生動形象地介紹 WebAssembly
這篇文章主要是從JavaScript Just-in-time (JIT) 工作原理和編譯器如何生成匯編兩方面來了解 WebAssembly的獨特特性。
一、等等，什么是 WebAssembly?
WebAssembly 是除了 JavaScript 以外，另一種可以在瀏覽器中執(zhí)行的編程語言。所以當(dāng)人們說 WebAssembly 更快的時候，一般來講是與 JavaScript 相比而言的。
這里并不是暗示大家說開發(fā)時只能選擇 WebAssembly或 JavaScript。實際上，我們更希望在同一個工程中，兩個你同時使用。
對二者的比較倒是非常有必要的，這樣你就可以了解到 WebAssembly 所擁有的獨特特性。
二、一些關(guān)于性能的歷史
JavaScript 于 1995 年問世，它的設(shè)計初衷并不是為了執(zhí)行起來快，在前 10 個年頭，它的執(zhí)行速度也確實不快。
緊接著，瀏覽器市場競爭開始激烈起來。
被人們廣為傳播的“性能大戰(zhàn)”在 2008 年打響。許多瀏覽器引入了 Just-in-time 編譯器，也叫 JIT。基于 JIT 的模式，JavaScript 代碼的運行漸漸變快。
正是由于這些 JIT 的引入，使得 JavaScript 的性能達(dá)到了一個轉(zhuǎn)折點，JS 代碼執(zhí)行速度快了 10 倍。
隨著性能的提升，JavaScript 可以應(yīng)用到以前根本沒有想到過的領(lǐng)域，比如用于后端開發(fā)的 Node.js。性能的提升使得 JavaScript 的應(yīng)用范圍得到很大的擴展。
現(xiàn)在通過 WebAssembly，我們很有可能正處于第二個拐點。
那么， JIT 是如何起作用的呢?下面來看。
三、JavaScript Just-in-time (JIT) 工作原理
1. JavaScript 在瀏覽器中是如何運行的?
如果是你一個開發(fā)者，當(dāng)你決定在你的頁面中使用 JavaScript 的時候，有兩個要考慮的事情：目標(biāo)和問題。
- 目標(biāo)：告訴計算機你想做什么。
- 問題：你和計算機說不同的語言，無法溝通。
你說的是人類的語言，而計算機用的是機器語言。機器語言也是一種語言，只是 JavaScript 或者其他高級編程語言機器能看得懂，而人類不用他們來交流罷了。它們是基于人類認(rèn)知而設(shè)計出來的。
所以呢，JavaScript 引擎的工作就是把人類的語言轉(zhuǎn)換成機器能看懂的語言。
這就像電影《降臨》中，人類和外星人的互相交流一樣。
在電影里面，人類和外星人不僅僅是語言不同，兩個群體看待世界的方式都是不一樣的。其實人類和機器也是類似(后面我會詳細(xì)介紹)。
那么，翻譯是如何進(jìn)行的呢?
在代碼的世界中，通常有兩種方式來翻譯機器語言：解釋器和編譯器。
如果是通過解釋器，翻譯是一行行地邊解釋邊執(zhí)行
編譯器是把源代碼整個編譯成目標(biāo)代碼，執(zhí)行時不再需要編譯器，直接在支持目標(biāo)代碼的平臺上運行。
這兩種翻譯的方式都各有利弊。
2. 解釋器的利弊
解釋器啟動和執(zhí)行的更快。你不需要等待整個編譯過程完成就可以運行你的代碼。從***行開始翻譯，就可以依次繼續(xù)執(zhí)行了。
正是因為這個原因，解釋器看起來更加適合 JavaScript。對于一個 Web 開發(fā)人員來講，能夠快速執(zhí)行代碼并看到結(jié)果是非常重要的。
這就是為什么最開始的瀏覽器都是用 JavaScript 解釋器的原因。
可是當(dāng)你運行同樣的代碼一次以上的時候，解釋器的弊處就顯現(xiàn)出來了。比如你執(zhí)行一個循環(huán)，那解釋器就不得不一次又一次的進(jìn)行翻譯，這是一種效率低下的表現(xiàn)。
3. 編譯器的利弊
編譯器的問題則恰好相反。
它需要花一些時間對整個源代碼進(jìn)行編譯，然后生成目標(biāo)文件才能在機器上執(zhí)行。對于有循環(huán)的代碼執(zhí)行的很快，因為它不需要重復(fù)的去翻譯每一次循環(huán)。
另外一個不同是，編譯器可以用更多的時間對代碼進(jìn)行優(yōu)化，以使的代碼執(zhí)行的更快。而解釋器是在 runtime 時進(jìn)行這一步驟的，這就決定了它不可能在翻譯的時候用很多時間進(jìn)行優(yōu)化。
4. Just-in-time 編譯器：綜合了兩者的優(yōu)點
為了解決解釋器的低效問題，后來的瀏覽器把編譯器也引入進(jìn)來，形成混合模式。
不同的瀏覽器實現(xiàn)這一功能的方式不同，不過其基本思想是一致的。在 JavaScript 引擎中增加一個監(jiān)視器(也叫分析器)。監(jiān)視器監(jiān)控著代碼的運行情況，記錄代碼一共運行了多少次、如何運行的等信息。
起初，監(jiān)視器監(jiān)視著所有通過解釋器的代碼。
如果同一行代碼運行了幾次，這個代碼段就被標(biāo)記成了 “warm”，如果運行了很多次，則被標(biāo)記成 “hot”。
5. 基線編譯器
如果一段代碼變成了 “warm”，那么 JIT 就把它送到編譯器去編譯，并且把編譯結(jié)果存儲起來。
代碼段的每一行都會被編譯成一個“樁”(stub)，同時給這個樁分配一個以“行號 + 變量類型”的索引。如果監(jiān)視器監(jiān)視到了執(zhí)行同樣的代碼和同樣的變量類型，那么就直接把這個已編譯的版本 push 出來給瀏覽器。
通過這樣的做法可以加快執(zhí)行速度，但是正如前面我所說的，編譯器還可以找到更有效地執(zhí)行代碼的方法，也就是做優(yōu)化。
基線編譯器可以做一部分這樣的優(yōu)化(下面我會給出例子)，不過基線編譯器優(yōu)化的時間不能太久，因為會使得程序的執(zhí)行在這里 hold 住。
不過如果代碼確實非常 “hot”(也就是說幾乎所有的執(zhí)行時間都耗費在這里)，那么花點時間做優(yōu)化也是值得的。
6. 優(yōu)化編譯器
如果一個代碼段變得 “very hot”，監(jiān)視器會把它發(fā)送到優(yōu)化編譯器中。生成一個更快速和高效的代碼版本出來，并且存儲之。
為了生成一個更快速的代碼版本，優(yōu)化編譯器必須做一些假設(shè)。例如，它會假設(shè)由同一個構(gòu)造函數(shù)生成的實例都有相同的形狀——就是說所有的實例都有相同的屬性名，并且都以同樣的順序初始化，那么就可以針對這一模式進(jìn)行優(yōu)化。
整個優(yōu)化器起作用的鏈條是這樣的，監(jiān)視器從他所監(jiān)視代碼的執(zhí)行情況做出自己的判斷，接下來把它所整理的信息傳遞給優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化。如果某個循環(huán)中先前每次迭代的對象都有相同的形狀，那么就可以認(rèn)為它以后迭代的對象的形狀都是相同的?？墒菍τ? JavaScript 從來就沒有保證這么一說，前 99 個對象保持著形狀，可能第 100 個就少了某個屬性。
正是由于這樣的情況，所以編譯代碼需要在運行之前檢查其假設(shè)是不是合理的。如果合理，那么優(yōu)化的編譯代碼會運行，如果不合理，那么 JIT 會認(rèn)為做了一個錯誤的假設(shè)，并且把優(yōu)化代碼丟掉。
這時(發(fā)生優(yōu)化代碼丟棄的情況)執(zhí)行過程將會回到解釋器或者基線編譯器，這一過程叫做去優(yōu)化。
通常優(yōu)化編譯器會使得代碼變得更快，但是一些情況也會引起一些意想不到的性能問題。如果你的代碼一直陷入優(yōu)化<->去優(yōu)化的怪圈，那么程序執(zhí)行將會變慢，還不如基線編譯器快。
大多數(shù)的瀏覽器都做了限制，當(dāng)優(yōu)化/去優(yōu)化循環(huán)發(fā)生的時候會嘗試跳出這種循環(huán)。比如，如果 JIT 做了 10 次以上的優(yōu)化并且又丟棄的操作，那么就不繼續(xù)嘗試去優(yōu)化這段代碼了樁。
7. 一個優(yōu)化的例子：類型特化(Type specialization)
有很多不同類型的優(yōu)化方法，這里我介紹一種，讓大家能夠明白是如何優(yōu)化的。優(yōu)化編譯器最成功一個特點叫做類型特化，下面詳細(xì)解釋。
JavaScript 所使用的動態(tài)類型體系在運行時需要進(jìn)行額外的解釋工作，例如下面代碼：
- function arraySum(arr) {
- var sum = 0;
- for (var i = 0; i < arr.length; i++) {
- sum += arr[i];
- }
- }
+= 循環(huán)中這一步看起來很簡單，只需要進(jìn)行一步計算，但是恰恰因為是用動態(tài)類型，他所需要的步驟要比你所想象的更復(fù)雜一些。
我們假設(shè) arr 是一個有 100 個整數(shù)的數(shù)組。當(dāng)代碼被標(biāo)記為 “warm” 時，基線編譯器就為函數(shù)中的每一個操作生成一個樁。sum += arr[i]會有一個相應(yīng)的樁，并且把里面的 += 操作當(dāng)成整數(shù)加法。
但是，sum 和 arr[i] 兩個數(shù)并不保證都是整數(shù)。因為在 JavaScript 中類型都是動態(tài)類型，在接下來的循環(huán)當(dāng)中，arr[i] 很有可能變成了string 類型。整數(shù)加法和字符串連接是完全不同的兩個操作，會被編譯成不同的機器碼。
JIT 處理這個問題的方法是編譯多基線樁。如果一個代碼段是單一形態(tài)的(即總是以同一類型被調(diào)用)，則只生成一個樁。如果是多形態(tài)的(即調(diào)用的過程中，類型不斷變化)，則會為操作所調(diào)用的每一個類型組合生成一個樁。
這就是說 JIT 在選擇一個樁之前，會進(jìn)行多分枝選擇，類似于決策樹，問自己很多問題才會確定最終選擇哪個，見下圖：
正是因為在基線編譯器中每行代碼都有自己的樁，所以 JIT 在每行代碼被執(zhí)行的時候都會檢查數(shù)據(jù)類型。在循環(huán)的每次迭代，JIT 也都會重復(fù)一次分枝選擇。
如果代碼在執(zhí)行的過程中，JIT 不是每次都重復(fù)檢查的話，那么執(zhí)行的還會更快一些，而這就是優(yōu)化編譯器所需要做的工作之一了。
優(yōu)化編譯器中，整個函數(shù)被統(tǒng)一編譯，這樣的話就可以在循環(huán)開始執(zhí)行之前進(jìn)行類型檢查。
一些瀏覽器的 JIT 優(yōu)化更加復(fù)雜。比如在 Firefox 中，給一些數(shù)組設(shè)定了特定的類型，比如里面只包含整型。如果 arr 是這種數(shù)組類型，那么 JIT 就不需要檢查 arr[i] 是不是整型了，這也意味著 JIT 可以在進(jìn)入循環(huán)之前進(jìn)行所有的類型檢查。
8. 總結(jié)
簡而言之 JIT 是什么呢?它是使 JavaScript 運行更快的一種手段，通過監(jiān)視代碼的運行狀態(tài)，把 hot 代碼(重復(fù)執(zhí)行多次的代碼)進(jìn)行優(yōu)化。通過這種方式，可以使 JavaScript 應(yīng)用的性能提升很多倍。
為了使執(zhí)行速度變快，JIT 會增加很多多余的開銷，這些開銷包括：
- 優(yōu)化和去優(yōu)化開銷
- 監(jiān)視器記錄信息對內(nèi)存的開銷
- 發(fā)生去優(yōu)化情況時恢復(fù)信息的記錄對內(nèi)存的開銷
- 對基線版本和優(yōu)化后版本記錄的內(nèi)存開銷
這里還有很大的提升空間：即消除開銷。通過消除開銷使得性能上有進(jìn)一步地提升，這也是 WebAssembly 所要做的事之一。
四、編譯器如何生成匯編
理解什么是匯編，以及編譯器如何生成它，對于理解 WebAssembly 是很有幫助的。
在上一篇關(guān)于 JIT 的文章中，我介紹了和計算機打交道，就像同外星人打交道一樣。
現(xiàn)在來思考一下“外星人”的大腦是如何工作的——機器的“大腦”是如何對我們輸入給它的內(nèi)容進(jìn)行分析和理解的。
“大腦”中，有一部分負(fù)責(zé)思考——處理加法、減法或者邏輯運算。還有其他的部分分別負(fù)責(zé)短暫記憶和長期記憶的。
這些不同的部分都有自己的名字：
- 負(fù)責(zé)思考的部分叫做算數(shù)邏輯單元(ALU)
- 寄存器提供短暫記憶功能
- 隨機存取存儲器(RAM)提供長期記憶功能
機器代碼中的語句稱作指令。
那么在指令進(jìn)入“大腦”以后都發(fā)生了什么呢?它們會被切分為不同的部分傳送到不同的單元進(jìn)行處理。
“大腦”切分指令通過不同連接線路進(jìn)行。舉個例子，“大腦”會將指令最開始的 6 比特通過管道送到 ALU 中。而 ALU 會通過 0 和 1 的位置來決定對兩個數(shù)做加法。
這串 01 串就叫做“操作碼”，它告訴了 ALU 要執(zhí)行什么樣的操作。
然后“大腦”會取后面兩個連續(xù)的 3 比特 01 串來確定把哪兩個數(shù)加到一起，而這 3 比特指的是寄存器的地址。
注意看上面機器碼的注釋：“ADD R1 R2”，這對于人類來講很容易理解其含義。這就是匯編，也叫符號機器碼，它使人類也能看懂機器代碼的含義。
可以看到匯編和這臺機器的機器碼之間有直接的映射關(guān)系。正是因為如此，擁有不同機器結(jié)構(gòu)的計算機會有不同的匯編系統(tǒng)。如果你有一個機器，它有自己的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，那么它就需要它所獨有的匯編語言。
從上面的分析可以知道我們進(jìn)行機器碼的翻譯并不是只有一種，不同的機器有不同的機器碼，就像我們?nèi)祟愐舱f各種各樣的語言一樣，機器也“說”不同的語言。
人類和外星人之間的語言翻譯，可能會從英語、德語或中文翻譯到外星語 A 或者外星語 B。而在程序的世界里，則是從 C、C++ 或者 JAVA 翻譯到 x86 或者 ARM。
你想要從任意一個高級語言翻譯到眾多匯編語言中的一種(依賴機器內(nèi)部結(jié)構(gòu))，其中一種方式是創(chuàng)建不同的翻譯器來完成各種高級語言到匯編的映射。
這種翻譯的效率實在太低了。為了解決這個問題，大多數(shù)編譯器都會在中間多加一層。它會把高級語言翻譯到一個低層，而這個低層又沒有低到機器碼這個層級。這就是中間代碼( intermediate representation，IR)。
這就是說編譯器會把高級語言翻譯到 IR 語言，而編譯器另外的部分再把 IR 語言編譯成特定目標(biāo)結(jié)構(gòu)的可執(zhí)行代碼。
重新總結(jié)一下：編譯器的前端把高級語言翻譯到 IR，編譯器的后端把 IR 翻譯成目標(biāo)機器的匯編代碼。
五、總結(jié)
本文介紹了 WebAssembly的相關(guān)知識 ，在下一篇文章中，我們來介紹 WebAssembly 的工作原理。
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【本文是51CTO專欄作者“胡子大哈”的原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者本人獲取授權(quán)】
