js中v8引擎的详解

2020-02-01  本文已影响0人  iyifei

v8引擎出现的原因

这里先说一下什么是编译型语言和解释性语言：

编译型语言： 在程序执行之前必须进行专门的编译过程，有如下特点：

解释性语言 - 解释行语言，支持动态类型，弱类型，在程序运行的时候才进行编译，而编译前需要确定变量的类型，效率比较低，对不同系统平台有较大的兼容性.

比较：

进过以上说明，解释性语言，运行效率低，随着Web相关技术的发展，JavaScript所要承担的工作也越来越多，早就超越了“表单验证”的范畴，这就更需要快速的解析和执行JavaScript脚本。V8引擎就是为解决这一问题而生，在node中也是采用该引擎来解析JavaScript。

渲染引擎及网页渲染

为用户提供网页浏览服务无疑是最重要的功能，如下介绍：

渲染引擎

WebKit的大致结构

VAmvu9.md.png

介绍：

网页渲染流程

上面介绍了渲染引擎的各个模块，那么一张网页，要经历怎样的过程，才能展示给用户。

VAuPZn.png

过程 - 首先是网页内容，输入到HTML解析器，HTML解析器解析，然后构建DOM树，在这期间如果遇到JavaScript代码则交给JavaScript引擎处理；如果来自CSS解析器的样式信息，构建一个内部绘图模型。该模型由布局模块计算模型内部各个元素的位置和大小信息，最后由绘图模块完成从该模型到图像的绘制。在网页渲染的过程中，大致可分为下面3个阶段：

上述是一个完整的渲染过程，现代网页很多都是动态的，随着网页与用户的交互，浏览器需要不断的重复渲染过程。

JavaScript引擎

VAK30s.png

JavaScript本质上是一种解释型语言，与编译型语言不同的是它需要一遍执行一边解析，而编译型语言在执行时已经完成编译，可直接执行，有更快的执行速度(如上图所示)。JavaScript代码是在浏览器端解析和执行的，如果需要时间太长，会影响用户体验。那么提高JavaScript的解析速度就是当务之急。JavaScript引擎和渲染引擎的关系如下图所示：

VAKBnJ.png

JavaScript语言是解释型语言，为了提高性能，引入了Java虚拟机和C++编译器中的众多技术。现在JavaScript引擎的执行过程大致是:

源代码-→抽象语法树-→字节码-→JIT-→本地代码(V8引擎没有中间字节码)。一段代码的抽象语法树示例如下：

function demo(name) {
    console.log(name);
}

抽象语法树如下：

VAKTAI.png

V8更加直接的将抽象语法树通过JIT技术转换成本地代码，放弃了在字节码阶段可以进行的一些性能优化，但保证了执行速度。在V8生成本地代码后，也会通过Profiler采集一些信息，来优化本地代码。虽然，少了生成字节码这一阶段的性能优化，但极大减少了转换时间。

但是在2017年4月底，v8 的 5.9 版本发布了，新增了一个 Ignition 字节码解释器，将默认启动，从此之后将与JSCore有大致相同的流程。做出这一改变的原因为：（主要动机）减轻机器码占用的内存空间，即牺牲时间换空间；提高代码的启动速度；对 v8 的代码进行重构，降低 v8 的代码复杂度(V8 Ignition：JS 引擎与字节码的不解之缘 - CNode技术社区)。

JavaScript的性能和C相比还有不小的距离，可预见的未来估计也只能接近它，而不是与它相比，这从语言类型上已经决定。下面将对V8引擎进行更为细致的介绍。

V8引擎

VAQFII.png

数据表示

JavaScript是一种动态类型语言，在编译时并不能准确知道变量的类型，只可以在运行时确定，这就不像c++或者java等静态类型语言，在编译时候就可以确切知道变量的类型。然而，在运行时计算和决定类型，会严重影响语言性能，这也就是JavaScript运行效率比C++或者JAVA低很多的原因之一。

在C++中，源代码需要经过编译才能执行，在生成本地代码的过程中，变量的地址和类型已经确定，运行本地代码时利用数组和位移就可以存取变量和方法的地址，不需要再进行额外的查找，几个机器指令即可完成，节省了确定类型和地址的时间。由于JavaScript是无类型语言，那就不能像c++那样在执行时已经知道变量的类型和地址，需要临时确定。JavaScript 和C++有以下几个区别：

在代码执行过程中，变量的存取是非常普遍和频繁的，通过偏移量来存取，使用少数两个汇编指令就能完成，如果通过属性名匹配则需要更多的汇编指令，也需要更多的内存空间。示例如下：

VAQcQO.png

在JavaScript中，除boolean，number，string，null，undefined这个五个简单变量外，其他的数据都是对象，V8使用一种特殊的方式来表示它们，进而优化JavaScript的内部表示问题。

在V8中，数据的内部表示由数据的实际内容和数据的句柄构成。数据的实际内容是变长的，类型也是不同的；句柄固定大小，包含指向数据的指针。这种设计可以方便V8进行垃圾回收和移动数据内容，如果直接使用指针的话就会出问题或者需要更大的开销，使用句柄的话，只需修改句柄中的指针即可，使用者使用的还是句柄，指针改动是对使用者透明的。

除少数数据(如整型数据)由handle本身存储外，其他内容限于句柄大小和变长等原因，都存储在堆中。整数直接从value中取值，然后使用一个指针指向它，可以减少内存的占用并提高访问速度。一个句柄对象的大小是4字节(32位设备)或者8字节(64位设备)，而在JavaScriptCore中，使用的8个字节表示句柄。在堆中存放的对象都是4字节对齐的，所以它们指针的后两位是不需要的，V8用这两位表示数据的类型，00为整数，01为其他。

JavaScript对象在V8中的实现包含三个部分：

工作过程

前面有过介绍，V8引擎在执行JavaScript的过程中，主要有两个阶段：编译和运行，与C++的执行前完全编译不同的是，JavaScript需要在用户使用时完成编译和执行。在V8中，JavaScript相关代码并非一下完成编译的，而是在某些代码需要执行时，才会进行编译，这就提高了响应时间，减少了时间开销。

在V8引擎中，源代码先被解析器转变为抽象语法树(AST)，然后使用JIT编译器的全代码生成器从AST直接生成本地可执行代码。这个过程不同于JAVA先生成字节码或中间表示，减少了AST到字节码的转换时间，提高了代码的执行速度。但由于缺少了转换为字节码这一中间过程，也就减少了优化代码的机会。

编译阶段

V8引擎编译本地代码时使用的主要类如下所示：

VA1a5R.md.png

JavaScript代码编译的过程大致为：

在执行编译之前，V8会构建众多全局对象并加载一些内置的库（如math库），来构建一个运行环境。而且在JavaScript源代码中，并非所有的函数都被编译生成本地代码，而是延迟编译，在调用时才会编译。

运行阶段

由于V8缺少了生成中间代码这一环节，缺少了必要的优化，为了提升性能，V8会在生成本地代码后，使用数据分析器(profiler)采集一些信息，然后根据这些数据将本地代码进行优化，生成更高效的本地代码，这是一个逐步改进的过程。同时，当发现优化后代码的性能还不如未优化的代码，V8将退回原来的代码，也就是优化回滚。下面介绍一下运行阶段，该阶段使用的主要类如下所示：

VA1oM8.md.png

运行阶段过程描述：

优化回滚

因为V8是基于AST直接生成本地代码，没有经过中间表示层的优化，所以本地代码尚未经过很好的优化。于是，在2010年，V8引入了新的编译器-Crankshaft，它主要针对热点函数进行优化，基于JavaScript源代码开始分析而非本地代码，同时构建Hydroger图并基于此来进行优化分析。

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—代码稳定且变量类型不变，所以可以生成高效的本地代码。但是，鉴于JavaScript的一个弱类型的语言，变量类型也可能在执行的过程中进行改变，鉴于这种情况，V8会将该编译器做的想当然的优化进行回滚，称为优化回滚。

var counter = 0;
function test(x, y) {
    counter++;
    if (counter < 1000000) {
        // do something
        return 'jeri';
    }
    var unknown = new Date();
    console.log(unknown);
}

该函数被调用多次之后，V8引擎可能会触发Crankshaft编译器对其进行优化，而优化代码认为示例代码的类型信息都已经被确定。但，由于尚未真正执行到new Date()这个地方，并未获取unknown这个变量的类型，V8只得将该部分代码进行回滚。优化回滚是一个很耗时的操作，在写代码过程中，尽量不要触发优化该操作。

在最近发布的 V8 5.9 版本中，新增了一个 Ignition 字节码解释器，TurboFan 和 Ignition 结合起来共同完成JavaScript的编译。这个版本中消除 Cranshaft 这个旧的编译器，并让新的 Turbofan 直接从字节码来优化代码，并当需要进行反优化的时候直接反优化到字节码，而不需要再考虑JS源代码。

隐藏类与内嵌缓存

隐藏类

在执行C++代码时，仅凭几个指令即可根据偏移信息获取变量信息，而JavaScript里需要通过字符串匹配来查找属性值的，这就需要更多的操作才能访问到变量信息，而代码量变量存取是十分频繁的，这也就制约了JavaScript的性能。V8借用了类和偏移位置的思想，将本来通过属性名匹配来访问属性值的方法进行了改进，使用类似C++编译器的偏移位置机制来实现，这就是隐藏类。

隐藏类将对象划分成不同的组，对于组内对象拥有相同的属性名和属性值的情况，将这些组的属性名和对应的偏移位置保存在一个隐藏类中，组内所有对象共享该信息。同时，也可以识别属性不同的对象。示例如下：

VAYknK.md.png

例子解释 - 使用Point构造了两个对象p和q，这两个对象具有相同的属性名，V8将它们归为同一个组，也就是隐藏类，这些属性在隐藏类中有相同的偏移值，p和q共享这一信息，进行属性访问时，只需根据隐藏类的偏移值即可。由于JavaScript是动态类型语言，在执行时可以更改变量的类型，如果上述代码执行之后，执行q.z=2，那么p和q将不再被认为是一个组，q将是一个新的隐藏类。

内嵌缓存

正常访问对象属性的过程是：首先获取隐藏类的地址，然后根据属性名查找偏移值，然后计算该属性的地址。虽然相比以往在整个执行环境中查找减小了很大的工作量，但依然比较耗时。能不能将之前查询的结果缓存起来，供再次访问呢？当然是可行的，这就是内嵌缓存。

内嵌缓存 - 大致思路就是将初次查找的隐藏类和偏移值保存起来，当下次查找的时候，先比较当前对象是否是之前的隐藏类，如果是的话，直接使用之前的缓存结果，减少再次查找表的时间。当然，如果一个对象有多个属性，那么缓存失误的概率就会提高，因为某个属性的类型变化之后，对象的隐藏类也会变化，就与之前的缓存不一致，需要重新使用以前的方式查找哈希表。

内存管理

Node中通过JavaScript使用内存时就会发现只能使用部分内存（64位系统下约为1.4 GB，32位系统下约为0.7 GB），其深层原因是 V8 垃圾回收机制的限制所致（如果可使用内存太大，V8在进行垃圾回收时需耗费更多的资源和时间，严重影响JS的执行效率）。下面对内存管理进行介绍。

内存的管理组要由分配和回收两个部分构成。V8的内存划分如下：

VAYc4J.md.png

垃圾回收

V8 使用了分代和大数据的内存分配，在回收内存时使用精简整理的算法标记未引用的对象，然后消除没有标记的对象，最后整理和压缩那些还未保存的对象，即可完成垃圾回收。

在V8中，使用较多的是年轻分代和年老分代。年轻分代中的对象垃圾回收主要通过Scavenge算法进行垃圾回收。在Scavenge的具体实现中，主要采用了Cheney算法：通过复制的方式实现的垃圾回收算法。它将堆内存分为两个 semispace，一个处于使用中（From空间），另一个处于闲置状态（To空间）。当分配对象时，先是在From空间中进行分配。当开始进行垃圾回收时，会检查From空间中的存活对象，这些存活对象将被复制到To空间中，而非存活对象占用的空间将会被释放。完成复制后，From空间和To空间的角色发生对换。在垃圾回收的过程中，就是通过将存活对象在两个 semispace 空间之间进行复制。年轻分代中的对象有机会晋升为年老分代，条件主要有两个：一个是对象是否经历过Scavenge回收，一个是To空间的内存占用比超过限制。

对于年老分代中的对象，由于存活对象占较大比重，再采用上面的方式会有两个问题：一个是存活对象较多，复制存活对象的效率将会很低；另一个问题依然是浪费一半空间的问题。为此，V8在年老分代中主要采用了Mark-Sweep（标记清除）标记清除和Mark-Compact（标记整理）相结合的方式进行垃圾回收。

快照

在V8引擎启动时，需要构建JavaScript运行环境，需要加载很多内置对象，同时也需要建立内置的函数，如Array，String，Math等。为了使V8更加整洁，加载对象和建立函数等任务都是使用JavaScript文件来实现的，V8引擎负责提供机制来支持，就是在编译和执行JavaScript前先加载这些文件。

V8引擎需要编译和执行这些内置的JavaScript代码，同时使用堆等来保存执行过程中创建的对象、代码等，这些都需要时间。为此，V8引入了快照机制。将这些内置的对象和函数加载之后的内存保存并序列化。序列化之后的结果很容易反序列化，经过快照机制的启动时间可以缩减几毫秒。快照机制也可以将一些开发者认为需要的JavaScript文件序列化，以减少处理时间。不过快照机制的加载的代码不能被CrankShaft这样的编译器优化，可能会存在性能问题。

V8 VS JavaScriptCore

JavaScriptCore引擎是WebKit中默认的JavaScript引擎，也是苹果开源的一个项目，应用较为广泛。最初，性能不是很好，从2008年开始了一系列的优化，重新实现了编译器和字节码解释器，使得引擎的性能有较大的提升。随后内嵌缓存、基于正则表达式的JIT、简单的JIT及字节码解释器等技术引入进来，JavaScriptCore引擎也在不断的迭代和发展。

V8引擎自诞生之日起就以性能优化作为目标，引入了众多新技术，极大了带动了整个业界JavaScript引擎性能的快速发展。总的来说，V8引擎较为激进，青睐可以提高性能的新技术，而JavaScriptCore引擎较为稳健，渐进式的改变着自己的性能。总的来说JavaScript引擎工作流程（包含v8和JavaScriptCore）如下所示：


VAY4u6.png

JavaScriptCore 的大致流程为：源代码-→抽象语法树-→字节码-→JIT-→本地代码。JavaScriptCore与V8有一些不同之处，其中最大的不同就是新增了字节码的中间表示，并加入了多层JIT编译器（如：简单JIT编译器、DFG JIT编译器、LLVM等）优化性能，不停的对本地代码进行优化。(在 V8 的 5.9 版本中，新增了一个 Ignition 字节码解释器，TurboFan 和 Ignition 结合起来共同完成JavaScript的编译，此后 V8 将与 JavaScriptCore 有大致相同的流程，Node 8.0中 V8 版本为 5.8)

还有就是在数据表示方面，V8在不同的机器上使用与机器位数相匹配的数据表示，而在JavaScriptCore中句柄都是使用64位表示，其可以表示更大范围的数字，所以即使在32位机器上，浮点类型同样可以保存在句柄中，不再需要访问堆中的数据，当也会占用更多的空间。

功能扩展

JavaScript引擎的主要功能是解析和执行JavaScript代码，往往不能满足使用者多样化的需要，那么就可以增加扩展以提升它的能力。V8引擎有两种扩展机制：绑定和扩展。

绑定机制

使用IDL文件或接口文件生成绑定文件，将这些文件同V8引擎一起编译。WebKit中使用IDL来定义JavaScript，但又与IDL有所不同，有一些改变。定义一个新的接口的步骤大致如下：

1.定义新的接口文件，可以在JavaScript代码进行调用，如

mymodule.MyObj.myAttr；
module mymodule {
    interface [
            InterfaceName = MyObject
    ] MyObj { 
        readonly attribute long myAttr;
        DOMString myMethod (DOMString myArg);
    };
}

2.按照引擎定义的标准接口为基础实现接口类，生成JavaScript引擎所需的绑定文件。WebKit提供了工具帮助生成所需的绑定类，根据引擎不同和引擎开发语言的不同而有所差异。V8引擎会为上述示例代码生成 v8MyObj.h (MyObj类具体的实现代码)和 V8MyObj.cpp (桥接代码，辅组注册桥接的函数到V8引擎)两个绑定文件。
JavaScript引擎绑定机制需要将扩展代码和JavaScript引擎一块编译和打包，不能根据需要在引擎启动后再动态注入这些本地代码。在实际WEB开发中，开发者都是基于现有浏览器的，根本不可能介入到JavaScript引擎的编译中，绑定机制有很大的局限性，但其非常高效，适用于对性能要求较高的场景。

Extension机制

通过V8的基类Extension进行能力扩展，无需和V8引擎一起编译，可以动态为引擎增加功能特性，具有很大的灵活性。

Extension机制的大致思路就是，V8提供一个基类Extension和一个全局注册函数，要想扩展JavaScript能力，需要经过以下步骤：

class MYExtension : public v8::Extension {
    public:
        MYExtension() : v8::Extension("v8/My", "native function my();") {}
        virtual v8::Handle<v8::FunctionTemplate> GetNativeFunction (
        v8::Handle<v8::String> name) {
            // 可以根据name来返回不同的函数
            return v8::FunctionTemplate::New(MYExtention::MY);
        }
        static v8::Handle<v8::Value> MY(const v8::Arguments& args) {
            // Do sth here
            return v8::Undefined();
        }
};
MYExtension extension;
RegisterExtension(&extension);

Extension机制是调用V8的接口注入新函数，动态扩展非常方便，但没有绑定机制高效，适用于对性能要求不高的场景。

总结

在过去几年，JavaScript在很多领域得到了广泛的应用，然而限于JavaScript语言本身的不足，执行效率不高。Google也推出了一些JavaScript网络应用，如Gmail、Google Maps及Google Docs office等。这些应用的性能不仅受到服务器、网络、渲染引擎以及其他诸多因素的影响，同时也受到JavaScript本身执行速度的影响。然而既有的JavaScript引擎无法满足新的需求，而性能不佳一直是网络应用开发者最关心的。Google就开始了V8引擎的研究，将一系列新技术引入JavaScript引擎中，大大提高了JavaScript的执行效率。相信随着V8引擎的不断发展，JavaScript也会有更广泛的应用场景，前端工程师也会有更好的未来！
那么结合上面对于V8引擎的介绍，我们在编程中应注意：

参考

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