走进 Chrome 内心，了解 V8 引擎是如何工作的

浅浅的花香味﹌ 2022-08-31 09:41 187阅读 0赞

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作为一个前端程序员，每天上班的第一件事就是打开电脑，不由自主的点开`chrome`浏览器，或是摸会儿鱼或是立马进入工作状态。接下来浏览器窗口就会陪伴着你度过一天的时光，正常到七八点钟，晚点就九十点钟，再晚点就陪你跨过一天，时刻关注着你的工作。作为一个忠诚陪伴你的伙伴，你扪心自问，你有认真的了解过它是如何工作的吗？你有走进过它的内心世界吗？

如果你也好奇过，那么请收看这期的《走进chrome内心，了解V8引擎是如何工作的》。

### V8是什么 ###

在深入了解一件事物之前，首先要知道它是什么。

`V8`是一个由`Google`开源的采用`C++`编写的高性能`JavaScript`和`WebAssembly`引擎，应用在 `Chrome`和`Node.js`等中。它实现了`ECMAScript`和`WebAssembly`，运行在`Windows 7`及以上、`macOS 10.12+`以及使用`x64、IA-32、ARM`或`MIPS`处理器的`Linux`系统上。`V8`可以独立运行，也可以嵌入到任何`C++`应用程序中。

### V8由来 ###

接下来我们来关心关心它如何诞生的，以及为什么叫这个名字。

V8最初是由`Lars Bak`团队开发的，以汽车的`V8`发动机（有八个气缸的V型发动机）进行命名，预示着这将是一款性能极高的`JavaScript`引擎，在`2008年9月2号`同`chrome`一同开源发布。

### 为什么需要V8 ###

我们写的`JavaScript`代码最终是要在机器中被执行的，但机器无法直接识别这些高级语言。需要经过一系列的处理，将高级语言转换成机器可以识别的的指令，也就是二进制码，交给机器执行。这中间的转换过程就是`V8`的具体工作。

接下来我们就来详细的了解一下。

### V8组成 ###

首先来看一下`V8`的内部组成。`V8`的内部有很多模块，其中最重要的4个如下：

*  **Parser**: 解析器，负责将源代码解析成`AST`
 *  **Ignition**: 解释器，负责将`AST`转换成字节码并执行，同时会标记热点代码
 *  **TurboFan**: 编译器，负责将热点代码编译成机器码并执行
 *  **Orinoco**: 垃圾回收器，负责进行内存空间回收

### V8工作流程 ###

以下是`V8`中几个重要模块的具体工作流程图。我们逐个分析。

![V8工作流程.png][V8_.png] V8工作流程.png

#### Parser解析器 ####

Parser解析器负责将源代码转换成抽象语法树`AST`。在转换过程中有两个重要的阶段：`词法分析（Lexical Analysis）`和`语法分析（Syntax Analysis）`。

##### 词法分析 #####

也称为分词，是将字符串形式的代码转换为标记（token）序列的过程。这里的`token`是一个字符串，是构成源代码的最小单位，类似于英语中单词。词法分析也可以理解成将英文字母组合成单词的过程。词法分析过程中不会关心单词之间的关系。比如：词法分析过程中能够将括号标记成`token`，但并不会校验括号是否匹配。

`JavaScript`中的`token`主要包含以下几种：

> 关键字：var、let、const等
> 
> 标识符：没有被引号括起来的连续字符，可能是一个变量，也可能是 if、else 这些关键字，又或者是 true、false 这些内置常量
> 
> 运算符：+、-、 \*、/ 等
> 
> 数字：像十六进制，十进制，八进制以及科学表达式等
> 
> 字符串：变量的值等
> 
> 空格：连续的空格，换行，缩进等
> 
> 注释：行注释或块注释都是一个不可拆分的最小语法单元
> 
> 标点：大括号、小括号、分号、冒号等

以下是`const a = 'hello world'`经过`esprima`词法分析后生成的`tokens`。

[
        {
            "type": "Keyword",
            "value": "const"
        },
        {
            "type": "Identifier",
            "value": "a"
        },
        {
            "type": "Punctuator",
            "value": "="
        },
        {
            "type": "String",
            "value": "'hello world'"
        }
    ]

##### 语法分析 #####

语法分心是将词法分析产生的`token`按照某种给定的形式文法转换成`AST`的过程。也就是把单词组合成句子的过程。在转换过程中会验证语法，语法如果有错的话，会抛出语法错误。

上述`const a = 'hello world'`经过语法分析后生成的`AST`如下：

{
      "type": "Program",
      "body": [
        {
          "type": "VariableDeclaration",
          "declarations": [
            {
              "type": "VariableDeclarator",
              "id": {
                "type": "Identifier",
                "name": "a"
              },
              "init": {
                "type": "Literal",
                "value": "hello world",
                "raw": "'hello world'"
              }
            }
          ],
          "kind": "const"
        }
      ],
      "sourceType": "script"
    }

经过`Parser`解析器生成的`AST`将交由`Ignition`解释器进行处理。

#### Ignition解释器 ####

Ignition解释器负责将`AST`转换成字节码（Bytecode）并执行。字节码是介于`AST`和机器码之间的一种代码，与特定类型的机器代码无关，需要通过解释器转换成机器码才可以执行。

看到这里想必大家都有疑惑，既然字节码也需要转换成机器码才能运行，那一开始为什么不直接将`AST`转换成机器码直接运行呢？转换成机器码直接运行速度肯定更快，那为什么还要加一个中间过程呢？

其实在`V8`的`5.9`版本之前是没有字节码的，而是直接将JS代码编译成机器码并将机器码存储到内存中，这样就占用了大量的内存，而早期的手机内存都不高，过度的占用会导致手机性能大大的下降；而且直接编译成机器码导致编译时间长，启动速度慢；再者直接将JS代码转换成机器码需要针对不同的`CPU`架构编写不同的指令集，复杂度很高。

`5.9`版本以后引入了字节码，可以解决上述内存占用大、启动时间长、代码复杂度高这几个问题。

接下来我们来看看`Ignition`是如何将`AST`转换成字节码的。

下图是`Ignition`解释器的工作流程图。`AST`需要先通过字节码生成器，再经过一系列的优化之后才能生成字节码。

![ignation.png][] ignation.png

其中的优化包括：

*  **Register Optimizer**：主要是避免寄存器不必要的加载和存储
 *  **Peephole Optimizer**：寻找字节码中可以复用的部分，并进行合并
 *  **Dead-code Elimination**：删除无用的代码，减少字节码的大小

将代码转换成字节码后就可以通过解释器执行了。`Ignition`在执行的过程中，会监视代码的执行情况并记录执行信息，如函数的执行次数、每次执行函数时所传的参数等。

当同一段代码被执行多次，就会被标记成热点代码。热点代码会交给`TurboFan`编译器进行处理。

### TurboFan编译器 ###

`TurboFan`拿到`Ignition`标记的热点代码后，会先进行优化处理，然后将优化后字节码编译成更高效的机器码存储起来。下次再次执行相同代码时，会直接执行相应的机器码，这样就在很大程度上提升了代码的执行效率。

当一段代码不再是热点代码后，`TurboFan`会进行去优化的过程，将优化编译后的机器码还原成字节码，将代码的执行权利交还给`Ignition`。

现在我们来看一看具体的执行过程。

以`sum += arr[i]`为例，由于`JS`是动态类型的语言，每次的`sum`和`arr[i]`都有可能是不同的类型，在执行这段代码时，`Ignition`每次都会检查`sum`和`arr[i]`的数据类型。当发现同样的代码被执行了多次时，就将其标记为热点代码，交给`TurboFan`。

`TurboFan`在执行时，如果每次都判断`sum`和`arr[i]`的数据类型是很浪费时间的。因此在优化时，会根据之前的几次执行确定`sum`和`arr[i]`的数据类型，将其编译成机器码。下次再执行时，省去了判断数据类型的过程。

但如果在后续的执行过程中，`arr[i]`的数据类型发生了改变，之前生成的机器码就不满足要求了，`TurboFan`会把之前生成的机器码丢弃，将执行权利再交给`Ignition`，完成去优化的过程。

热点代码：  
![image.png][]

优化前：  
![image.png][image.png 1]

优化后：  
![image.png][image.png 2]

### 总结 ###

现在我们来总结一下`V8`的执行过程：

1.  源代码经过`Parser`解析器，经过词法分析和语法分析生成`AST`
2.  `AST`经过`Ignition`解释器生成字节码并执行
3.  在执行过程中，如果发现热点代码，将热点代码交给`TurboFan`编译器生成机器码并执行
4.  如果热点代码不再满足要求，进行去优化处理

这种字节码与解释器和编译器结合的技术，就是我们通常所说的即时编译(`JIT`)。

本文并没有介绍垃圾回收器`Orinoco`，`V8`的垃圾回收机制可以单独用一篇文章来详细介绍，我们下期再见。

关于本文

##### 来源：阳呀呀 #####

https://segmentfault.com/a/1190000040331440

## 最后 ##

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