javascript引擎——V8
racy 2019-06-27
通过上一篇文章，我们知道了JavaScript引擎是执行JavaScript代码的程序或解释器，了解了JavaScript引擎的基本工作原理。我们经常听说的JavaScript引擎就是V8引擎，这篇文章我们就来认识一下V8引擎，我们先来看一下除了V8引擎，还有哪些JS引擎：
- V8 开源
由Google开发，用C++编写。V8 最早被开发用以嵌入到 Google 的开源浏览器 Chrome 中，但是 V8 是一个可以独立的模块，完全可以嵌入您自己的应用，著名的 Node.js( 一个异步的服务器框架，可以在服务端使用 JavaScript 写出高效的网络服务器 ) 就是基于 V8 引擎的。 - Rhino开源
由Mozilla基金所管理，完全用Java开发 - JavaScriptCore 开源
由苹果公司为Safari开发 - SpiderMonkey
第一个JavaScript引擎，最早用在Netscape Navigator上，现在用在Firefox上 - KJS
KDE的引擎，最初由Harri Porten为KDE项目的Konqueror网页浏览器所开发 - Chakra(JScript9)
Internet Explorer 浏览器 Microsoft Edge
- Nashorn
OpenJDK开源项目的一部分，用的是Oracle Java语言和工具组 - JerryScript
用于物联网的轻量级引擎
在这些项目中，V8引擎因其在性能上的突出表现，倍受大家的关注，所以我们也以介绍V8引擎为主。V8是Google开源的高性能JavaScript引擎，用C++编写。它用于谷歌浏览器，谷歌的开源浏览器，以及Node.js等等。
速度是V8追求的主要设计目标之一，在一些性能测试中，V8比IE的JScript，Firefox中的SpiderMonkey以及Safari中的JavaScriptCore要快上数倍。相比其他的JavaScript引擎转化成字节码或解释执行，V8将其编译成本地代码，并且使用了如隐类型，内联缓存等方法来提高性能。
V8按照ECMA-262第5版中的规定实施ECMAScript，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的工作过程
V8工作的整个过程与Java有些类似，大致分成两个阶段：第一是编译，第二是运行。与C++直接编译成本地代码不同的是，V8只有在函数调用时才会编译成本地代码，这样就提高了响应时间减少了时间开销。
图片来源《WebKit技术内幕》
在V8引擎中，源代码先通过解析器转变成抽象语法树，这点同JavaScriptCore引擎一样，不同于JavaScriptCore引擎，V8引擎中并不将抽象语法树转变成字节码或者其他中间表示，而是通过JIT全代码生成器（full code generator）从抽象语法树直接生成本地代码，这样做可以减少抽象语法树到字节码的转换时间，提高代码的执行速度，但也是因为缺少了转换为字节码这一中间过程，也就减少了优化中间代码的机会。
下面来看一下V8引擎编译JavaScript生成本地代码使用了哪些主要类：
- Script类：表示是JavaScript代码，既包含源代码，又包含编译之后生成的本地代码，所以它既是编译入口，又是运行入口
- Compiler类：编译器类，辅助Script类来编译生成代码，它主要起一个协调者的作用，会调用解释器（Parser）来生成抽象语法树和全代码生成器，来为抽象 语法树生成本地代码。
- Parser类：将源代码解释并构建成抽象语法树，使用AstNode类来创建它们，并使用Zone类来分配内存。
- AstNode类：抽象语法树节点类，是其他所有节点的基类，它包含非常多的子类，后面会针对不同的子类生成不同的本地代码。
- AstVisitor类：抽象语法树的访问者类，主要用来遍历抽象语法树。
- FullCodeGenerator：AstVisitor类的子类，通过遍历抽象语法树来为JavaScrit生成本地代码。
图片来源《WebKit技术内幕》
JavaScript代码编译的过程大致为：Script类调用Compiler类的Compile函数生成本地代码。在该函数中，先使用Parser类来生成抽象语法树；再使用FullCodeGenerator类来生成本地代码。
图片来源《WebKit技术内幕》
本地代码与具体的硬件平台密切相关，FullCodeGenerator使用多个后端来生成与平台相匹配的本地汇编代码。由于FullCodeGenerator通过遍历AST来为每个节点生成相应的汇编代码，缺失了全局视图，节点之间的优化也就无从谈起。
JavaScript代码编译之前需要构建一个运行环境，所以JavaScript代码编译之前，V8引擎会构建众多对象并加载一些内置的库（如Math库）。再次强调一下，在JavaScript源码中，并非所有的函数都被编译生成本地代码，而是延时编译，在调用时才会编译。
由于V8缺少生成字节码（中间表示）这一环节，缺少必要的优化，为了性能上的考虑，V8会在生成本地代码后，使用数据分析器（Profiler）采集一些信息，然后根据这些信息对本地代码进行优化，生成更高效率的本地代码，这是一个逐步改进的过程。同时，当发现优化后的代码性能并没有提高甚至还有所降低时，V8将退回到原来的代码。这些都是在运行阶段用涉及到的技术。
现在我们来看一下运行阶段使用到的类：
- Script: 表示是JavaScript代码，既包含源代码，又包含编译之后生成的本地代码，所以它既是编译入口，又是运行入口
- Execution: 运行代码的辅助类，包含一些重要的函数，例如call，它辅助进入和执行Script中的本地代码
- JSFunction: 需要执行的JavaScript函数表示类
- Runtime：运行这些本地代码的辅助类，它的功能主要是提供运行时各种各样的辅助函数，包括但是不限于属性访问、类型转换、编译、算数、位操作、比较、正则表达式等
- Heap：运行本地代码需要使用内存堆
- MarkCompactCollector：垃圾回收机制的主要实现类，用来标记（Mark）、清除（Sweep）和整理（Compact）等基本的垃圾回收过程
- SweeperThread：负责垃圾回收的线程
图片来源《WebKit技术内幕》
首先，当某个JavaScript函数被调用时，使用编译阶段的类和操作编译生成本地代码。具体的工作方式是V8查找函数是否已经生成本地代码，如果已经生成，那么直接使用这个函数。否则，V8引擎会触发生成本地代码，这样的工作方式可以节约时间，减少去处理那些使用不到的代码的时间。其次，执行编译后的代码为JavaScript构建JS对象，这需要Runtime类来辅助创建对象，并需要从Heap类分配内容。再次，借助Runtime类中的辅助函数来完成一些功能，如属性访问，类型转换等。最后，将不用的空间进行标记清除和垃圾回收。
图片来源《WebKit技术内幕》
V8特性简介
一. 优化回滚
FullCodeGenerator编译器基于抽象语法树直接生成本地代码，没有中间表示层，所以很多时候没有经过很好的优化。JavaScript引擎性能之争非常激烈，没有经过优化的代码导致该引擎在性能上同有特别大的突破，而其他引擎都在进度，有鉴于此，在2010年，V8引入了新的编译器，这就是Crankshaft编译器，它主要针对那些热点函数进行优化。该编译器基于JavaScript源代码开始分析，而不是本地代码，同时构建Hydtogen图并基于此来进行优化分析。
FullCodeGenerator是一个简单且快的编译器，生成未优化的本地代码，运行起来很慢；Crankshaft是一个相对慢的编译器，生成高度优化的代码。由FullCodeGenerator生成的未优化代码Crankshaft优化代码替换，传送门。
Crankshaft编译器为了性能考虑，通常会做出比较乐观和大胆的预测，那就是编译器认为这些代码比较稳定，变量类型不会发生改变，所以能够生成高效的本地代码。但是在实际执行过程中，因为JavaScript弱类型语言的特性，变量类型有可能会改变，在这种情况下，V8会将该编译器做的错误优化回滚到之前的一般情况，这个过程称为优化回滚。
V8并不只是第一次执行一个JavaScript函数时才编译它；同一个JavaScript函数可以被这些JIT编译器多次编译。
基本流程是：
[JavaScript函数] ->
第一次被调用 -> Full Code -> [初级编译后的代码]
足够热之后 -> Crankshaft(Optimizing Compiler) -> [优化编译后的代码]
如果优化的代码需要去优化(优化回滚) -> deoptimize -> 回到[初级编译后的代码]
... 周而复始 ...示例如下：
var counter = 0;
function test(x,y){
counter ++；
if(counter < 10000000){
// do something
return 123;
}
var unknown = new Date();
console.log(unknown);
}函数test被调用多次后，V8引擎可能会触发Crankshaft编译器来生成优化的代码，优化的代码认为示例代码的类型等信息都已经被获知，但事实上还未真正执行到new Date()这个地方，并未获取unknown这个变量的类型，V8只得将该部分的代码进行回滚。优化回滚是一个很费时的操作，所以在写代码的过程中，尽量不要触发这个过程。
二. 隐类型和内嵌缓存
我们都知道JavaScript属于动态类型语言，只有在运行时才能确定变量的类型，在运行时计算和决定类型，会带来严重的性能损失，这也就导致了JavaScript语言的运行效率比C++或Java都要低很多。
主要体现在以下几个部分：
- 编译确定位置：
C++在编译阶段对象的属性和偏移信息都计算完成；而这些信息JavaScript只有在执行阶段才可以确定 偏移信息共享：
C++属于静态类型语言，不能在执行时动态改变类型，这些对象都是共享偏移信息的。访问对象时就按编译时的偏移量即可；JavaScript每个对象都是自描述，属性和位置偏移信息都包含在自身的结构中。一个简单的C++函数:
class Class1 { int x; int y; } int add(Class1 a, Class1 b){ return a.x*a.y + b.x*b.y; }示例代码中的类型和对象的结构表示,如下图：
图片来源《WebKit技术内幕》一个简单的JavaScript函数：
function add(a,b){ return a.x*a.y + b.x*b.y; // 这里对象a和b的类型未知 } var a = {x:3.3,y:5.5}; var b = {x:4.4,y:6.6};示例代码中对象a和b的结构表示，如下图：
图片来源《WebKit技术内幕》- 偏移信息查找：
C++中查找偏移地址很简单，都是在编译代码时，对使用到某类型的成员变量直接设置偏移量。而对于JavaScript，使用到一个对象则需要通过属性名匹配才能查找到对应的值。
因为对象属性的访问非常普遍而且次数非常频繁，像C++这种通过偏移量来访问值使用少数两个汇编指定就能完成，但是Javascript这种通过属性名来匹配对于性能造成的影响可能会多很多倍，因为属性名匹配需要特别长的时间，而且额外浪费很多内存空间。
有方法解决这一问题么？答案是肯定的。下面我们就来看一下V8引擎是如何解决这一问题的。虽然JavaScript语言没有类型的定义，但是V8使用类和偏移位置思想，将本来需要通过字符串匹配来查找属性值的算法改进为使用类似C++编译器的偏移位置的机制来实现。这就是隐藏类（Hidden Class）。
JavaScript对象的实现在V8中包含3个成员，第一个是隐藏类的指针，这是V8为JavaScript对象创建的隐藏类。第二个指向这个对象包含的属性值。第三个指向这个对象包含的元素。
图片来源《WebKit技术内幕》
隐藏类将对象划分成不同的组，对于相同的组，也就是该组内的对象拥有相同的属性名和属性值的情况，将这些属性名和对应的偏移位置保存在一个隐藏类中，组内的所有对象共享该信息。同时，也可以识别属性不同的对象。
V8引擎的发展历史
- 2008年9月，V8的第一个版本随着Chrome的第一版发布。
- 2010年12月，官方公布V8的名为Crankshaft的优化编译器，与原来的Full Compiler一起工作，声称较2008年版本提高50%性能。
- 2015年7月7日，官方公布又一个新的中为TurBoFan的优化编译器，主要提供ES6的新语法，以及提高性能。并表明该编译器最终目标是全部替代Crankshaft编译器。
- 2015年7月17日，官方公布集成了TurboFan的V8版本（v4.5)
- 2015年8月28日，V8发布v4.6版本
- 2016年3月15日，V8发布v5.0版本
- 2016年7月18日，V8发布v5.3版本，新增名为Ignition的解析器(Interpreter)，跟原有的优化编译器(Crankshaft and TurboFan)进行串联工作，提供了更加优化的内存使用方案，主要针对于低内存的Android设备，并称在未来会普及到全平台。
- 2016年9月9日，V8发布v5.4版本
- 2016年10月24日，V8发布v5.5版本，在5.5版本中开始支持ES7异步函数，这使得编写使用和创建Promise的代码变得更加容易。
- 2016年12月2日，V8发布v5.6版本，从5.6版本开始，V8可以优化整个JavaScript语言。而且，许多语言功能都是通过V8中的新优化管道发送的。该管道使用V8的Ignition解释器作为基准，并使用V8更强大的TurboFan优化编译器优化经常执行的方法。新的流水线激活了新的语言功能（例如ES2015和ES2016规范中的许多新功能）或Crankshaft（V8的“经典”优化编译器）无法优化某种方法（例如try-catch，with）的情况。
- 2017年2月6日，V8发布v5.7版本
- 2017年3月20日，V8发布v5.8版本
- 2017年4月27日，V8发布v5.9版本，V8 5.9将成为默认启用Ignition + Turbofan的第一个版本。一般来说，这种交换机应该可以降低内存消耗，并且可以更快地启动Web应用程序。
- 2017年6月9日，V8发布v6.0版本，V8 6.0引入了对SharedArrayBuffer的支持，SharedArrayBuffer是一种在JavaScript工作人员之间共享内存并在工作人员之间同步控制流的低级机制。 SharedArrayBuffers为JavaScript提供了对共享内存，原子和futex的访问。 SharedArrayBuffers还解锁了通过asm.js或WebAssembly将线程化应用程序移植到Web的功能。
- 2017年8月3日，V8发布v6.1版本
- 2017年9月11日，V8发布v6.2版本
- 2017年10月25日，V8发布v6.3版本，改进了速度和内存消耗，详细
- 2017年12月19日，V8发布v6.4版本，提升了速度和优化内存消耗，详细
- 2018年2月1日，V8发布v6.5版本，编译速度显著提升，详细
- 2018年3月27日，V8发布v6.6版本，异步性能大幅提升，详细
