V8 执行 JavaScript 的流程

Posted 2021-07-31 跨链技术践行者

前言

本文意在简单的介绍一下 V8 执行 JS 的过程，通过了解 V8 执行 JS 的过程，知道 JS 代码呈现在浏览器上到底做了什么。当然本人也是在陆续探索 V8 ，文章中如有不当之处，还望不吝指正，理性交流。

众所周知，机器（CPU）只能识别机器码（二进制码），对于 JS 代码，它是识别不了的，所以当代码成为页面出现在屏幕上的时候，必然是做了很多的转译工作。

V8 执行 javascript 过程

如上图所示，我们将一步步进行拆分分析：

JS TO AST

在 V8 引擎拿到 JS 代码之后，解析器（Parser）会对其进行词法分析和语法分析。

词法分析

将 JS 代码拆分成对应的 Token，Token 是能拆分的最小单位，固定 type 表述类型/属性，value 表示对应的值，如下图 Token。

语法分析

在进行词法分析转为 Token 之后，解析器继续根据生成的 Token 生成对应的 AST，AST 相信前端同学并不陌生，也是热词之一，无论是在 Vue、React 中虚拟 DOM 的表示，或者 Babel 对 JS 转译的表示都是先将其转化为对应的 AST，解析器解析之后的 AST 结构如下图所示：

可以看到，一段极小的代码片段，被解析成 AST 之后复杂了很多，在图中的 AST 还仅仅是简化后的数据，全部的 AST 其实还有很多参数，将会更复杂。

字节码

在解析器（Parser）将 JS 代码解析成 AST 之后，解释器（Ignition）根据 AST 来生成字节码（也称中间码）。前文提到 CPU 只能识别机器码，对字节码是识别不了的，这里就衍生出一个问题，如果 CPU 识别不了字节码，那为什么还要在中间插一步来耗费资源转字节码呢？效率不是很更低吗？

在计算机学科里聊效率，都逃避不了时间和空间这两个概念，绝大部分的优化都是空间换时间和时间换空间，两者的平衡，效率如何达到最高，是一个很值得深入研究的问题。

拿之前版本的 V8 引擎执行 JS 来说，是没有转字节码这一步骤的，直接从 AST 转成机器码，这个过程称为编译过程，所以每次拿到 JS 文件的时候，首先都会编译，而这个过程还是比较浪费时间的，这是一件比较头疼的事情，需要一个解决办法。

一个网页第一次打开，关闭再次去打开，大部分情况下，还是和原来 JS 文件一致的，除非开发者修改了代码，但这个可以暂时不考虑，毕竟哪个网站也不会一天闲的无聊，不停的修改，上传替换。

缓存机器码

按照这个思路，既然绝大多数情况下，文件不会修改，那编译后的机器码可以考虑缓存下来，这样一来，下次再打开或者刷新页面的时候就省去编译的过程了，可以直接执行了，存储机器码被分成了两种情况，一个是浏览器未关闭时候，直接存储到浏览器本地的内存中，一个是浏览器关闭了，直接存储在磁盘上，而早期的 V8 也确实是这么做的，典型的牺牲空间换时间。

缓存带来的问题

思考一个问题，从上面的图中可以看到，一个很小的代码片段，转换成 AST 之后，变大了很多，文件大了导致一个问题就是需要更大的内存来存储，而 JS 文件转成机器码（即二进制文件），会比原来的 JS 文件大几百甚至几千倍，这就意味着一个几十 KB 的 JS 文件将会达到几十 MB，这就很可怕，本来 Chrome 多进程架构就已经很占用内存了，再来这一出，配置再好的电脑，也怕是无福消受 Chrome 了，毕竟使用者体验的好坏，直接决定了一个产品在市场上是否能生存下去，尽管 V8 缓存了编译后的代码，减少了编译的时间，提高了时间上的效率，但代价是内存占用太大了，所以 Chrome 团队是有必要优化这个问题的。

惰性编译

当然，引进其他技术是需要时间去开发和优化的，在一个技术架构产生的同时，必然会有劣势方面的弥补，而早期版本的 V8 为了解决占用内存和启动速度，引进了惰性编译，那么问题来了，惰性编译做了什么去提高效率的呢？

惰性编译还是比较容易理解的，从作用域的角度思考，ES6 之前之只有全局作用域和函数作用域，而惰性编译的思路就是 V8 启动的时候只编译和缓存全局作用域的代码，而函数作用域中的代码，会在调用的时候去编译，同样函数内部编译后的代码一样不会被缓存下来。

惰性编译存在的问题

引入惰性编译之后，在编译速度和缓存上看来，都得到了提升，一切看起来似乎很完美了，对，是看起来，但是设计出来的东西，你永远不知道使用者会怎么使用，在 ES6 和 Vue、React 等这些没有普及之前，绝大部分开发者都使用的是 jQuery，以及 RequireJS 等类似产品，JQ 插件各种引用，各种插件或者开发者自己封装的方法，为了不污染其他使用者的变量，一般都封装成一个函数，这样问题就来了，惰性编译不会保存函数编译后的机器码和理解编译函数，如果一个插件太大那等到使用函数再去编译，编译的时间上就会变得很慢，这相当于是开发者将惰性编译给玩完了，路给封死了。

引入字节码

好吧，玩不过开发者了，那 V8 团队只好换个思路，就引入字节码吧。首先要理解什么是字节码，字节码其实是机器码的抽象，各种字节码的相互构成，可以实现 JS 所需的所有功能，当然首先一点，字节码比机器码占用的内存要小很多很多，基本是机器码所在内存的几十甚至几百分之一，这样一来字节码缓存下来所消耗的内存还是可以接受的。

这里会有一个疑问，既然 CPU 不能识别字节码，那是不是还需要将字节码转成机器码呢？不然怎么执行，答案是肯定。解释在将 AST 转为字节码之后，会在执行的时候将字节码转成机器码，这个执行过程肯定是比直接执行机器码要慢的，所以在执行方面，速度上会比较慢，但是 JS 源码通过解析器转 AST，然后再通过解释器转字节码，这个过程是比编译器直接将 JS 源码转机器码要快很多的，全流程看来，整个时间上是差不了多少的，但是却减小了大量的内存占用，何乐而不为。

编译器

热代码

在代码中，常常会有同一部分代码，被多次调用，同一部分代码如果每次都需要解释器转二进制代码再去执行，效率上来说，会有些浪费，所以在 V8 模块中会有专门的监控模块，来监控同一代码是否多次被调用，如果被多次调用，那么就会被标记为热代码，这有什么作用呢？

优化编译器

TurboFan (优化编译器) 这个词相信关注手机界的同学并不陌生，华为、小米等这些品牌，在近几年产品发布会上都会出现这个词，主要的能力是通过软件计算能力来优化一系列的功能，使得效率更优。

接着热代码继续说，当存在热代码的时候，V8 会借着 TurboFan 将为热代码的字节码转为机器码并缓存下来，这样一来，当再次调用热代码时，就不在需要将字节码转机器码，当然热代码相对来说还是少部分的，所以缓存也并不会占用太大内存，并且提升了执行效率，同样此处也是牺牲空间换时间。

反优化

JS 语言是动态语言，非常之灵活，对象的结构和属性在运行时是可以发生改变的，设想一个问题，如果热代码在某次执行的时候，突然其中的某个属性被修改了，那么编译成机器码的热代码还能继续执行吗？答案是肯定不能。这个时候就要使用到优化编译器的反优化了，他会将热代码退回到 AST 这一步，这个时候解释器会重新解释执行被修改的代码，如果代码再次被标记为热代码，那么会重复执行优化编译器的这个步骤。

总结

从分析的过程来看，V8 对 JS 执行的过程，不仅使用到了解释器，还用到了优化编译器。这种两者结合去处理的方式，业界称为 JIT (Just-In-Time)。使用这种结合的方式来处理 JS，主要是利用了 AST 形成的文件较小，而通过优化编译器编译后的热代码执行效率高，两者结合，各自发挥各自的优势，将效率尽量提升到最大。

V8 所做的事情，远远不止这些，这里也仅仅是简单概况和分析一下主流程上所做的一些事情，如果细化到每个点，还有很多概念，比如内联缓存、隐藏类、快属性、慢属性、创建对象，以及笔者之前写的 V8 引擎垃圾回收与内存分配 等等，所做的事情实在太多，就不一一例举了。