JS的引擎深入分析-转载

Posted 2020-11-03 诛仙物语

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了JS的引擎深入分析-转载相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

2016年07月16日 16:46:39

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浏览器的组成

浏览器的核心是两部分：渲染引擎和javascript解释器（又称JavaScript引擎）。

（1）渲染引擎

渲染引擎的主要作用是，将网页从代码“渲染”为用户视觉上可以感知的平面文档。不同的浏览器有不同的渲染引擎。

Firefox：Gecko引擎
Safari：WebKit引擎
Chrome：Blink引擎
IE: Trident引擎
Edge: Edgehtml引擎

渲染引擎处理网页，通常分成四个阶段。

解析代码：HTML代码解析为DOM，CSS代码解析为CSSOM（CSS Object Model）
对象合成：将DOM和CSSOM合成一棵渲染树（render tree）
布局：计算出渲染树的布局（layout）
绘制：将渲染树绘制到屏幕

以上四步并非严格按顺序执行，往往第一步还没完成，第二步和第三步就已经开始了。所以，会看到这种情况：网页的HTML代码还没下载完，但浏览器已经显示出内容了。

（2）JavaScript引擎

JavaScript引擎的主要作用是，读取网页中的JavaScript代码，对其处理后运行。

本节主要介绍JavaScript引擎的工作方式。

JavaScript代码嵌入网页的方法

JavaScript代码只有嵌入网页，才能运行。网页中嵌入JavaScript代码有多种方法。

直接添加代码块

通过<script>标签，可以直接将JavaScript代码嵌入网页。

<script>console.log(‘Hello World‘);
</script>

<script>标签有一个type属性，用来指定脚本类型。不过，如果嵌入的是JavaScript脚本，type属性可以省略。

对JavaScript脚本来说，type属性可以设为两种值。

text/javascript：这是默认值，也是历史上一贯设定的值。如果你省略type属性，默认就是这个值。对于老式浏览器，设为这个值比较好。
application/javascript：对于较新的浏览器，建议设为这个值。

加载外部脚本

script标签也可以指定加载外部的脚本文件。

<script src="example.js"></script>

如果脚本文件使用了非英语字符，还应该注明编码。

<script charset="utf-8"src="example.js"></script>

加载外部脚本和直接添加代码块，这两种方法不能混用。下面代码的console.log语句直接被忽略。

<script charset="utf-8"src="example.js">console.log(‘Hello World!‘);
</script>

为了防止攻击者篡改外部脚本，script标签允许设置一个integrity属性，写入该外部脚本的Hash签名，用来验证脚本的一致性。

<script src="/assets/application.js"integrity="sha256-TvVUHzSfftWg1rcfL6TIJ0XKEGrgLyEq6lEpcmrG9qs="></script>

上面代码中，script标签有一个integrity属性，指定了外部脚本/assets/application.js的SHA265签名。一旦有人改了这个脚本，导致SHA265签名不匹配，浏览器就会拒绝加载。

除了JavaScript脚本，外部的CSS样式表也可以设置这个属性。

行内代码

除了上面两种方法，HTML语言允许在某些元素的事件属性和a元素的href属性中，直接写入JavaScript。

<divonclick="alert(‘Hello‘)"></div><ahref="javascript:alert(‘Hello‘)"></a>

这种写法将HTML代码与JavaScript代码混写在一起，非常不利于代码管理，不建议使用。

`<script>`标签的工作原理

正常的网页加载流程是这样的。

浏览器一边下载HTML网页，一边开始解析
解析过程中，发现<script>标签
暂停解析，网页渲染的控制权转交给JavaScript引擎
如果<script>标签引用了外部脚本，就下载该脚本，否则就直接执行
执行完毕，控制权交还渲染引擎，恢复往下解析HTML网页

也就是说，加载外部脚本时，浏览器会暂停页面渲染，等待脚本下载并执行完成后，再继续渲染。原因是JavaScript可以修改DOM（比如使用document.write方法），所以必须把控制权让给它，否则会导致复杂的线程竞赛的问题。

如果外部脚本加载时间很长（比如一直无法完成下载），就会造成网页长时间失去响应，浏览器就会呈现“假死”状态，这被称为“阻塞效应”。

为了避免这种情况，较好的做法是将<script>标签都放在页面底部，而不是头部。这样即使遇到脚本失去响应，网页主体的渲染也已经完成了，用户至少可以看到内容，而不是面对一张空白的页面。

如果某些脚本代码非常重要，一定要放在页面头部的话，最好直接将代码嵌入页面，而不是连接外部脚本文件，这样能缩短加载时间。

将脚本文件都放在网页尾部加载，还有一个好处。在DOM结构生成之前就调用DOM，JavaScript会报错，如果脚本都在网页尾部加载，就不存在这个问题，因为这时DOM肯定已经生成了。

<head><script>console.log(document.body.innerHTML);
  </script></head><body></body>

上面代码执行时会报错，因为此时document.body元素还未生成。

一种解决方法是设定DOMContentLoaded事件的回调函数。

<head><script>
    document.addEventListener(
      ‘DOMContentLoaded‘,
      function (event) {
        console.log(document.body.innerHTML);
      }
    );
  </script></head>

另一种解决方法是，使用<script>标签的onload属性。当<script>标签指定的外部脚本文件下载和解析完成，会触发一个load事件，可以把所需执行的代码，放在这个事件的回调函数里面。

<script src="jquery.min.js"onload="console.log(document.body.innerHTML)"></script>

但是，如果将脚本放在页面底部，就可以完全按照正常的方式写，上面两种方式都不需要。

<body><!-- 其他代码  --><script>console.log(document.body.innerHTML);
  </script></body>

如果有多个script标签，比如下面这样。

<script src="a.js"></script><script src="b.js"></script>

浏览器会同时并行下载a.js和b.js，但是，执行时会保证先执行a.js，然后再执行b.js，即使后者先下载完成，也是如此。也就是说，脚本的执行顺序由它们在页面中的出现顺序决定，这是为了保证脚本之间的依赖关系不受到破坏。

当然，加载这两个脚本都会产生“阻塞效应”，必须等到它们都加载完成，浏览器才会继续页面渲染。

Gecko和Webkit引擎在网页被阻塞后，会生成第二个线程解析文档，下载外部资源，但是不会修改DOM，网页还是处于阻塞状态。

解析和执行CSS，也会产生阻塞。Firefox会等到脚本前面的所有样式表，都下载并解析完，再执行脚本；Webkit则是一旦发现脚本引用了样式，就会暂停执行脚本执行，等到样式表下载并解析完，再恢复执行。

此外，对于来自同一个域名的资源，比如脚本文件、样式表文件、图片文件等，浏览器一般最多同时下载六个（IE11允许同时下载13个）。如果是来自不同域名的资源，就没有这个限制。所以，通常把静态文件放在不同的域名之下，以加快下载速度。

defer属性

为了解决脚本文件下载阻塞网页渲染的问题，一个方法是加入defer属性。

<script src="1.js"defer></script><script src="2.js"defer></script>

defer属性的作用是，告诉浏览器，等到DOM加载完成后，再执行指定脚本。

浏览器开始解析HTML网页
解析过程中，发现带有defer属性的script标签
浏览器继续往下解析HTML网页，同时并行下载script标签中的外部脚本
浏览器完成解析HTML网页，此时再执行下载的脚本

有了defer属性，浏览器下载脚本文件的时候，不会阻塞页面渲染。下载的脚本文件在DOMContentLoaded事件触发前执行（即刚刚读取完</html>标签），而且可以保证执行顺序就是它们在页面上出现的顺序。

对于内置而不是连接外部脚本的script标签，以及动态生成的script标签，defer属性不起作用。

async属性

解决“阻塞效应”的另一个方法是加入async属性。

<script src="1.js"async></script><script src="2.js"async></script>

async属性的作用是，使用另一个进程下载脚本，下载时不会阻塞渲染。

浏览器开始解析HTML网页
解析过程中，发现带有async属性的script标签
浏览器继续往下解析HTML网页，同时并行下载script标签中的外部脚本
脚本下载完成，浏览器暂停解析HTML网页，开始执行下载的脚本
脚本执行完毕，浏览器恢复解析HTML网页

async属性可以保证脚本下载的同时，浏览器继续渲染。需要注意的是，一旦采用这个属性，就无法保证脚本的执行顺序。哪个脚本先下载结束，就先执行那个脚本。另外，使用async属性的脚本文件中，不应该使用document.write方法。

defer属性和async属性到底应该使用哪一个？

一般来说，如果脚本之间没有依赖关系，就使用async属性，如果脚本之间有依赖关系，就使用defer属性。如果同时使用async和defer属性，后者不起作用，浏览器行为由async属性决定。

重流和重绘

渲染树转换为网页布局，称为“布局流”（flow）；布局显示到页面的这个过程，称为“绘制”（paint）。它们都具有阻塞效应，并且会耗费很多时间和计算资源。

页面生成以后，脚本操作和样式表操作，都会触发重流（reflow）和重绘（repaint）。用户的互动，也会触发，比如设置了鼠标悬停（a:hover）效果、页面滚动、在输入框中输入文本、改变窗口大小等等。

重流和重绘并不一定一起发生，重流必然导致重绘，重绘不一定需要重流。比如改变元素颜色，只会导致重绘，而不会导致重流；改变元素的布局，则会导致重绘和重流。

大多数情况下，浏览器会智能判断，将重流和重绘只限制到相关的子树上面，最小化所耗费的代价，而不会全局重新生成网页。

作为开发者，应该尽量设法降低重绘的次数和成本。比如，尽量不要变动高层的DOM元素，而以底层DOM元素的变动代替；再比如，重绘table布局和flex布局，开销都会比较大。

varfoo= document.getElementById(‘foobar‘);

foo.style.color=‘blue‘;
foo.style.marginTop=‘30px‘;

上面的代码只会导致一次重绘，因为浏览器会累积DOM变动，然后一次性执行。

下面是一些优化技巧。

读取DOM或者写入DOM，尽量写在一起，不要混杂
缓存DOM信息
不要一项一项地改变样式，而是使用CSS class一次性改变样式
使用document fragment操作DOM
动画时使用absolute定位或fixed定位，这样可以减少对其他元素的影响
只在必要时才显示元素
使用window.requestAnimationFrame()，因为它可以把代码推迟到下一次重流时执行，而不是立即要求页面重流
使用虚拟DOM（virtual DOM）库

下面是一个window.requestAnimationFrame()对比效果的例子。

// 重绘代价高functiondoubleHeight(element) {
  varcurrentHeight=element.clientHeight;
  element.style.height= (currentHeight*2) +‘px‘;
}

all_my_elements.forEach(doubleHeight);

// 重绘代价低functiondoubleHeight(element) {
  varcurrentHeight=element.clientHeight;

  window.requestAnimationFrame(function () {
    element.style.height= (currentHeight*2) +‘px‘;
  });
}

all_my_elements.forEach(doubleHeight);

脚本的动态嵌入

除了用静态的script标签，还可以动态嵌入script标签。

[‘1.js‘, ‘2.js‘].forEach(function(src) {
  varscript= document.createElement(‘script‘);
  script.src=src;
  document.head.appendChild(script);
});

这种方法的好处是，动态生成的script标签不会阻塞页面渲染，也就不会造成浏览器假死。但是问题在于，这种方法无法保证脚本的执行顺序，哪个脚本文件先下载完成，就先执行哪个。

如果想避免这个问题，可以设置async属性为false。

[‘1.js‘, ‘2.js‘].forEach(function(src) {
  varscript= document.createElement(‘script‘);
  script.src=src;
  script.async=false;
  document.head.appendChild(script);
});

上面的代码依然不会阻塞页面渲染，而且可以保证2.js在1.js后面执行。不过需要注意的是，在这段代码后面加载的脚本文件，会因此都等待2.js执行完成后再执行。

我们可以把上面的写法，封装成一个函数。

(function() {
  varscripts= document.getElementsByTagName(‘script‘)[0];
  functionload(url) {
    varscript= document.createElement(‘script‘);
    script.async=true;
    script.src=url;
    scripts.parentNode.insertBefore(script, scripts);
  }
  load(‘//apis.google.com/js/plusone.js‘);
  load(‘//platform.twitter.com/widgets.js‘);
  load(‘//s.thirdpartywidget.com/widget.js‘);
}());

上面代码中，async属性设为true，是因为加载的脚本没有互相依赖关系。而且，这样就不会造成堵塞。

此外，动态嵌入还有一个地方需要注意。动态嵌入必须等待CSS文件加载完成后，才会去下载外部脚本文件。静态加载就不存在这个问题，script标签指定的外部脚本文件，都是与CSS文件同时并发下载的。

加载使用的协议

如果不指定协议，浏览器默认采用HTTP协议下载。

<script src="example.js"></script>

上面的example.js默认就是采用HTTP协议下载，如果要采用HTTPS协议下载，必需写明（假定服务器支持）。

<script src="https://example.js"></script>

但是有时我们会希望，根据页面本身的协议来决定加载协议，这时可以采用下面的写法。

<script src="//example.js"></script>

JavaScript虚拟机

JavaScript是一种解释型语言，也就是说，它不需要编译，可以由解释器实时运行。这样的好处是运行和修改都比较方便，刷新页面就可以重新解释；缺点是每次运行都要调用解释器，系统开销较大，运行速度慢于编译型语言。为了提高运行速度，目前的浏览器都将JavaScript进行一定程度的编译，生成类似字节码（bytecode）的中间代码，以提高运行速度。

早期，浏览器内部对JavaScript的处理过程如下：

读取代码，进行词法分析（Lexical analysis），将代码分解成词元（token）。
对词元进行语法分析（parsing），将代码整理成“语法树”（syntax tree）。
使用“翻译器”（translator），将代码转为字节码（bytecode）。
使用“字节码解释器”（bytecode interpreter），将字节码转为机器码。

逐行解释将字节码转为机器码，是很低效的。为了提高运行速度，现代浏览器改为采用“即时编译”（Just In Time compiler，缩写JIT），即字节码只在运行时编译，用到哪一行就编译哪一行，并且把编译结果缓存（inline cache）。通常，一个程序被经常用到的，只是其中一小部分代码，有了缓存的编译结果，整个程序的运行速度就会显著提升。

不同的浏览器有不同的编译策略。有的浏览器只编译最经常用到的部分，比如循环的部分；有的浏览器索性省略了字节码的翻译步骤，直接编译成机器码，比如chrome浏览器的V8引擎。

字节码不能直接运行，而是运行在一个虚拟机（Virtual Machine）之上，一般也把虚拟机称为JavaScript引擎。因为JavaScript运行时未必有字节码，所以JavaScript虚拟机并不完全基于字节码，而是部分基于源码，即只要有可能，就通过JIT（just in time）编译器直接把源码编译成机器码运行，省略字节码步骤。这一点与其他采用虚拟机（比如Java）的语言不尽相同。这样做的目的，是为了尽可能地优化代码、提高性能。下面是目前最常见的一些JavaScript虚拟机：

Chakra(Microsoft Internet Explorer)
Nitro/JavaScript Core (Safari)
Carakan (Opera)
SpiderMonkey (Firefox)
V8 (Chrome, Chromium)

单线程模型

含义

首先，明确一个观念：JavaScript只在一个线程上运行，不代表JavaScript引擎只有一个线程。事实上，JavaScript引擎有多个线程，其中单个脚本只能在一个线程上运行，其他线程都是在后台配合。JavaScript脚本在一个线程里运行。这意味着，一次只能运行一个任务，其他任务都必须在后面排队等待。

JavaScript之所以采用单线程，而不是多线程，跟历史有关系。JavaScript从诞生起就是单线程，原因是不想让浏览器变得太复杂，因为多线程需要共享资源、且有可能修改彼此的运行结果，对于一种网页脚本语言来说，这就太复杂了。比如，假定JavaScript同时有两个线程，一个线程在某个DOM节点上添加内容，另一个线程删除了这个节点，这时浏览器应该以哪个线程为准？所以，为了避免复杂性，从一诞生，JavaScript就是单线程，这已经成了这门语言的核心特征，将来也不会改变。

为了利用多核CPU的计算能力，HTML5提出Web Worker标准，允许JavaScript脚本创建多个线程，但是子线程完全受主线程控制，且不得操作DOM。所以，这个新标准并没有改变JavaScript单线程的本质。

单线程模型带来了一些问题，主要是新的任务被加在队列的尾部，只有前面的所有任务运行结束，才会轮到它执行。如果有一个任务特别耗时，后面的任务都会停在那里等待，造成浏览器失去响应，又称“假死”。为了避免“假死”，当某个操作在一定时间后仍无法结束，浏览器就会跳出提示框，询问用户是否要强行停止脚本运行。

如果排队是因为计算量大，CPU忙不过来，倒也算了，但是很多时候CPU是闲着的，因为IO设备（输入输出设备）很慢（比如Ajax操作从网络读取数据），不得不等着结果出来，再往下执行。JavaScript语言的设计者意识到，这时CPU完全可以不管IO设备，挂起处于等待中的任务，先运行排在后面的任务。等到IO设备返回了结果，再回过头，把挂起的任务继续执行下去。这种机制就是JavaScript内部采用的Event Loop。

消息队列

JavaScript运行时，除了一根运行线程，系统还提供一个消息队列（message queue），里面是各种需要当前程序处理的消息。新的消息进入队列的时候，会自动排在队列的尾端。

运行线程只要发现消息队列不为空，就会取出排在第一位的那个消息，执行它对应的回调函数。等到执行完，再取出排在第二位的消息，不断循环，直到消息队列变空为止。

每条消息与一个回调函数相联系，也就是说，程序只要收到这条消息，就会执行对应的函数。另一方面，进入消息队列的消息，必须有对应的回调函数。否则这个消息就会遗失，不会进入消息队列。举例来说，鼠标点击就会产生一条消息，报告click事件发生了。如果没有回调函数，这个消息就遗失了。如果有回调函数，这个消息进入消息队列。等到程序收到这个消息，就会执行click事件的回调函数。

另一种情况是setTimeout会在指定时间向消息队列添加一条消息。如果消息队列之中，此时没有其他消息，这条消息会立即得到处理；否则，这条消息会不得不等到其他消息处理完，才会得到处理。因此，setTimeout指定的执行时间，只是一个最早可能发生的时间，并不能保证一定会在那个时间发生。

一旦当前执行栈空了，消息队列就会取出排在第一位的那条消息，传入程序。程序开始执行对应的回调函数，等到执行完，再处理下一条消息。

Event Loop

所谓Event Loop，指的是一种内部循环，用来一轮又一轮地处理消息队列之中的消息，即执行对应的回调函数。Wikipedia的定义是：“Event Loop是一个程序结构，用于等待和发送消息和事件（a programming construct that waits for and dispatches events or messages in a program）”。可以就把Event Loop理解成动态更新的消息队列本身。

下面是一些常见的JavaScript任务。

执行JavaScript代码
对用户的输入（包含鼠标点击、键盘输入等等）做出反应
处理异步的网络请求

所有任务可以分成两种，一种是同步任务（synchronous），另一种是异步任务（asynchronous）。同步任务指的是，在JavaScript执行进程上排队执行的任务，只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务；异步任务指的是，不进入JavaScript执行进程、而进入“任务队列”（task queue）的任务，只有“任务队列”通知主进程，某个异步任务可以执行了，该任务（采用回调函数的形式）才会进入JavaScript进程执行。

以Ajax操作为例，它可以当作同步任务处理，也可以当作异步任务处理，由开发者决定。如果是同步任务，主线程就等着Ajax操作返回结果，再往下执行；如果是异步任务，该任务直接进入“任务队列”，JavaScript进程跳过Ajax操作，直接往下执行，等到Ajax操作有了结果，JavaScript进程再执行对应的回调函数。

也就是说，虽然JavaScript只有一根进程用来执行，但是并行的还有其他进程（比如，处理定时器的进程、处理用户输入的进程、处理网络通信的进程等等）。这些进程通过向任务队列添加任务，实现与JavaScript进程通信。

想要理解Event Loop，就要从程序的运行模式讲起。运行以后的程序叫做“进程”（process），一般情况下，一个进程一次只能执行一个任务。如果有很多任务需要执行，不外乎三种解决方法。

排队。因为一个进程一次只能执行一个任务，只好等前面的任务执行完了，再执行后面的任务。
新建进程。使用fork命令，为每个任务新建一个进程。
新建线程。因为进程太耗费资源，所以如今的程序往往允许一个进程包含多个线程，由线程去完成任务。

如果某个任务很耗时，比如涉及很多I/O（输入/输出）操作，那么线程的运行大概是下面的样子。

上图的绿色部分是程序的运行时间，红色部分是等待时间。可以看到，由于I/O操作很慢，所以这个线程的大部分运行时间都在空等I/O操作的返回结果。这种运行方式称为”同步模式”（synchronous I/O）。

如果采用多线程，同时运行多个任务，那很可能就是下面这样。

上图表明，多线程不仅占用多倍的系统资源，也闲置多倍的资源，这显然不合理。

上图主线程的绿色部分，还是表示运行时间，而橙色部分表示空闲时间。每当遇到I/O的时候，主线程就让Event Loop线程去通知相应的I/O程序，然后接着往后运行，所以不存在红色的等待时间。等到I/O程序完成操作，Event Loop线程再把结果返回主线程。主线程就调用事先设定的回调函数，完成整个任务。

可以看到，由于多出了橙色的空闲时间，所以主线程得以运行更多的任务，这就提高了效率。这种运行方式称为”异步模式“（asynchronous I/O）。

这正是JavaScript语言的运行方式。单线程模型虽然对JavaScript构成了很大的限制，但也因此使它具备了其他语言不具备的优势。如果部署得好，JavaScript程序是不会出现堵塞的，这就是为什么node.js平台可以用很少的资源，应付大流量访问的原因。

如果有大量的异步任务（实际情况就是这样），它们会在“消息队列”中产生大量的消息。这些消息排成队，等候进入主线程。本质上，“消息队列”就是一个“先进先出”的数据结构。比如，点击鼠标就产生一系列消息（各种事件），mousedown事件排在mouseup事件前面，mouseup事件又排在click事件的前面。