作为一个前端程序员,每天上班的第一件事就是打开电脑,不由自主的点开chrome
浏览器,或是摸会儿鱼或是立马进入工作状态。接下来浏览器窗口就会陪伴着你度过一天的时光,正常到七八点钟,晚点就九十点钟,再晚点就陪你跨过一天,时刻关注着你的工作。作为一个忠诚陪伴你的伙伴,你扪心自问,你有认真的了解过它是如何工作的吗?你有走进过它的内心世界吗?
如果你也好奇过,那么请收看这期的《走进chrome内心,了解V8引擎是如何工作的》。
V8是什么
在深入了解一件事物之前,首先要知道它是什么。
V8
是一个由Google
开源的采用C++
编写的高性能JavaScript
和WebAssembly
引擎,应用在 Chrome
和Node.js
等中。它实现了ECMAScript
和WebAssembly
,运行在Windows 7
及以上、macOS 10.12+
以及使用x64、IA-32、ARM
或MIPS
处理器的Linux
系统上。 V8
可以独立运行,也可以嵌入到任何C++
应用程序中。
V8由来
接下来我们来关心关心它如何诞生的,以及为什么叫这个名字。
V8最初是由Lars Bak
团队开发的,以汽车的V8
发动机(有八个气缸的V型发动机)进行命名,预示着这将是一款性能极高的JavaScript
引擎,在2008年9月2号
同chrome
一同开源发布。
为什么需要V8
我们写的JavaScript
代码最终是要在机器中被执行的,但机器无法直接识别这些高级语言。需要经过一系列的处理,将高级语言转换成机器可以识别的的指令,也就是二进制码,交给机器执行。这中间的转换过程就是V8
的具体工作。
接下来我们就来详细的了解一下。
V8组成
首先来看一下V8
的内部组成。V8
的内部有很多模块,其中最重要的4个如下:
- Parser: 解析器,负责将源代码解析成
AST
- Ignition: 解释器,负责将
AST
转换成字节码并执行,同时会标记热点代码 - TurboFan: 编译器,负责将热点代码编译成机器码并执行
- Orinoco: 垃圾回收器,负责进行内存空间回收
V8工作流程
以下是V8
中几个重要模块的具体工作流程图。我们逐个分析。
Parser解析器
Parser解析器负责将源代码转换成抽象语法树AST
。在转换过程中有两个重要的阶段:词法分析(Lexical Analysis)
和语法分析(Syntax Analysis)
。
词法分析
也称为分词,是将字符串形式的代码转换为标记(token)序列的过程。这里的token
是一个字符串,是构成源代码的最小单位,类似于英语中单词。词法分析也可以理解成将英文字母组合成单词的过程。词法分析过程中不会关心单词之间的关系。比如:词法分析过程中能够将括号标记成token
,但并不会校验括号是否匹配。
JavaScript
中的token
主要包含以下几种:
以下是const a = 'hello world'
经过esprima
词法分析后生成的tokens
。
[
{
"type": "Keyword",
"value": "const"
},
{
"type": "Identifier",
"value": "a"
},
{
"type": "Punctuator",
"value": "="
},
{
"type": "String",
"value": "'hello world'"
}
]
语法分析
语法分心是将词法分析产生的token
按照某种给定的形式文法转换成AST
的过程。也就是把单词组合成句子的过程。在转换过程中会验证语法,语法如果有错的话,会抛出语法错误。
上述const a = 'hello world'
经过语法分析后生成的AST
如下:
{
"type": "Program",
"body": [
{
"type": "VariableDeclaration",
"declarations": [
{
"type": "VariableDeclarator",
"id": {
"type": "Identifier",
"name": "a"
},
"init": {
"type": "Literal",
"value": "hello world",
"raw": "'hello world'"
}
}
],
"kind": "const"
}
],
"sourceType": "script"
}
经过Parser
解析器生成的AST
将交由Ignition
解释器进行处理。
Ignition解释器
Ignition解释器负责将AST
转换成字节码(Bytecode)并执行。字节码是介于AST
和机器码之间的一种代码,与特定类型的机器代码无关,需要通过解释器转换成机器码才可以执行。
看到这里想必大家都有疑惑,既然字节码也需要转换成机器码才能运行,那一开始为什么不直接将AST
转换成机器码直接运行呢?转换成机器码直接运行速度肯定更快,那为什么还要加一个中间过程呢?
其实在V8
的5.9
版本之前是没有字节码的,而是直接将JS代码编译成机器码并将机器码存储到内存中,这样就占用了大量的内存,而早期的手机内存都不高,过度的占用会导致手机性能大大的下降;而且直接编译成机器码导致编译时间长,启动速度慢;再者直接将JS代码转换成机器码需要针对不同的CPU
架构编写不同的指令集,复杂度很高。
5.9
版本以后引入了字节码,可以解决上述内存占用大、启动时间长、代码复杂度高这几个问题。
接下来我们来看看Ignition
是如何将AST
转换成字节码的。
下图是Ignition
解释器的工作流程图。AST
需要先通过字节码生成器,再经过一系列的优化之后才能生成字节码。
其中的优化包括:
- Register Optimizer:主要是避免寄存器不必要的加载和存储
- Peephole Optimizer:寻找字节码中可以复用的部分,并进行合并
- Dead-code Elimination: 删除无用的代码,减少字节码的大小
将代码转换成字节码后就可以通过解释器执行了。Ignition
在执行的过程中,会监视代码的执行情况并记录执行信息,如函数的执行次数、每次执行函数时所传的参数等。
当同一段代码被执行多次,就会被标记成热点代码。热点代码会交给TurboFan
编译器进行处理。
TurboFan编译器
TurboFan
拿到Ignition
标记的热点代码后,会先进行优化处理,然后将优化后字节码编译成更高效的机器码存储起来。下次再次执行相同代码时,会直接执行相应的机器码,这样就在很大程度上提升了代码的执行效率。
当一段代码不再是热点代码后,TurboFan
会进行去优化的过程,将优化编译后的机器码还原成字节码,将代码的执行权利交还给Ignition
。
现在我们来看一看具体的执行过程。
以sum += arr[i]
为例,由于JS
是动态类型的语言,每次的sum
和arr[i]
都有可能是不同的类型,在执行这段代码时,Ignition
每次都会检查sum
和arr[i]
的数据类型。当发现同样的代码被执行了多次时,就将其标记为热点代码,交给TurboFan
。
TurboFan
在执行时,如果每次都判断sum
和arr[i]
的数据类型是很浪费时间的。因此在优化时,会根据之前的几次执行确定sum
和arr[i]
的数据类型,将其编译成机器码。下次再执行时,省去了判断数据类型的过程。
但如果在后续的执行过程中,arr[i]
的数据类型发生了改变,之前生成的机器码就不满足要求了,TurboFan
会把之前生成的机器码丢弃,将执行权利再交给Ignition
,完成去优化的过程。
热点代码:
优化前:
优化后:
总结
现在我们来总结一下V8
的执行过程:
- 源代码经过
Parser
解析器,经过词法分析和语法分析生成AST
AST
经过Ignition
解释器生成字节码并执行- 在执行过程中,如果发现热点代码,将热点代码交给
TurboFan
编译器生成机器码并执行 - 如果热点代码不再满足要求,进行去优化处理
这种字节码与解释器和编译器结合的技术,就是我们通常所说的即时编译(JIT
)。
本文并没有介绍垃圾回收器Orinoco
,V8
的垃圾回收机制可以单独用一篇文章来详细介绍,我们下期再见。