JavaScript深入V8引擎以及編寫優(yōu)化代碼的5個(gè)技巧

概述

JavaScript引擎是執(zhí)行 JavaScript 代碼的程序或解釋器。JavaScript引擎可以實(shí)現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)解釋器，或者以某種形式將JavaScript編譯為字節(jié)碼的即時(shí)編譯器。

以為實(shí)現(xiàn)JavaScript引擎的流行項(xiàng)目的列表：

為什么要?jiǎng)?chuàng)建V8引擎?

由谷歌構(gòu)建的V8引擎是開源的，使用c++編寫。這個(gè)引擎是在谷歌Chrome中使用的，但是，與其他引擎不同的是 V8 也用于流行的 node.js。

V8最初被設(shè)計(jì)用來提高web瀏覽器中JavaScript執(zhí)行的性能。為了獲得速度，V8 將 JavaScript 代碼轉(zhuǎn)換成更高效的機(jī)器碼，而不是使用解釋器。它通過實(shí)現(xiàn) JIT (Just-In-Time) 編譯器將 JavaScript 代碼編譯為執(zhí)行時(shí)的機(jī)器碼，就像許多現(xiàn)代 JavaScript 引擎(如SpiderMonkey或Rhino (Mozilla)) 所做的那樣。這里的主要區(qū)別是 V8 不生成字節(jié)碼或任何中間代碼。

V8 曾有兩個(gè)編譯器

在 V8 的 5.9 版本出來之前，V8 引擎使用了兩個(gè)編譯器：

V8 引擎也在內(nèi)部使用多個(gè)線程：

當(dāng)?shù)谝淮螆?zhí)行 JavaScript 代碼時(shí)，V8 利用 full-codegen 編譯器，直接將解析的 JavaScript 翻譯成機(jī)器代碼而不進(jìn)行任何轉(zhuǎn)換。這使得它可以非常快速地開始執(zhí)行機(jī)器代碼。請(qǐng)注意，V8 不使用中間字節(jié)碼，從而不需要解釋器。

當(dāng)代碼已經(jīng)運(yùn)行一段時(shí)間后，分析線程已經(jīng)收集了足夠的數(shù)據(jù)來判斷應(yīng)該優(yōu)化哪個(gè)方法。

接下來，Crankshaft  從另一個(gè)線程開始優(yōu)化。它將 JavaScript 抽象語(yǔ)法樹轉(zhuǎn)換為被稱為 Hydrogen 的高級(jí)靜態(tài)單分配（SSA）表示，并嘗試優(yōu)化 Hydrogen 圖，大多數(shù)優(yōu)化都是在這個(gè)級(jí)別完成的。

內(nèi)聯(lián)代碼

第一個(gè)優(yōu)化是提前內(nèi)聯(lián)盡可能多的代碼。內(nèi)聯(lián)是用被調(diào)用函數(shù)的主體替換調(diào)用點(diǎn)（調(diào)用函數(shù)的代碼行）的過程。這個(gè)簡(jiǎn)單的步驟允許下面的優(yōu)化更有意義。

隱藏類

JavaScript是一種基于原型的語(yǔ)言：沒有使用克隆過程創(chuàng)建類和對(duì)象。JavaScript也是一種動(dòng)態(tài)編程語(yǔ)言，這意味著可以在實(shí)例化后輕松地在對(duì)象中添加或刪除屬性。

大多數(shù) JavaScript 解釋器使用類似字典的結(jié)構(gòu)（基于哈希函數(shù)）來存儲(chǔ)對(duì)象屬性值在內(nèi)存中的位置，這種結(jié)構(gòu)使得在 JavaScript 中檢索屬性的值比在 Java 或 C＃ 等非動(dòng)態(tài)編程語(yǔ)言中的計(jì)算成本更高。

在Java中，所有對(duì)象屬性都是在編譯之前由固定對(duì)象布局確定的，并且無(wú)法在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)添加或刪除（當(dāng)然，C＃具有動(dòng)態(tài)類型，這是另一個(gè)主題）。

因此，屬性值（或指向這些屬性的指針）可以作為連續(xù)緩沖區(qū)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，每個(gè)緩沖區(qū)之間具有固定偏移量， 可以根據(jù)屬性類型輕松確定偏移的長(zhǎng)度，而在運(yùn)行時(shí)可以更改屬性類型的 JavaScript 中這是不可能的。

由于使用字典查找內(nèi)存中對(duì)象屬性的位置效率非常低，因此 V8 使用了不同的方法：隱藏類。隱藏類與 Java 等語(yǔ)言中使用的固定對(duì)象（類）的工作方式類似，只是它們是在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建的。現(xiàn)在，讓我們看看他們實(shí)際的例子：

一旦 “new Point（1，2）” 調(diào)用發(fā)生，V8 將創(chuàng)建一個(gè)名為 “C0” 的隱藏類。

尚未為 Point 定義屬性，因此“C0”為空。

一旦第一個(gè)語(yǔ)句“this.x = x”被執(zhí)行（在“Point”函數(shù)內(nèi)），V8 將創(chuàng)建一個(gè)名為 “C1” 的第二個(gè)隱藏類，它基于“C0”。 “C1”描述了可以找到屬性 x 的存儲(chǔ)器中的位置（相對(duì)于對(duì)象指針）。

在這種情況下，“x”存儲(chǔ)在偏移0處，這意味著當(dāng)將存儲(chǔ)器中的 point 對(duì)象視為連續(xù)緩沖區(qū)時(shí)，第一偏移將對(duì)應(yīng)于屬性 “x”。 V8 還將使用 “類轉(zhuǎn)換” 更新 “C0” ，該類轉(zhuǎn)換指出如果將屬性 “x” 添加到 point 對(duì)象，則隱藏類應(yīng)從 “C0” 切換到 “C1”。 下面的 point 對(duì)象的隱藏類現(xiàn)在是“C1”。

每次將新屬性添加到對(duì)象時(shí)，舊的隱藏類都會(huì)更新為指向新隱藏類的轉(zhuǎn)換路徑。隱藏類轉(zhuǎn)換非常重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S在以相同方式創(chuàng)建的對(duì)象之間共享隱藏類。如果兩個(gè)對(duì)象共享一個(gè)隱藏類并且同一屬性被添加到它們中，則轉(zhuǎn)換將確保兩個(gè)對(duì)象都接收相同的新隱藏類以及隨其附帶的所有優(yōu)化代碼。

當(dāng)語(yǔ)句 “this.y = y” 被執(zhí)行時(shí)，會(huì)重復(fù)同樣的過程（在 “Point” 函數(shù)內(nèi)部，“this.x = x”語(yǔ)句之后）。

一個(gè)名為“C2”的新隱藏類會(huì)被創(chuàng)建，如果將一個(gè)屬性 “y” 添加到一個(gè) Point 對(duì)象（已經(jīng)包含屬性“x”），一個(gè)類轉(zhuǎn)換會(huì)添加到“C1”，則隱藏類應(yīng)該更改為“C2”，point 對(duì)象的隱藏類更新為“C2”。

隱藏類轉(zhuǎn)換取決于將屬性添加到對(duì)象的順序。看看下面的代碼片段：

現(xiàn)在，假設(shè)對(duì)于p1和p2，將使用相同的隱藏類和轉(zhuǎn)換。那么，對(duì)于“p1”，首先添加屬性“a”，然后添加屬性“b”。然而，“p2”首先分配“b”，然后是“a”。因此，由于不同的轉(zhuǎn)換路徑，“p1”和“p2”以不同的隱藏類別結(jié)束。在這種情況下，以相同的順序初始化動(dòng)態(tài)屬性好得多，以便隱藏的類可以被重用。

內(nèi)聯(lián)緩存

V8利用了另一種優(yōu)化動(dòng)態(tài)類型語(yǔ)言的技術(shù)，稱為內(nèi)聯(lián)緩存。內(nèi)聯(lián)緩存依賴于這樣一種觀察，即對(duì)同一方法的重復(fù)調(diào)用往往發(fā)生在同一類型的對(duì)象上。這里可以找到對(duì)內(nèi)聯(lián)緩存的深入解釋。

接下來將討論內(nèi)聯(lián)緩存的一般概念（如果您沒有時(shí)間通過上面的深入了解）。

那么它是如何工作的呢? V8 維護(hù)了在最近的方法調(diào)用中作為參數(shù)傳遞的對(duì)象類型的緩存，并使用這些信息預(yù)測(cè)將來作為參數(shù)傳遞的對(duì)象類型。如果 V8 能夠很好地預(yù)測(cè)傳遞給方法的對(duì)象的類型，它就可以繞過如何訪問對(duì)象屬性的過程，而是使用從以前的查找到對(duì)象的隱藏類的存儲(chǔ)信息。

那么隱藏類和內(nèi)聯(lián)緩存的概念如何相關(guān)呢？無(wú)論何時(shí)在特定對(duì)象上調(diào)用方法時(shí)，V8 引擎都必須執(zhí)行對(duì)該對(duì)象的隱藏類的查找，以確定訪問特定屬性的偏移量。在同一個(gè)隱藏類的兩次成功的調(diào)用之后，V8 省略了隱藏類的查找，并簡(jiǎn)單地將該屬性的偏移量添加到對(duì)象指針本身。對(duì)于該方法的所有下一次調(diào)用，V8 引擎都假定隱藏的類沒有更改，并使用從以前的查找存儲(chǔ)的偏移量直接跳轉(zhuǎn)到特定屬性的內(nèi)存地址。這大大提高了執(zhí)行速度。

內(nèi)聯(lián)緩存也是為什么相同類型的對(duì)象共享隱藏類非常重要的原因。 如果你創(chuàng)建兩個(gè)相同類型和不同隱藏類的對(duì)象（正如我們之前的例子中所做的那樣），V8將無(wú)法使用內(nèi)聯(lián)緩存，因?yàn)榧词惯@兩個(gè)對(duì)象屬于同一類型，它們對(duì)應(yīng)的隱藏類為其屬性分配不同的偏移量。

這兩個(gè)對(duì)象基本相同，但是“a”和“b”屬性的創(chuàng)建順序不同。

編譯成機(jī)器碼

一旦 Hydrogen 圖被優(yōu)化，Crankshaft 將其降低到稱為 Lithium 的較低級(jí)表示。大部分的 Lithium 實(shí)現(xiàn)都是特定于架構(gòu)的。寄存器分配往往發(fā)生在這個(gè)級(jí)別。

最后，Lithium 被編譯成機(jī)器碼。然后就是 OSR ：on-stack replacement（堆棧替換）。在我們開始編譯和優(yōu)化一個(gè)明確的長(zhǎng)期運(yùn)行的方法之前，我們可能會(huì)運(yùn)行堆棧替換。 V8 不只是緩慢執(zhí)行堆棧替換，并再次開始優(yōu)化。相反，它會(huì)轉(zhuǎn)換我們擁有的所有上下文（堆棧，寄存器），以便在執(zhí)行過程中切換到優(yōu)化版本上。這是一個(gè)非常復(fù)雜的任務(wù)，考慮到除了其他優(yōu)化之外，V8 最初還將代碼內(nèi)聯(lián)。 V8 不是唯一能夠做到的引擎。

有一種叫去優(yōu)化的安全措施來進(jìn)行相反的轉(zhuǎn)換，并在假設(shè)引擎無(wú)效的情況下返回未優(yōu)化的代碼。

垃圾收集

對(duì)于垃圾收集，V8采用傳統(tǒng)的 mark-and-sweep 算法 來清理舊一代。 標(biāo)記階段應(yīng)該停止JavaScript執(zhí)行。 為了控制GC成本并使執(zhí)行更穩(wěn)定，V8使用增量標(biāo)記：不是遍歷整個(gè)堆，嘗試標(biāo)記每個(gè)可能的對(duì)象，它只是遍歷堆的一部分，然后恢復(fù)正常執(zhí)行。下一個(gè)GC停止將從上一個(gè)堆行走停止的位置繼續(xù)，這允許在正常執(zhí)行期間非常短暫的暫停，如前所述，掃描階段由單獨(dú)的線程處理。

如何編寫優(yōu)化的 JavaScript

1. 對(duì)象屬性的順序：始終以相同的順序?qū)嵗瘜?duì)象屬性，以便可以共享隱藏的類和隨后優(yōu)化的代碼。
2. 動(dòng)態(tài)屬性： 因?yàn)樵趯?shí)例化之后向?qū)ο筇砑訉傩詫?qiáng)制執(zhí)行隱藏的類更改，并降低之前隱藏類所優(yōu)化的所有方法的執(zhí)行速度，所以在其構(gòu)造函數(shù)中分配所有對(duì)象的屬性。
3. 方法：重復(fù)執(zhí)行相同方法的代碼將比僅執(zhí)行一次的多個(gè)不同方法（由于內(nèi)聯(lián)緩存）的代碼運(yùn)行得更快。
4. 數(shù)組：避免稀疏數(shù)組，其中鍵值不是自增的數(shù)字，并沒有存儲(chǔ)所有元素的稀疏數(shù)組是哈希表。這種數(shù)組中的元素訪問開銷較高。另外，盡量避免預(yù)分配大數(shù)組。最好是按需增長(zhǎng)。最后，不要?jiǎng)h除數(shù)組中的元素，這會(huì)使鍵值變得稀疏。
5. 標(biāo)記值：V8 使用 32 位表示對(duì)象和數(shù)值。由于數(shù)值是 31 位的，它使用了一位來區(qū)分它是一個(gè)對(duì)象（flag = 1）還是一個(gè)稱為 SMI（SMall Integer）整數(shù)（flag = 0）。那么，如果一個(gè)數(shù)值大于 31 位，V8會(huì)將該數(shù)字裝箱，把它變成一個(gè)雙精度數(shù)，并創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象來存放該數(shù)字。盡可能使用 31 位有符號(hào)數(shù)字，以避免對(duì) JS 對(duì)象的高開銷的裝箱操作。

Ignition and TurboFan

隨著2017年早些時(shí)候發(fā)布V8 5.9，引入了新的執(zhí)行管道。 這個(gè)新的管道在實(shí)際的JavaScript應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)了更大的性能提升和顯著節(jié)省內(nèi)存。

新的執(zhí)行流程是建立在 Ignition（ V8 的解釋器）和 TurboFan（ V8 的最新優(yōu)化編譯器）之上的。

自從 V8 5.9 版本問世以來，由于 V8 團(tuán)隊(duì)一直努力跟上新的 JavaScript 語(yǔ)言特性以及這些特性所需要的優(yōu)化，V8 團(tuán)隊(duì)已經(jīng)不再使用 full-codegen 和 Crankshaft（自 2010 年以來為 V8 技術(shù)所服務(wù)）。

這意味著 V8 整體上將有更簡(jiǎn)單和更易維護(hù)的架構(gòu)。

這些改進(jìn)只是一個(gè)開始。 新的Ignition和TurboFan管道為進(jìn)一步優(yōu)化鋪平了道路，這些優(yōu)化將在未來幾年內(nèi)提升JavaScript性能并縮小V8在Chrome和Node.js中的占用空間。

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