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认识 V8 引擎

2020-06-01    
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前言

JAVAScript绝对是最火的编程语言之一，一直具有很大的用户群，随着在服务端的使用（NodeJs），更是爆发了极强的生命力。编程语言分为编译型语言和解释型语言两类，编译型语言在执行之前要先进行完全编译，而解释型语言一边编译一边执行，很明显解释型语言的执行速度是慢于编译型语言的，而JavaScript就是一种解释型脚本语言，支持动态类型、弱类型、基于原型的语言，内置支持类型。鉴于JavaScript都是在前端执行，而且需要及时响应用户，这就要求JavaScript可以快速的解析及执行。

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。

V8是如何使得JavaScript性能有大幅提升的呢？通过对一些书籍和文章的学习，梳理了V8的相关内容，本文将带你认识 V8。(该文在 17 年整理后发布到知乎，也被知乎编辑进行了推荐，现在也同步到头条号上，希望帮助更多的人了解 V8 引擎。)

1.渲染引擎及网页渲染

浏览器自从上世纪80年代后期90年代初期诞生以来，已经得到了长足的发展，其功能也越来越丰富，包括网络、资源管理、网页浏览、多页面管理、插件和扩展、书签管理、历史记录管理、设置管理、下载管理、账户和同步、安全机制、隐私管理、外观主题、开发者工具等。在这些功能中，为用户提供网页浏览服务无疑是最重要的功能，下面将对相关内容进行介绍。

1.1.渲染引擎

渲染引擎：能够将html/css/JavaScript文本及相应的资源文件转换成图像结果。渲染引擎的主要作用是将资源文件转化为用户可见的结果。在浏览器的发展过程中，不同的厂商开发了不同的渲染引擎，如Tridend(IE)、Gecko(FF)、WebKit(Safari,Chrome,Andriod浏览器)等。WebKit是由苹果2005年发起的一个开源项目，引起了众多公司的重视，几年间被很多公司所采用，在移动端更占据了垄断地位。更有甚者，开发出了基于WebKit的支持HTML5的web操作系统(如：Chrome OS、Web OS)。

下面是WebKit的大致结构：

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webkit架构图

上图中实线框内模块是所有移植的共有部分，虚线框内不同的厂商可以自己实现。下面进行介绍：

1.2.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，才能抵达用户面前？

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渲染流程

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。

1.2.1.从输入URL到生成DOM树

  1. 地址栏输入URL，WebKit调用资源加载器加载相应资源；
  2. 加载器依赖网络模块建立连接，发送请求并接收答复；
  3. WebKit接收各种网页或者资源数据，其中某些资源可能同步或异步获取；
  4. 网页交给HTML解析器转变为词语；
  5. 解释器根据词语构建节点，形成DOM树；
  6. 如果节点是JavaScript代码，调用JavaScript引擎解释并执行；
  7. JavaScript代码可能会修改DOM树结构；
  8. 如果节点依赖其他资源，如图片css、视频等，调用资源加载器加载它们，但这些是异步加载的，不会阻碍当前DOM树继续创建；如果是JavaScript资源URL（没有标记异步方式），则需要停止当前DOM树创建，直到JavaScript加载并被JavaScript引擎执行后才继续DOM树的创建。

1.2.2.从DOM树到构建WebKit绘图上下文

  1. CSS文件被CSS解释器解释成内部表示；
  2. CSS解释器完成工作后，在DOM树上附加样式信息，生成RenderObject树；
  3. RenderObject节点在创建的同时，WebKit会根据网页层次结构构建RenderLayer树，同时构建一个虚拟绘图上下文。

1.2.3.绘图上下文到最终图像呈现

  1. 绘图上下文是一个与平台无关的抽象类，它将每个绘图操作桥接到不同的具体实现类，也就是绘图具体实现类；
  2. 绘图实现类也可能有简单的实现，也可能有复杂的实现，软件渲染、硬件渲染、合成渲染等；
  3. 绘图实现类将2D图形库或者3D图形库绘制结果保存，交给浏览器界面进行展示。

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。

1.3.JavaScript引擎

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引擎执行流程

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边执行一边解析，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：

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JS引擎与渲染引擎的关系

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：

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抽象语法树

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。

2.V8引擎

V8引擎是一个JavaScript引擎实现，最初由一些语言方面专家设计，后被谷歌收购，随后谷歌对其进行了开源。V8使用C++开发，，在运行JavaScript之前，相比其它的JavaScript的引擎转换成字节码或解释执行，V8将其编译成原生机器码（IA-32, x86-64, ARM, or MIPS CPUs），并且使用了如内联缓存（inline caching）等方法来提高性能。有了这些功能，JavaScript程序在V8引擎下的运行速度媲美二进制程序。V8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项目代码结构如下：

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代码结构

2.1.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：

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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：隐藏类指针，这是v8为JavaScript对象创建的隐藏类；属性值表指针，指向该对象包含的属性值；元素表指针，指向该对象包含的属性。

2.2.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。

V8引擎编译本地代码时使用的主要类如下所示：

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JavaScript代码编译的过程大致为：Script类调用Compiler类的Compile函数为其生成本地代码。Compile函数先使用Parser类生成AST，再使用FullCodeGenerator类来生成本地代码。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。

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。

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：

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先根据需要编译和生成这些本地代码，也就是使用编译阶段那些类和操作。在V8中，函数是一个基本单位，当某个JavaScript函数被调用时，V8会查找该函数是否已经生成本地代码，如果已经生成，则直接调用该函数。否则，V8引擎会生成属于该函数的本地代码。这就节约了时间，减少了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类来辅组创建对象，并需要从Heap类分配内存。再次，借助Runtime类中的辅组函数来完成一些功能，如属性访问等。最后，将不用的空间进行标记清除和垃圾回收。

2.3.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。

示例如下：

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。

2.4.隐藏类与内嵌缓存

2.4.1.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：

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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。

2.4.2.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。

内嵌缓存的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。

2.5.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。

内存的管理主要由分配和回收两个部分构成。V8的内存划分如下：

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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。

2.6.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。

3.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：

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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。

4.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。

4.1.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：

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

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。

4.2. 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：

参考资料

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