【譯】深入了解 JavaScript V8

文章來源于公眾號(hào)：符合預(yù)期的CoyPan ，作者CoyPan

原文標(biāo)題：A Deep Dive Into V8

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正文開始

大部分前端開發(fā)人員都會(huì)遇到一個(gè)流行詞：V8。它的流行程度很大一部分是因?yàn)樗鼘?JavaScript 的性能提升到了一個(gè)新的水平。

是的，V8很快。但它是如何發(fā)揮它的魔力？為什么它反應(yīng)如此迅速呢？

官方文檔指出： V8 是谷歌開源高性能 JavaScript 和 WebAssembly 引擎，用 C++ 編寫。它主要用在 Chrome 和Node.js中，等等。

換句話說，V8是一種C++開發(fā)的軟件，它將 JavaScript 編譯成可執(zhí)行代碼，即機(jī)器碼。

現(xiàn)在，我們開始看得更清楚，Chrome和Node.js只是一個(gè)橋梁，負(fù)責(zé)把 JS 代碼運(yùn)送到最終的目的地：在特定機(jī)器上運(yùn)行的機(jī)器碼。

V8性能的另一個(gè)重要角色是它的分代和超精確的垃圾收集器。它被優(yōu)化為使用低內(nèi)存收集 JavaScript 不再需要的對(duì)象。

除此之外，V8 還依靠一組其他的工具和特性來改進(jìn) JS 的一些固有功能。這些功能往往會(huì)使 JS 變慢（例如JS的動(dòng)態(tài)特性）。

在本文中，我們將更詳細(xì)地探討這些工具（Ignition 和 TurboFan）和特性。除此之外，我們還將介紹V8的內(nèi)部功能、編譯和垃圾回收過程、單線程特性等基礎(chǔ)知識(shí)。

從基礎(chǔ)的開始

機(jī)器碼是如何工作的呢？簡(jiǎn)單地說，機(jī)器代碼是在機(jī)器內(nèi)存的特定部分執(zhí)行的一組非常低級(jí)的指令。

生成機(jī)器碼的過程，用C++舉例，大概像下面這樣：

在進(jìn)一步討論之前，必須指出這是一個(gè)編譯過程，它不同于 JavaScript 解釋過程。實(shí)際上，編譯器在進(jìn)程結(jié)束時(shí)生成一個(gè)完整的程序，而解釋器作為一個(gè)程序本身工作，它通過讀取指令（通常是腳本，如JavaScript腳本）并將其轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行命令來完成任務(wù)。

解釋過程可以是動(dòng)態(tài)的（解釋器解析并只運(yùn)行當(dāng)前命令）或完全解析（即解釋器在繼續(xù)執(zhí)行相應(yīng)的機(jī)器指令之前首先完全翻譯腳本）。

回到圖中，編譯過程通常從源代碼開始。你實(shí)現(xiàn)代碼，保存并運(yùn)行。運(yùn)行的進(jìn)程依次從編譯器開始。編譯器是一個(gè)程序，和其他程序一樣，運(yùn)行在你的機(jī)器上。然后它遍歷所有代碼并生成對(duì)象文件。那些文件是機(jī)器代碼。它們是在特定機(jī)器上運(yùn)行的優(yōu)化代碼，這就是為什么當(dāng)你從一個(gè)操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)操作系統(tǒng)時(shí)必須使用特定的編譯器。

但是你不能執(zhí)行單獨(dú)的對(duì)象文件，你需要把它們組合成一個(gè)文件，即眾所周知的.exe文件（可執(zhí)行文件）。這是Linker的工作。

最后，Loader是代理，負(fù)責(zé)將 exe 文件中的代碼傳輸?shù)讲僮飨到y(tǒng)的虛擬內(nèi)存中。它基本上是一個(gè)運(yùn)輸工具。在這里，你的程序終于開始運(yùn)行了。

聽起來是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，不是嗎？

大多數(shù)時(shí)候（除非你是在銀行大型機(jī)上使用匯編的開發(fā)人員），你會(huì)花時(shí)間用高級(jí)語(yǔ)言編程：Java、C#、Ruby、JavaScript等。

語(yǔ)言越高級(jí)，速度越慢。這就是為什么C和C++速度更快，因?yàn)樗鼈兎浅＝咏鼨C(jī)器代碼語(yǔ)言：匯編語(yǔ)言。

除了性能之外，V8的主要優(yōu)點(diǎn)之一是超越ECMAScript標(biāo)準(zhǔn)的可能性，并且理解C++。

JavaScript 僅限于ECMAScript。而V8引擎，為了存在，必須是兼容的，但不限于 JavaScript 。

具有將C++特性集成到V8中的能力是非常棒的。由于C++已經(jīng)發(fā)展到非常好的 OS 操作的文件處理和內(nèi)存/線程處理的特殊性——在 JavaScript 中擁有所有這些能力是非常有用的。

如果你仔細(xì)想想，Node.js它本身也是以類似的方式誕生的。它遵循與V8相似的路徑，外加服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)功能。

單線程

如果你是一個(gè)Node開發(fā)者，你應(yīng)該很熟悉V8的單線程特性。一個(gè) JS 執(zhí)行上下文與線程數(shù)量成正比。

當(dāng)然，V8在后臺(tái)管理操作系統(tǒng)線程機(jī)制。它可以與多個(gè)線程一起工作，因?yàn)樗且粋€(gè)復(fù)雜的軟件，可以同時(shí)執(zhí)行許多任務(wù)。

但是，V8為每個(gè) JavaScript 的執(zhí)行上下文只創(chuàng)建一個(gè)單線程的環(huán)境。其余的都在V8的控制之下。

想象一下 JavaScript 代碼應(yīng)該進(jìn)行的函數(shù)調(diào)用堆棧。 JavaScript 的工作原理是將一個(gè)函數(shù)堆疊在另一個(gè)函數(shù)之上，遵循每個(gè)函數(shù)的插入/調(diào)用順序。在到達(dá)每個(gè)函數(shù)的內(nèi)容之前，我們無法知道它是否調(diào)用其他函數(shù)。如果發(fā)生這種情況，那么被調(diào)用的函數(shù)將被放在堆棧中調(diào)用者的后面。

例如，當(dāng)涉及回調(diào)時(shí)，它們被放在堆棧的末尾。

管理這個(gè)堆棧組織和進(jìn)程所需的內(nèi)存是V8的主要任務(wù)之一。

Ignition and TurboFan

自2017年5月發(fā)布的5.9版以來，V8 附帶了一個(gè)新的JavaScript執(zhí)行管道，它構(gòu)建在V8的解釋器Ignition之上。它還包括一個(gè)更新和更好的優(yōu)化編譯器-TurboFan。

這些變化完全集中在整體性能上，以及 Google 開發(fā)人員在調(diào)整引擎以適應(yīng) JavaScript 領(lǐng)域帶來的所有快速而顯著的變化時(shí)所面臨的困難。

從項(xiàng)目一開始，V8的維護(hù)人員就一直在擔(dān)心如何在 JavaScript 不斷發(fā)展的同時(shí)，找到一種提高V8性能的好方法。

現(xiàn)在，我們可以看到新引擎的Benchmarks測(cè)試結(jié)果，已經(jīng)有了巨大提升：

Hidden Classes（隱藏類）

這是V8的另一個(gè)魔術(shù)。JavaScript 是一種動(dòng)態(tài)語(yǔ)言。這意味著可以在執(zhí)行期間添加、替換和刪除新屬性。例如，在Java這樣的語(yǔ)言中，這是不可能的，在Java中，所有的東西（類、方法、對(duì)象和變量）都必須在程序執(zhí)行之前定義，并且在應(yīng)用程序啟動(dòng)后不能動(dòng)態(tài)更改。

由于它的特殊性質(zhì)，JavaScript 解釋器通常基于散列函數(shù)（hash算法）執(zhí)行字典查找，以準(zhǔn)確地知道這個(gè)變量或?qū)ο笤趦?nèi)存中的分配位置。

這對(duì)最后一道工序來說代價(jià)很大。在其他語(yǔ)言中，當(dāng)對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)，它們接收一個(gè)地址（指針）作為其隱式屬性之一。這樣，我們就可以準(zhǔn)確地知道它們?cè)趦?nèi)存中的位置以及要分配多少空間。

對(duì)于 JavaScript，這是不可能的，因?yàn)槲覀儫o法映射出不存在的內(nèi)容。這就是Hidden Classes發(fā)揮作用的地方。

隱藏類與Java中的類幾乎相同：靜態(tài)類和固定類具有唯一的地址來定位它們。然而，V8并不是在程序執(zhí)行之前執(zhí)行，而是在運(yùn)行過程中，每次對(duì)象結(jié)構(gòu)發(fā)生“動(dòng)態(tài)變化”時(shí)執(zhí)行。

讓我們看一個(gè)例子來說明問題?？紤]以下代碼片段：

function User(name, fone, address) {
   this.name = name
   this.phone = phone
   this.address = address
}

在 JavaScript 基于原型的特性中，每次實(shí)例化一個(gè)新的用戶對(duì)象時(shí)，假設(shè)：

var user = new User("John May", "+1 (555) 555-1234", "123 3rd Ave")

然后V8創(chuàng)建一個(gè)新的隱藏類。我們稱之為_User0。

每個(gè)對(duì)象在內(nèi)存中都有一個(gè)對(duì)其類表示的引用。它是類指針。此時(shí)，由于我們剛剛實(shí)例化了一個(gè)新對(duì)象，所以在內(nèi)存中只創(chuàng)建了一個(gè)隱藏類。現(xiàn)在是空的。

當(dāng)你在這個(gè)函數(shù)中執(zhí)行第一行代碼時(shí)，將在上一個(gè)基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個(gè)新的隱藏類，這次是_User1

它基本上是具有name屬性的User的內(nèi)存地址。在我們的示例中，我們沒有使用僅將name作為屬性的user，但每次這樣做時(shí)，這就是V8將作為引用加載的隱藏類。

name屬性被添加到內(nèi)存緩沖區(qū)的偏移量 0，這意味著這將被視為最后順序中的第一個(gè)屬性。

V8還將向_User0隱藏類添加一個(gè)轉(zhuǎn)換值。這有助于解釋器理解：每次向User對(duì)象添加name屬性時(shí)，必須處理從_User0到_User1的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)調(diào)用函數(shù)中的第二行時(shí)，同樣的過程再次發(fā)生，并創(chuàng)建一個(gè)新的隱藏類：

你可以看到隱藏類跟蹤堆棧。在由轉(zhuǎn)換值維護(hù)的鏈中，一個(gè)隱藏類通向另一個(gè)。

屬性添加的順序決定了V8將要?jiǎng)?chuàng)建多少個(gè)隱藏類。如果您更改我們所創(chuàng)建的代碼段中的行的順序，那么也將創(chuàng)建不同的隱藏類。這就是為什么有些開發(fā)人員試圖保持重用隱藏類的順序，從而減少開銷。

Inline Caching（內(nèi)聯(lián)緩存）

這是JIT（Just-in-Time）編譯器中非常常見的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。它與隱藏類的概念直接相關(guān)。

例如，每當(dāng)你調(diào)用一個(gè)函數(shù)，將一個(gè)對(duì)象作為參數(shù)傳遞時(shí)，V8會(huì)看到這個(gè)動(dòng)作，然后想：“嗯，這個(gè)對(duì)象作為參數(shù)成功地傳遞了兩次或更多次……為什么不把它存儲(chǔ)在我的緩存中以備將來調(diào)用，而不是再次執(zhí)行整個(gè)耗時(shí)的隱藏類驗(yàn)證過程？”

讓我們回顧上一個(gè)例子：

function User(name, fone, address) { // Hidden class _User0
   this.name = name // Hidden class _User1
   this.phone = phone // Hidden class _User2
   this.address = address // Hidden class _User3
}

當(dāng)我們將 User 對(duì)象的實(shí)例兩次作為參數(shù)傳遞給函數(shù)后，V8將跳轉(zhuǎn)到隱藏類查找并直接轉(zhuǎn)到偏移量的屬性。這要快得多。

但是，請(qǐng)記住，如果更改函數(shù)中任何屬性賦值的順序，則會(huì)導(dǎo)致不同的隱藏類，因此V8將無法使用內(nèi)聯(lián)緩存功能。

這是一個(gè)很好的例子，說明開發(fā)人員不應(yīng)該避免更深入地了解引擎。相反，擁有這些知識(shí)將有助于代碼更好地執(zhí)行。

Garbage Collecting（垃圾回收）

你還記得我們提到過V8在另一個(gè)線程中收集內(nèi)存垃圾嗎？這很有幫助，因?yàn)槲覀兊某绦驁?zhí)行不會(huì)受到影響。

V8使用眾所周知的“標(biāo)記和掃描”策略來收集內(nèi)存中的舊對(duì)象。在這種策略中，GC掃描內(nèi)存對(duì)象以“標(biāo)記”它們以進(jìn)行收集的階段有點(diǎn)慢，因?yàn)檫@需要暫停代碼執(zhí)行。

但是，V8是遞增的，也就是說，對(duì)于每個(gè) GC 停頓，V8嘗試標(biāo)記盡可能多的對(duì)象。它使一切變得更快，因?yàn)樵诩贤瓿芍安恍枰Ｖ拐麄€(gè)執(zhí)行。在大型應(yīng)用程序中，性能的提高有很大的不同。

以上就是W3Cschool編程獅關(guān)于【譯】深入了解JavaScript V8的相關(guān)介紹了，希望對(duì)大家有所幫助。