助JavaScript代码的运行；
- 还有一些浏览器的内核用来负责HTML解析、布局、渲染等等相关的工作；
- 中间层和操作系统（网卡/硬盘/显卡...）；
- 在Node中
- V8引擎；
- 中间层（libuv）包括EventLoop等；
- 操作系统（网卡/硬盘/显卡...）；
Node.js架构
我们来看一个单独的Node.js的架构图：
- 我们编写的JavaScript代码会经过V8引擎，再通过Node.js的Bindings（Node.js API），将任务派发到Libuv的事件循环中；
- Libuv提供了事件循环、文件系统读写、网络IO、线程池等等内容；Libuv是使用C语言编写的库；
具体的内部代码执行流程，我会在后面的文章中专门讲解Node.js中的事件队列机制和异步IO的原理；
Node.js架构图
Node.js的应用场景
Node.js的快速发展也让企业对Node.js技术越来越重视。
那么它都有哪些实际的应用场景呢？
- 目前前端开发的库都是以node包的形式进行管理；
- npm、yarn工具成为前端开发使用最多的工具；
- 越来越多的公司使用Node.js作为web服务器开发；
- 大量项目需要借助Node.js完成前后端渲染的同构应用；
- 很多企业在使用Electron来开发桌面应用程序；
Node.js的REPL
什么是REPL呢？感觉挺高大上
- REPL是Read-Eval-Print Loop的简称，翻译为 “读取-求值-输出”循环；
- REPL是一个简单的、交互式的编程环境；
事实上，我们浏览器的console就可以看成一个REPL。
Node也给我们提供了一个REPL环境，我们可以在其中演练简单的代码。
浏览器的REPL
