微信小游戏背后的技术优化

Posted 2023-03-07 腾讯技术工程

作者：chrongzhang，腾讯 WXG 客户端开发工程师

这是一篇介绍微信小游戏客户端底层，如果进行优化，可以让所有小游戏获得更好性能的文章。不是你想像的怎么优化某个小游戏的文章。来都来了，就了解一下吧:)

小游戏主要分为渲染和逻辑两部分。渲染优化能让渲染相关的指令（WebGL/GFX）得到更高效的执行，逻辑优化是让除渲染之外的代码也能更高效的执行，本篇主要讲述逻辑相关的优化。

基础功能优化

V8

微信小游戏是在 2017 年 12 月 28 日上线的，当时微信安卓客户端使用的 V8 版本还是 5.5。而 Google 在 V8 上的迭代速度是很快的，其中一个大的版本变更是从 5.9 版本开始，编译器由原来的 FullCodeGenerator + Crankshaft 变更成更加高效的 Ignition + TurboFan。

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V8 引擎之所以性能高，在于其出色的 JIT 执行效率。JIT 依赖了一个可以在运行时优化代码的动态编译器。V8 早期的 JIT 编译器是 FullCodegen，后来是 Crankshaft，然后是一直沿用至今的 Turbofan。

升级 V8，可以获得更高的执行性能（TurboFan）、更快的启动速度（Snapshot + Code Caching）、更低的内存占用（64 位压缩指针）。小游戏上线至今，客户端使用的 V8 也一直在升级当中，从最初的 5.5，升级到 6.6，然后是 7.6，直到目前的 8.0。

JSBinding

微信小游戏对开发者暴露的是 JS 的接口，开发者调用某些 JS 函数时，最终会调用到客户端底层的原生能力。而从 JS 到客户端底层之间的桥接能力，就是所谓的 JS 绑定。JS 绑定又分为两种：裸绑定和非裸绑定。裸绑定是通过 V8/javascriptCore 提供的原生接口，将某个 JS 函数和原生函数实现绑定到一起，这是最直接，也是最高效的绑定方式。

非裸绑定是指通过某个 JS 和原生的通信的桥梁（evaluate/prompt/postMessage 等等），在此基础上再封装和转发具体的函数调用。由于存在中间一层的转发处理，会有额外的消耗。因此小游戏对外提供的 WebGL 等接口的实现，都采用了裸绑定的方式。直接用原生裸绑定的 API，又会存在以下问题：

1. 原生 API 使用较复杂

2. 不方便实现更高层次的类绑定

3. V8 和 JavaScriptCore 的 API 差异很大，两个平台需要重复实现绑定

于是，我们实现了一套通用的绑定库: jsbinding，公司内是开源的，未来计划对外也开源。

具有如下特点：

1. 简单易用，支持类绑定

2. 裸绑定，性能高

3. 同时支持 V8 和 JavaScriptCore

4. 支持 node addon 绑定实现

未来甚至计划提供 WebAssembly 的绑定实现，是不是还有点小期待呢？

NodeJs/libuv

安卓客户端已经全面拥抱 node。集成 node runtime 后，拥有了如下能力：

1. node 内置能力（如文件、setTimeout 等）

2. libuv 异步 IO 处理的能力

node 很多内置能力，是通过原生来实现的（node addon），属于裸绑定，性能较高。有了 libuv 事件驱动后，可以更加灵活和高效的处理一些异步事件。比如 WebSocket 的回调，之前的处理流程是，在子线程收到 socket 消息后，将消息内容通过 JNI 调用到 Java 层，Java 层再抛到 JS 线程（也是 JVM 线程），回调到 JS。而如果使用 libuv，可以在子线程通过 uv_async_send 封装的 ASyncCall 机制，在底层就直接抛到 JS 线程回调到 JS，避免了中间频繁的 JNI 调用和数据传输的开销。

调用链路优化

我们都知道，两点之间，直线最短。代码也是一样，调用链路越短，越直接，中间的开销就越小。

JsApi 优化

1. JsApi 调用优化

首先来看看之前 JsApi 的调用链路：

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一个 js api 的调用(WeixinJSCore.invokeHandler)，首先会调用到 C/C++ 统一的回调函数 voidCallback，然后再通过 JNI 调用到 Java 的统一处理函数 callVoidJavaMethod。在这个函数里，需要根据 methodID 从 map 中找到对应的 Java Method，然后再通过多次 JNI 调用 J2V8 各种接口将 js api 的参数转换为 Java 类型参数，最后再调用到具体 API 的 Java 实现函数 Invoke。

这个调用链路显然不是前面提到的裸绑定的实现方法，因为中间还夹了一层 Java 的中转处理层，产生了一些性能消耗。

针对 invokeHandler，缩短调用链路，减少 JNI 调用优化后，流程如下：

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针对 js 的 WeixinJSCore.invokeHandler 接口提供专门的 C++ 裸绑定接口 InvokeHandler，取出所有参数后，只需要一次 JNI 调用到 nativeInvokeHandler，然后调到具体 API 的 Java 实现函数 Invoke。

除此之外，针对异步 JsApi 调用，之前的流程是在 java 层抛到另一个线程执行。有了 libuv Looper 后，优化成在底层起一个 uv 的 worker 线程，通过 ASyncCall 将任务抛到 worker 线程，这样 worker 里只需要执行同步的 api 流程，流程上简化了，效率上比抛 Java 层线程更高。

2. JsApi 回调优化

当框架层需要触发 JS 回调时，之前的做法是拼好一段 JS 字符串然后 evaluate：

evaluateJavascript(String.format(
  "typeof WeixinJSBridge !== 'undefined' && " +
  "WeixinJSBridge.invokeCallbackHandler(%d, %s)",
  callbackId, data
));

这里的本质是去调用 JS 里的统一回调处理函数 WeixinJSBridge.invokeCallbackHandler，采取了直接执行一段 JS 的方法。优点是实现简单，缺点是效率不高。

因为让 JS 引擎执行一段 JS 代码时，需要先编译，parse 抽象语法树，生成 Ignition 字节码，甚至启用到 TurboFan 编译优化器，最后才真正执行到想调用的 JS 函数。

同时每个回调都拼一个字符串执行，在 JS 引擎内部会积攒大量临时字符串，占用内存资源。

优化的方法其实也很简单，就是通过 jsbinding 预先查找好 WeixinJSBridge.invokeCallbackHandler 函数，在需要回调这个 JS 函数时，直接调用即可。

// 查找到 invokeCallbackHandler 函数后，保存下来
mm::JSObject func =
         JS_GET_AS(mm::JSObject, js_bridge, "invokeCallbackHandler");
js_func_holder_ = JS_NEW_OBJECT_HOLDER(func);

// ...

// 当需要回调时，直接调用
JS_CALL(js_func_holder_->Get(), nullptr, nullptr,
              js_bridge, callbackId, data);

并行调用优化

开发者在执行某些耗时较重的任务时，可以使用多线程 Worker，类比标准 H5 的 WebWorker。

// 主线程初始化 Worker
const worker = wx.createWorker('workers/request/index.js') // 文件名指定 worker 的入口文件路径，绝对路径
// 向 Worker 发送消息
worker.postMessage(
  msg: 'hello worker'
)

// workers/request/index.js
// 在 Worker 线程执行上下文会全局暴露一个 `worker` 对象
worker.onMessage(function (res) 
  console.log(res)
)

之前的 Worker 有个限制，只能执行一些纯逻辑运算的代码，不支持 JsApi 的调用。这很大程度限制了 Worker 的使用，于是我们也在不断的扩展 Worker 的能力，增加了音频、网络、文件等能力。

// Worker 线程
var audio = worker.createInnerAudioContext()
audio.src = url
audio.play()

未来 Worker 将会赋予更多能力，提高开发者并行化处理的效率。

数据传输优化

开发者在 JS 层的数据（ArrayBuffer）需要传到客户端底层，同时客户端底层的数据也需要传到 JS 上层，这中间涉及到数据的高效传输。在渲染优化时，可以通过 wgfx 提供的 createNativeBuffer 接口，创建一块 JS 和 Naitve 共享的内存，双方可直接读写该内存而无需额外的传输，极大的提高了效率。

NativeBuffer 的共享内存传输机制，可以应用到多个需要频繁传输数据的场景，比如 Camera 传输的数据、JS 的 WebGL CommandBuffer 传输等等。

还有一种情况是前面提到的 Worker 之间传输数据，如果通过默认的 postMessage 来传输，效率是非常低的，不利于传输较大的 ArrayBuffer 数据。为了解决这个问题，我们提供了类似标准 H5 的 SharedArrayBuffer 的能力，用来 Worker 之间高效的传输数据。

// game.js
const sab = wx.createSharedArrayBuffer(2)
worker.postMessage(
  sab
)

// worker.js
worker.onMessage(function (res) 
  res.sab.lock(() => 
    setTimeout(() => 
      res.sab.unlock()
    , 3000)
  )
)

总结

小游戏的性能瓶颈，很大程度局限于 JavaScript，而我们所做的各种优化，是希望能尽量抹平 JavaScript 本身带来的性能损耗，接近并向原生性能靠齐，极具困难和挑战。

在 ios 上，我们也为让 JavaScript 拥有 JIT 能力做了深入探索。同时，我们也在 WebAssembly 上也进行了深入的探索和支持，未来有机会再进行分享。

为了小游戏有更好的运行性能，开发者能更好的发挥其创意，我们所有的性能优化还将持续不断的迭代下去。