V8 工作原理

编译器和解释器

按语言的执行流程,可以把语言划分为编译型语言和解释型语言。

编译型语言在程序执行之前,需要经过编译器的编译过程,并且编译之后会直接保留机器能读懂的二进制文件,这样每次运行程序时,都可以直接运行该二进制文件,而不需要再次重新编译了。比如 C/C++、GO 等都是编译型语言。

而由解释型语言编写的程序,在每次运行时都需要通过解释器对程序进行动态解释和执行。比如 Python、JavaScript 等都属于解释型语言。

  1. 在编译型语言的编译过程中,编译器首先会依次对源代码进行词法分析、语成抽象语法树(AST),然后是优化代码,最后再生成处理器能够理解的机器码。如果编译成功,将会生成一个可执行的文件。但如果编译过程发生了语法或者其他的错误,那么编译器就会抛出异常,最后的二进制文件也不会生成成功。

  2. 在解释型语言的解释过程中,同样解释器也会对源代码进行词法分析、语法分析,并生法分析,生成抽象语法树(AST),不过它会再基于抽象语法树生成字节码,最后再根据字节码来执行程序、输出结果。

V8 在执行过程中既有解释器 Ignition,又有编译器 TurboFan,那么它们是如何配合去执行一段 JavaScript 代码的呢?

1. 生成 AST 和执行上下文

什么是 AST 以及 AST 的生成过程是怎样的?

对于编译器或者解释器来说,它们可以理解的就是抽象语法树 AST 了。所以无论是解释型语言还是编译型语言,在编译过程中,它们都会生成一个抽象语法树AST,它可以看成代码的结构化的表示,编译器或者解释器后续的工作都需要依赖于 AST,所以需要将源代码转换为抽象语法树,并生成执行上下文

其实,抽象语法树 AST 可以看成代码的结构化的表示,编译器或者解释器后续的工作都需要依赖于 AST,所以需要将源代码转换为抽象语法树,并生成执行上下文

AST有哪些应用

  • 代码转码器Babel 的工作原理就是先将 ES6 源码转换为 AST,然后再将 ES6 语法的 AST 转换为 ES5 语法的 AST,最后利用 ES5 的 AST 生成 JavaScript 源代码
  • ESLint 是一个用来检查 JavaScript 编写规范的插件,其检测流程也是需要将源码转换为 AST,然后再利用 AST 来检查代码规范化的问题

AST 的生成过程

第一阶段是分词(tokenize),又称为词法分析,其作用是将一行行的源码拆解成一个个token。所谓token,指的是语法上不可能再分的、最小的单个字符或字符串

第二阶段是解析(parse),又称为语法分析,其作用是将上一步生成的 token 数据,根据语法规则转为 AST。如果源码符合语法规则,这一步就会顺利完成。但如果源码存在语法错误,这一步就会终止,并抛出一个“语法错误”。

这就是 AST 的生成过程,先分词,再解析

有了 AST 后,接下来 V8 就会生成该段代码的执行上下文

2. 生成字节码

有了AST 和执行上下文后,解释器会根据 AST 生成字节码,并解释执行字节码

其实一开始 V8 是直接将 AST 转换为机器码,执行机器码的效率是非常高效的,但是随着Chrome 在手机上的广泛普及,内存占用问题也暴露出来了,因为 V8 需要消耗大量的内存来存放转换后的机器码。为了解决内存占用问题,V8 团队大幅重构了引擎架构,引入字节码,并且抛弃了之前的编译器

那什么是字节码呢?为什么引入字节码就能解决内存占用问题呢?

字节码就是介于 AST 和机器码之间的一种代码。但是与特定类型的机器码无关,字节码需要通过解释器将其转换为机器码后才能执行,所占用的空间远远低于了机器码

3. 执行代码

生成字节码之后,接下来就要进入执行阶段了。

解释器 Ignition 会逐条解释执行字节码,当发现有热点代码(HotSpot),比如一段代码被重复执行多次,这种就称为热点代码,那么后台的编译器 TurboFan 就会把该段热点的字节码编译为高效的机器码,并把转换后的机器码保存起来,以备下次使用。当再次执行这段被优化的代码时,直接执行机器码就省去了字节码“翻译”为机器码的过程,提升了代码的执行效率。

JIT技术

其实字节码配合解释器和编译器是最近一段时间很火的技术,比如 Java 和 Python 的虚拟机也都是基于这种技术实现的,我们把这种技术称为即时编译(JIT)。对于 JavaScript 工作引擎,具体到V8就是指使用了“字节码 +JIT”技术

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JavaScript 的性能优化

对于优化 JavaScript 执行效率,应该将优化的中心聚焦在单次脚本的执行时间和脚本的网络下载上,主要关注以下三点内容:

  1. 提升单次脚本的执行速度,避免 JavaScript 的长任务霸占主线程,这样可以使得页面快速响应交互;

  2. 避免大的内联脚本,因为在解析 HTML 的过程中,解析和编译也会占用主线程;

  3. 减少 JavaScript 文件的容量,因为更小的文件会提升下载速度,并且占用更低的内存。

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