V8 原理之JavaScript 执行

V8 引擎是什么¶

• Google V8 引擎是用 C++ 编写的开源高性能 JavaScript 和 WebAssembly 引擎。已被用于 Chrome 和 Node.js 等。
• V8 解析/编译/执行 JavaScript 代码，管理内存，负责垃圾回收，与宿主语言的交互等。通过暴露宿主对象 ( 变量，函数等 ) 到 JavaScript，JavaScript 可以访问宿主环境中的对象，并在脚本中完成对宿主对象的操作。
• V8 属于 JIT 编译器。
  • 在运行C、C++以及Java等程序之前，需要进行编译，不能直接执行源码；
  • 但对于 JavaScript 来说，可直接执行源码，它是在运行的时候先编译再执行，这种方式被称为即时编译(Just-in-time compilation)，简称 JIT。
• V8 率先引入了即时编译（JIT）的双轮驱动的设计（混合使用 编译器 和 解释器 的技术）

V8 核心模块¶

模块定义及工作流程¶

四个核心模块：解析器，解释器，编译器，垃圾回收。

简单来说，Parser 将 Javascript 源码转换为 AST，然后 Ignition 将 AST 转换为 Bytecode，最后 TurboFan 将Bytecode 转换为经过优化的 Machine Code(实际上是汇编代码)。

• Parser(解析器)
  • 负责将 JavaScript 源码转换为 Abstract Syntax Tree (AST)
• Ignition：Interpreter(解释器)
  • 负责将 AST 转换为 Bytecode，解释执行 Bytecode
  • 同时收集 TurboFan 优化编译所需的信息，比如函数参数的类型；
  • 解释器执行时涉及四个模块：内存中的字节码、寄存器、栈、堆。
  • node --print-bytecode test.js
• TurboFan：Compiler(编译器)
  • 利用 Ignition 所收集的类型信息，将 Bytecode 转换为优化的 Machine Code (汇编代码)；
  • node --print-code --print-opt-code test.js
• Orinoco：Garbage Collector(垃圾回收)
  • 负责将程序不再需要的内存空间回收。

优化与反优化¶

• 如果函数没有被调用，则 V8 不会去编译它。
• 如果函数只被调用1次，则 Ignition 将其编译 Bytecode 就直接解释执行了。TurboFan不会进行优化编译，因为它需要Ignition收集函数执行时的类型信息。这就要求函数至少需要执行1次，TurboFan才有可能进行优化编译。
• 如果函数被调用多次，则它有可能会被识别为 热点函数，且 Ignition 收集的类型信息证明可以进行优化编译 的话，这时TurboFan则会将Bytecode编译为 Optimized Machine Code，以提高代码的执行性能。
• 图片中的 红线是逆向的，Optimized Machine Code 会被还原为 Bytecode，这个过程叫 Deoptimization。这是因为 Ignition 收集的信息可能是错误的，比如 add 函数的参数之前是整数，后来又变成了字符串。生成的 Optimized Machine Code已经假定 add 函数的参数是整数，那当然是错误的，于是需要进行 Deoptimization。

/*
 * 生成的 Optimized Machine Code 已经假定 add 函数的参数是整数，那当然是错误的；
 * 于是需要进行 Deoptimization。
 */
function add(x, y) {
  return x + y;
}

add(3, 5);
add('3', '5');

执行一段 JavaScript 代码¶

• V8 本质上是一个 虚拟机，模拟实际计算机的 CPU、堆栈、寄存器等，虚拟机还具有它自己的一套指令系统。
• 计算机执行一段高级语言通常有两种手段
  • 一种是将高级代码转换为二进制代码，再让计算机去执行，即 编译执行；
  • 另一种是在计算机安装一个解释器，并由解释器来解释执行，即 解释执行。
• 解释执行启动快，执行时慢；而编译执行启动慢，但是执行快。
• V8 率先引入了 即时编译（JIT）的双轮驱动的设计（混合使用编译器和解释器的技术），极大提升了 JavaScript 的执行速度。

执行 JavaScript 流程图¶

• 初始化基础环境；
• 解析源码生成 AST 和作用域；
• 依据 AST 和作用域生成字节码；
• 解释执行字节码；
• 监听热点代码；
• 优化热点代码为二进制的机器代码；
• 反优化生成的二进制机器代码

机器码、字节码¶

函数¶

• 如果某个编程语言的函数，可以和这个语言的数据类型做一样的事情，我们就把这个语言中的函数称为 一等公民。
• JavaScript 中函数是一等公民。

闭包¶

• JavaScript 允许在函数内部定义新的函数；
• 可以在内部函数中访问父函数中定义的变量；
• 因为 JavaScript 中的函数是 一等公民，所以函数可以作为另外一个函数的返回值。

惰性解析¶

• 惰性解析(懒解析) 是指解析器在解析的过程中，如果遇到函数声明，那么会跳过函数内部的代码，并不会为其生成 AST 和字节码，而仅仅生成顶层代码的 AST 和字节码。
• 为啥这样设计
  • 首先，当一个页面的 JavaScript 代码很大，如果要将所有的代码一次性解析编译完成，那么会大大 增加用户的等待时间；
  • 其次，解析完成的字节码和编译之后的机器代码都会存放在内存中，如果一次性解析和编译所有 JavaScript 代码，那么这些中间代码和机器代码将会一直 占用内存。
• 问题：闭包 引用的外部变量不能随着函数执行上下文销毁。

预解析器¶

当解析顶层代码的时候，遇到了一个函数，那么 预解析器 并不会直接跳过该函数，而是对该函数做一次快速的预解析：

• 判断当前函数是不是 存在语法错误，若存在，向 V8 抛出语法错误；
• 检查函数内部是否引用了 外部变量，如果引用了外部的变量，预解析器会将栈中的变量复制到堆中，在下次执行到该函数的时候，直接使用堆中的引用，这样就 解决了闭包所带来的问题。

堆栈内存模型¶

栈空间¶

• 栈空间用来管理 JavaScript 函数调用。
• 在函数调用过程中，涉及到上下文相关的内容都会存放在栈上，比如原生类型、引用到的对象的地址、函数的执行状态、this 值等。
• 栈空间的最大的特点是 空间连续，所以在栈中每个元素的地址都是固定的，因此栈空间的查找效率高。

堆空间¶

• 堆空间是一种树形的存储结构，用来存储对象类型的离散的数据。
• JavaScript 中除了原生类型的数据，其他的都是对象类型，诸如函数、数组，在浏览器中还有 window 对象、document 对象等，这些都是存在堆空间的。

References¶

问题：浏览器 V8 是如何工作的？¶

• V8 中的对象表示
• V8 的 JavaScript 执行管道
• V8 引擎垃圾回收与内存分配
• Chrome V8让你更懂JavaScript