图解 Google V8 # 01：V8 是如何执行一段 JavaScript 代码的？

Posted 2022-05-30 凯小默：树上的男爵

说明

图解 Google V8 学习笔记

javascript 的设计思想

JavaScript 借鉴了很多语言的特性：

• C 语言的基本语法
• Java 的类型系统和内存管理
• Scheme 的函数作为一等公民（为了实现函数是一等公民的特性，JavaScript 采取了基于对象的策略）
• Self 基于原型（prototype）的继承机制（为了实现原型继承，V8 为每个对象引入了 __proto__ 属性）

JavaScript 的引擎种类

• SpiderMonkey
• TraceMonkey：Firefox 使用了 TraceMonkey 虚拟机
• V8：Chrome 则使用了 V8 虚拟机
• JavaScriptCore：苹果公司在 Safari 中就是用 JavaScriptCore 虚拟机
• …

JavaScript 引擎将人类能够理解的编程语言 JavaScript，翻译成机器能够理解的机器语言。

有兴趣可以看一下：引擎浅谈 SpiderMonkey & Google V8

什么是 V8？

V8 是 JavaScript 虚拟机的一种，由 Google 开发的开源 JavaScript 引擎，目前用在 Chrome 浏览器和 Node.js 中，其核心功能是执行 JavaScript 代码。

在 V8 出现之前，所有的 JavaScript 虚拟机所采用的都是解释执行的方式，这是 JavaScript 执行速度过慢的一个主要原因。而 V8 率先引入了即时编译（JIT）的双轮驱动的设计，这是一种权衡策略，混合编译执行和解释执行这两种手段，给 JavaScript 的执行速度带来了极大的提升。

高级代码为什么需要先编译再执行？

为了能够完成复杂的任务，工程师们为 CPU 提供了一大堆指令，来实现各种功能，我们就把这一大堆指令称为指令集（Instructions），也就是机器语言。

将二进制指令集转换为人类可以识别和记忆的符号，这就是汇编指令集。

比如：

1000100111011000  机器指令
mov ax,bx         汇编指令

CPU 不能直接识别汇编语言，需要汇编编译器将汇编代码编程成机器代码

汇编语言复杂且繁琐：

1. 不同的 CPU 有着不同的指令集

需要为每种架构的CPU编写特定的汇编代码：

2.在编写汇编代码时，还需要了解和处理器架构相关的硬件知识

比如：需要使用寄存器、内存、操作 CPU 等。

需要一种屏蔽了计算机架构细节的语言，能适应多种不同 CPU 架构的语言，能专心处理业务逻辑的语言，诸如 C、C++、Java、C#、Python、JavaScript 等，这些高级语言应用而生。

处理器怎么识别由高级语言所编写的代码？

第一种是解释执行。

要先将输入的源代码通过解析器编译成中间代码，之后直接使用解释器解释执行中间代码，然后直接输出结果。

第二种是编译执行。

需要先将源代码转换为中间代码，然后我们的编译器再将中间代码编译成机器代码。

• 通常编译成的机器代码是以二进制文件形式存储的，需要执行这段程序的时候直接执行二进制文件。
• 还可以使用虚拟机将编译后的机器代码保存在内存中，然后直接执行内存中的二进制代码。

V8 怎么执行 JavaScript 代码的呢？

V8 作为 JavaScript 的虚拟机的一种，它到底是怎么执行 JavaScript 代码的呢？是解释执行，还是编译执行呢？

• 解释执行启动速度快，但是执行时速度慢
• 编译执行启动速度慢，但是执行速度快。

V8 并没有采用某种单一的技术，而是混合编译执行和解释执行这两种手段，我们把这种混合使用编译器和解释器的技术称为 JIT（Just In Time）技术。

• V8 中使用的隐藏类（Hide Class），这是将 JavaScript 中动态类型转换为静态类型的一种技术，可以消除动态类型的语言执行速度过慢的问题。
• V8 实现了 JavaScript 代码的惰性解析，目的是为了加速代码的启动速度。

V8 执行一段 JavaScript 流程图：

1、基础环境准备

在 V8 启动执行 JavaScript 之前，它还需要准备执行 JavaScript 时所需要的一些基础环境，这些基础环境包括了堆空间、栈空间、全局执行上下文、全局作用域、消息循环系统、内置函数等，这些内容都是在执行 JavaScript 过程中需要使用到的，比如：

• JavaScript 全局执行上下文就包含了执行过程中的全局信息，比如一些内置函数，全局变量等信息
• 全局作用域包含了一些全局变量，在执行过程中的数据都需要存放在内存中
• 而 V8 是采用了经典的堆和栈的内存管理模式，所以 V8 还需要初始化内存中的堆和栈结构
• 另外，还需要初始化消息循环系统，消息循环系统包含了消息驱动器和消息队列，不断接受消息并决策如何处理消息。

2、V8 源代码的结构化

结构化，是指信息经过分析后可分解成多个互相关联的组成部分，各组成部分间有明确的层次结构，方便使用和维护，并有一定的操作规范。

首先 V8 会接收到要执行的 JavaScript 源代码，V8 源代码的结构化之后，就生成了抽象语法树 (AST)，我们称为 AST，AST 是便于 V8 理解的结构。在生成 AST 的同时，V8 还会生成相关的作用域，作用域中存放相关变量。

3、生成字节码并解释执行

字节码是介于 AST 和机器代码的中间代码。

解释器可以直接解释执行字节码，或者通过编译器将其编译为二进制的机器代码再执行。

4、监测热点代码

在解释执行字节码的过程中，如果发现了某一段代码会被重复多次执行，那么监控机器人就会将这段代码标记为热点代码。

当某段代码被标记为热点代码后，V8 就会将这段字节码丢给优化编译器，优化编译器会在后台将字节码编译为二进制代码，然后再对编译后的二进制代码执行优化操作，优化后的二进制机器代码的执行效率会得到大幅提升。

5、总结主要流程

• 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。

拓展

• 如何安装v8