解讀JavaScript之V8引擎及優(yōu)化代碼的5個技巧
幾個星期前，我們開始了一系列旨在深入研究 JavaScript 及其實際工作方式的系列文章：我們認(rèn)為通過了解 JavaScript 的構(gòu)建塊以及它們?nèi)绾我黄饏f(xié)作的，你將能夠編寫更好的代碼和應(yīng)用程序。
本系列的***篇文章重點介紹了引擎，運(yùn)行時和調(diào)用堆棧的概述。第二篇文章將深入到 Google V8 JavaScript 引擎的內(nèi)部。我們還將提供一些關(guān)于如何編寫更好的 JavaScript 代碼的快速技巧 - 我們的 SessionStack 開發(fā)團(tuán)隊在構(gòu)建產(chǎn)品時所遵循的***實踐。
概覽
JavaScript 引擎是執(zhí)行 JavaScript 代碼的程序或解釋器。 JavaScript 引擎可以作為標(biāo)準(zhǔn)解釋器或即時編譯器，它以某種形式將 JavaScript 編譯為字節(jié)碼。
下面是一個實現(xiàn)了 JavaScript 引擎的流行項目列表：
- V8 — 開源，由 Google 開發(fā)，用 C ++ 編寫
- Rhino — 由 Mozilla 基金會管理，開源，完全用 Java 開發(fā)
- SpiderMonkey — 是***個支持 Netscape Navigator 的 JavaScript 引擎，目前正供 Firefox 使用
- JavaScriptCore — 開源，由蘋果公司為 Safari 開發(fā)
- KJS — KDE 的引擎，最初由 Harri Porten 為 KDE 項目中的 Konqueror 網(wǎng)頁瀏覽器開發(fā)
- Chakra (JScript9) — Internet Explorer
- Chakra (JavaScript) — Microsoft Edge
- Nashorn, 作為 OpenJDK 的一部分，由 Oracle Java 語言和工具組編寫
- JerryScript — 物聯(lián)網(wǎng)的輕量級引擎
為什么創(chuàng)建 V8 引擎?
由 Google 構(gòu)建的 V8 引擎是開源的，用 C ++ 編寫。 此引擎被用在 Google Chrome 中。 與其他引擎不同的是，V8 也被用于流行的 Node.js 中。
V8 最初是被設(shè)計用來提高網(wǎng)頁瀏覽器內(nèi)部 JavaScript 執(zhí)行的性能。為了獲得更快的速度，V8 將 JavaScript 代碼翻譯成更高效的機(jī)器代碼，而不是使用解釋器來翻譯代碼。它通過使用 JIT(Just-In-Time)編譯器(如 SpiderMonkey 或 Rhino(Mozilla)等許多現(xiàn)代 JavaScript 引擎)來將 JavaScript 代碼編譯為機(jī)器代碼。 這里的主要區(qū)別在于 V8 不生成字節(jié)碼或任何中間代碼。
V8 曾有兩個編譯器
在 V8 的 5.9 版本出來之前(今年早些時候發(fā)布)，引擎使用了兩個編譯器：
- full-codegen - 一個簡單而且速度非常快的編譯器，可以生成簡單且相對較慢的機(jī)器代碼。
- Crankshaft - 一種更復(fù)雜(Just-In-Time)的優(yōu)化編譯器，生成高度優(yōu)化的代碼。
V8 引擎也在內(nèi)部使用多個線程：
- 主線程完成您期望的任務(wù)：獲取代碼，編譯并執(zhí)行它
- 還有一個單獨(dú)的線程用于編譯，以便主線程可以繼續(xù)執(zhí)行，而前者正在優(yōu)化代碼
- 一個 Profiler 線程，它會告訴運(yùn)行時我們花了很多時間，讓 Crankshaft 可以優(yōu)化它們
- 一些線程處理垃圾收集器
當(dāng)***次執(zhí)行 JavaScript 代碼時，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?？焖俚亻_始執(zhí)行機(jī)器代碼。請注意，V8 不使用中間字節(jié)碼，從而不需要解釋器。
當(dāng)你的代碼運(yùn)行了一段時間，分析器線程已經(jīng)收集了足夠的數(shù)據(jù)來判斷哪個方法應(yīng)該被優(yōu)化。
接下來，Crankshaft 從另一個線程開始優(yōu)化。它將 JavaScript 抽象語法樹轉(zhuǎn)換為被稱為 Hydrogen 的高級靜態(tài)單分配(SSA)表示，并嘗試優(yōu)化 Hydrogen 圖。大多數(shù)優(yōu)化都是在這個級別完成的。
內(nèi)聯(lián)代碼
***個優(yōu)化是提前盡可能多地內(nèi)聯(lián)代碼。內(nèi)聯(lián)是將被調(diào)用函數(shù)的主體替換為調(diào)用站點(調(diào)用函數(shù)的代碼行)的過程。這個簡單的步驟使得下面的優(yōu)化更有意義。
隱藏類
JavaScript 是一種基于原型的語言：沒有類和對象而是使用克隆創(chuàng)建的。 JavaScript 也是一種動態(tài)編程語言，這意味著屬性可以在實例化后方便地添加或從對象中移除。
大多數(shù) JavaScript 解釋器使用類似字典的結(jié)構(gòu)(基于散列函數(shù))來存儲對象屬性值在內(nèi)存中的位置。這種結(jié)構(gòu)使得在 JavaScript 中檢索一個屬性的值比在 Java 或 C# 這樣的非動態(tài)編程語言中的計算量要大得多。在 Java 中，所有的對象屬性都是在編譯之前由一個固定的對象決定的，并且不能在運(yùn)行時動態(tài)添加或刪除(當(dāng)然，C#的動態(tài)類型是另一個主題)。因此，屬性的值(或指向這些屬性的指針)可以作為連續(xù)的緩沖區(qū)存儲在內(nèi)存中，每個值之間有一個固定的偏移量。偏移量的長度可以很容易地根據(jù)屬性類型來確定，而在運(yùn)行時屬性類型可以改變的 JavaScript 中這是不可能的。
由于使用字典查找內(nèi)存中對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 等語言中使用的固定對象(類)的工作方式類似，除了隱藏類是在運(yùn)行時創(chuàng)建的這點區(qū)別?，F(xiàn)在，讓我們看看他們實際的例子：
- function Point(x, y) {
- this.x = x;
- this.y = y;
- }
- var p1 = new Point(1, 2);
一旦 “new Point(1，2)” 調(diào)用發(fā)生，V8 將創(chuàng)建一個名為 “C0” 的隱藏類。
尚未為 Point 定義屬性，因此“C0”為空。
一旦***個語句 “this.x = x” 被執(zhí)行(在 “Point” 函數(shù)內(nèi)部)，V8 將創(chuàng)建第二個隱藏的類，名為“C1”，它基于“C0”。 “C1”描述了可以找到屬性x的在內(nèi)存中的位置(相對于對象指針)。在這種情況下，“x”被存儲在0處，這意味著當(dāng)在內(nèi)存中將點對象看作一段連續(xù)存儲空間時，***個地址將對應(yīng)于屬性“x”。 V8 也會用“class transition”來更新“C0”，如果一個屬性“x”被添加到一個點對象時，隱藏類應(yīng)該從“C0”切換到“C1”。下面的點對象的隱藏類現(xiàn)在是“C1”。
每當(dāng)一個新的屬性被添加到一個對象時，舊的隱藏類將被更新為到新的隱藏類的轉(zhuǎn)換路徑。隱藏的類轉(zhuǎn)換非常重要，因為它們允許隱藏的類在以相同方式創(chuàng)建的對象之間共享。如果兩個對象共享一個隱藏類，并將相同的屬性添加到這兩個對象，則轉(zhuǎn)換將確保兩個對象接收相同的新隱藏類和所有優(yōu)化代碼。
當(dāng)語句 “this.y = y” 被執(zhí)行時，會重復(fù)同樣的過程(在 “Point” 函數(shù)內(nèi)部，“this.x = x”語句之后)。
一個名為“C2”的新隱藏類會被創(chuàng)建，如果將一個屬性 “y” 添加到一個 Point 對象(已經(jīng)包含屬性“x”)，一個類轉(zhuǎn)換會添加到“C1”，則隱藏類應(yīng)該更改為“C2”，點對象的隱藏類更新為“C2”。
隱藏類轉(zhuǎn)換取決于將屬性添加到對象的順序?？纯聪旅娴拇a片段：
- function Point(x, y) {
- this.x = x;
- this.y = y;
- }
- var p1 = new Point(1, 2);
- p1.a = 5;
- p1.b = 6;
- var p2 = new Point(3, 4);
- p2.b = 7;
- p2.a = 8;
現(xiàn)在，假設(shè)對于p1和p2，將使用相同的隱藏類和轉(zhuǎn)換。那么，對于“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 利用另一種被稱為內(nèi)聯(lián)緩存的技術(shù)來優(yōu)化動態(tài)類型語言。內(nèi)聯(lián)緩存依賴于發(fā)生在相同類型的對象上的相同方法的重復(fù)調(diào)用的觀察上。內(nèi)嵌緩存的更多解釋可以在這里找到。
接下來將討論內(nèi)聯(lián)緩存的一般概念(如果您沒有時間通過上面的深入了解)。
它是怎樣工作的? V8 維護(hù)一個在最近的方法調(diào)用中作為參數(shù)傳遞的對象類型的緩存，并使用這些信息來預(yù)測將來作為參數(shù)傳遞的對象的類型。如果V8能夠很好地假定傳遞給方法的對象類型，那么它可以繞過如何訪問對象的屬性的過程，而是將之前查找到的信息用于對象的隱藏類。
那么隱藏類和內(nèi)聯(lián)緩存的概念如何相關(guān)呢?無論何時在特定對象上調(diào)用方法時，V8 引擎都必須執(zhí)行對該對象的隱藏類的查找，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，并簡單地將該屬性的偏移量添加到對象指針本身。對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象可以共享隱藏類非常重要的原因。如果你創(chuàng)建了兩個相同類型的對象和不同的隱藏類(就像我們之前的例子中那樣)，V8 將不能使用內(nèi)聯(lián)緩存，因為即使兩個對象是相同的類型，它們相應(yīng)的隱藏類為其屬性分配不同的偏移量。
這兩個對象基本相同，但“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 的較低級表示。大部分的 Lithium 實現(xiàn)都是特定于架構(gòu)的。寄存器分配往往發(fā)生在這個級別。
***，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)化一個明確的長期運(yùn)行的方法之前，我們可能會運(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。
有一種叫做去優(yōu)化的保護(hù)措施來做出相反的變換，并且在假設(shè)引擎優(yōu)化無效的情況下，還原回非優(yōu)化的代碼。
垃圾收集
對于垃圾收集，V8 采用了傳統(tǒng)的分代式掃描方式來清理老一代。標(biāo)記階段應(yīng)該停止 JavaScript 的執(zhí)行。為了控制 GC 成本并使執(zhí)行更加穩(wěn)定，V8 使用了漸進(jìn)式標(biāo)記：而不是走遍整個堆內(nèi)容，試圖標(biāo)記每一個可能的對象。它只走一部分堆內(nèi)容，然后恢復(fù)正常執(zhí)行。下一個 GC 將從先前堆走過的地方繼續(xù)執(zhí)行。這允許在正常執(zhí)行期間非常短的暫停。如前所述，掃描階段由不同的線程處理。
Ignition 和 TurboFan
隨著 2017 年早些時候 V8 5.9 的發(fā)布，一個新的執(zhí)行管道被引入。這個新的管道在實際的 JavaScript 應(yīng)用程序中實現(xiàn)了更大的性能改進(jìn)和顯著的內(nèi)存節(jié)省。
新的執(zhí)行流程是建立在 Ignition( V8 的解釋器)和 TurboFan( V8 的***優(yōu)化編譯器)之上的。
你可以查看 V8 團(tuán)隊關(guān)于這個話題的博客文章。
自從 V8 5.9 版本問世以來，由于 V8 團(tuán)隊一直努力跟上新的 JavaScript 語言特性以及這些特性所需要的優(yōu)化，V8 團(tuán)隊已經(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 整體上將有更簡單和更易維護(hù)的架構(gòu)。
在 Web 和 Node.js 性能上的提升
這些改進(jìn)僅僅是一個開始。新的 Ignition 和 TurboFan 管道為進(jìn)一步的優(yōu)化鋪平了道路，這將在未來幾年提高 JavaScript 性能，縮小 V8 在 Chrome 和 Node.js 中的占用空間。
***，這里有一些關(guān)于如何編寫優(yōu)化的、更好的 JavaScript 的技巧。你可以很容易地從上面的內(nèi)容中得到這些，不過，這里有一個為你提供便利的總結(jié)：
如何編寫優(yōu)化的 JavaScript
- 對象屬性的順序：始終以相同的順序?qū)嵗瘜ο髮傩?，以便共享的隱藏類和隨后優(yōu)化的代碼可以共享之。
- 動態(tài)屬性：在實例化之后向?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。相反，在其構(gòu)造函數(shù)中分配所有對象的屬性。
- 方法：重復(fù)執(zhí)行相同方法的代碼將比僅執(zhí)行一次的多個不同方法(由于內(nèi)聯(lián)緩存)的代碼運(yùn)行得更快。
- 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。***是按需增長。***，不要刪除數(shù)組中的元素。這會使鍵值變得稀疏。
- 標(biāo)記值：V8 使用 32 位表示對象和數(shù)值。由于數(shù)值是 31 位的，它使用了一位來區(qū)分它是一個對象(flag = 1)還是一個稱為 SMI(SMall Integer)整數(shù)(flag = 0)。那么，如果一個數(shù)值大于 31 位，V8會將該數(shù)字裝箱，把它變成一個雙精度數(shù)，并創(chuàng)建一個新的對象來存放該數(shù)字。盡可能使用 31 位有符號數(shù)字，以避免對 JS 對象的高開銷的裝箱操作。
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