图解 Google V8 # 13：字节码：V8为什么又重新引入字节码？

Posted 2022-06-20 凯小默

说明

图解 Google V8 学习笔记

什么是字节码？

字节码（Byte-code）是一种包含执行程序、由一序列 op 代码/数据对组成的二进制文件。字节码是一种中间码，它比机器码更抽象。它经常被看作是包含一个执行程序的二进制文件，更像一个对象模型。字节码被这样叫是因为通常每个 opcode 是一字节长，但是指令码的长度是变化的。每个指令有从 0 到 255（或十六进制的： 00 到FF)的一字节操作码，被参数例如寄存器或内存地址跟随。

所谓字节码，是指编译过程中的中间代码。

字节码有两个作用：

1. 解释器可以直接解释执行字节码 ;
2. 优化编译器可以将字节码编译为二进制代码，然后再执行二进制机器代码。

早期 V8 执行流水线：直接将 javascript 代码编译成机器代码。

• 基线编译器，它负责将 JavaScript 代码编译为没有优化过的机器代码。
• 优化编译器，它负责将一些热点代码（执行频繁的代码）优化为执行效率更高的机器代码。

1. 首先，V8 会将一段 JavaScript 代码转换为抽象语法树 (AST)。
2. 接下来基线编译器会将抽象语法树编译为未优化过的机器代码，然后 V8 直接执行这些未优化过的机器代码。
3. 在执行未优化的二进制代码过程中，如果 V8 检测到某段代码重复执行的概率过高，那么 V8 会将该段代码标记为 HOT，标记为 HOT 的代码会被优化编译器优化成执行效率高的二进制代码，然后就执行该段优化过的二进制代码。
4. 不过如果优化过的二进制代码并不能满足当前代码的执行，这也就意味着优化失败，V8 则会执行反优化操作。

为什么现在使用了字节码 + 解释器 + 编译器方式，抛弃了直接将 JavaScript 代码编译为二进制代码的方式，尽管机器代码的执行性能非常高效，出于什么原因考虑？

• 时间问题：编译时间过久，影响代码启动速度；
• 空间问题：缓存编译后的二进制代码占用更多的内存。

机器代码缓存

通过把二进制代码保存在内存中来消除冗余的编译，重用它们完成后续的调用，这样就省去了再次编译的时间。实践表明，在浏览器中采用了二进制代码缓存的方式，初始加载时分析和编译的时间缩短了 20%～40%。

V8 使用了两种代码缓存策略：

1. 内存缓存（in-memory cache)：V8 第一次执行一段代码时，会编译源 JavaScript 代码，并将编译后的二进制代码缓存在内存中。
2. 硬盘缓存：即便关闭了浏览器，下次重新打开浏览器再次执行相同代码时，也可以直接重复使用编译好的二进制代码。

在早期，Chrome 用了这两种代码缓存的策略来提升 JavaScript 代码的执行速度，以牺牲存储空间来换取执行速度。

JavaScript 代码和二进制代码：

二进制代码所占用的内存空间是 JavaScript 代码的几千倍，V8 过度占用内存，会导致 Web 应用的速度大大降低。

为了解决缓存的二进制机器代码占用过多内存的问题，早期的 Chrome 并没有缓存函数内部的二进制代码，只是缓存了顶层次的二进制代码，采用了惰性编译，其实惰性编译除了能提升 JavaScript 启动速度，还可以解决部分内存占用的问题。

缺陷：如果浏览器只缓存顶层代码，那么闭包模块中的代码将无法被缓存，而对于高度工程化的模块来说，这种模块式的处理方式到处都是，这就导致了一些关键代码没有办法被缓存。

因此，V8 团队对早期的 V8 架构进行了非常大的重构，具体地讲，抛弃之前的基线编译器和优化编译器，引入了字节码、解释器和新的优化编译器。

字节码降低了内存占用

为什么通过引入字节码就能降低 V8 在执行时的内存占用呢？

字节码虽然占用的空间比原始的 JavaScript 多，但是相较于机器代码，字节码占用的空间远小于二进制代码，所以浏览器就可以实现缓存所有的字节码，而不是仅仅缓存顶层的字节码。

虽然采用字节码在执行速度上稍慢于机器代码，但是整体上权衡利弊，采用字节码也许是最优解。因为采用字节码除了降低内存之外，还提升了代码的启动速度，并降低了代码的复杂度，而牺牲的仅仅是一点执行效率。

字节码如何提升代码启动速度？

启动 JavaScript 代码的流程图：

• 生成机器代码比生成字节码需要花费更久的时间
• 直接执行机器代码却比解释执行字节码要更高效

V8 在使用的模型：

• V8 的解释器叫 Ignition，（就原始字节码执行速度而言）是所有引擎中最快的解释器。
• V8 的优化编译器名为 TurboFan，最终由它生成高度优化的机器码。

字节码如何降低代码的复杂度？

早期的 V8 代码，无论是基线编译器还是优化编译器，它们都是基于 AST 抽象语法树来将代码转换为机器码的，不同架构的处理器非常之多

这意味着基线编译器和优化编译器要针对不同的体系的 CPU 编写不同的代码，这会大大增加代码量。

引入了字节码，就可以统一将字节码转换为不同平台的二进制代码：

因为字节码的执行过程和 CPU 执行二进制代码的过程类似，相似的执行流程，那么将字节码转换为不同架构的二进制代码的工作量也会大大降低，这就降低了转换底层代码的工作量。字节码是平台无关的，机器码针对不同的平台都是不一样的。

总的来说字节码的优势有如下三点：

• 解决启动问题：生成字节码的时间很短；
• 解决空间问题：字节码占用内存不多，缓存字节码会大大降低内存的使用；
• 代码架构清晰：采用字节码，可以简化程序的复杂度，使得 V8 移植到不同的 CPU 架构平台更加容易。

参考资料

• 字节码