Google V8 引擎&Nodejs

V8的前世今生

V8是JavaScript渲染引擎,第一个版本随着Chrome的发布而发布(具体时间为2008年9月2日)。在运行JavaScript之前,相比其它的JavaScript的引擎转换成字节码或解释执行,V8将其编译成原生机器码(IA-32, x86-64, ARM, or MIPS CPUs),并且使用了如内联缓存(inline caching)等方法来提高性能。V8可以独立运行,也可以嵌入到C++应用程序中运行。

随着Web技术的快速发展,JavaScript所要承担的工作也越来越多,早就超越了“表单验证”的范畴,这就更需要快速的解析和执行JavaScript脚本。V8引擎就是为解决这一问题而生,在Node中也采用该引擎来解析JavaScript。

那么,V8是如何使得实现对JavaScript的解析,又是如何实现高性能的呢?下面从几个方面来分析下V8是如何渲染页面的。

渲染引擎与网页渲染

编程分类

编程语言分为编译型语言和解释型语言两类,编译型语言在执行之前要先进行完全编译,而解释型语言一边编译一边执行,很明显解释型语言的执行速度是慢于编译型语言的,而JavaScript就是一种解释型脚本语言,支持动态类型、弱类型、基于原型的语言,内置支持类型。

网页渲染

浏览器自从上世纪80年代后期90年代初期诞生以来,已经得到了长足的发展,其功能也越来越丰富,包括网络、资源管理、网页浏览、多页面管理、插件和扩展、书签管理、历史记录管理、设置管理、下载管理、账户和同步、安全机制、隐私管理、外观主题、开发者工具等。而在这之中,最重要的莫过于网页渲染。

渲染引擎

渲染引擎:所谓渲染引擎,就是将HTML/CSS/JavaScript等文本或图片等信息转换成图像结果的转换程序。在浏览器的发展过程中,不同的厂商开发了不同的渲染引擎,如Tridend(IE)、Gecko(FF)、WebKit(Safari,Chrome,Andriod浏览器)等。而在这里面不得不提下WebKit,一个由苹果发起的一个开源项目,如今它在移动端占据着垄断地位,更有基于WebKit的web操作系统不断涌现(如:Chrome OS、Web OS)。

WebKit内部结构大体如下(来自网络):

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上图中实线框内模块是所有移植的共有部分,虚线框内不同的厂商可以自己实现。由上图可知,WebKit主要有操作系统、WebCore 、WebKit嵌入式接口和第三方库组成。

  • 操作系统:是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序,是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件,任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。WebKit也是在操作系统上工作的。
  • WebCore:本部分包含各个浏览器使用的共享部分,包括HTML解析器、CSS解析器、DOM和SVG等。JavaScriptCore是WebKit的默认引擎,在谷歌系列产品中被替换为V8引擎。WebKit Ports是WebKit中的非共享部分,由于平台差异、第三方库和需求的不同等原因,导致不同浏览器性能和功能差异的关键部分。
  • WebKit嵌入式接口:该接口主要供浏览器调用,与移植密切相关,不同的移植有不同的接口规范。
  • 第三方库:主要是诸如图形库、网络库、视频库、数据存储库等第三方库。

网页渲染流程简析

对于一个网页,要经历怎样的过程,才能呈现在用户面前呢?或许下面的一张图可以给你提供答案。


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首先,系统将网页输入到HTML解析器,HTML解析器解析,然后构建DOM树,在这期间如果遇到JavaScript代码则交给JavaScript引擎处理;如果遇到CSS样式信息,则构建一个内部绘图模型。该模型由布局模块计算模型内部各个元素的位置和大小信息,最后由绘图模块完成从该模型到图像的绘制。
对于网页的绘制过程,大体可以分为3个阶段:

1,从输入URL到生成DOM树

在这个阶段中,主要会经历一下几个步骤:

  1. 地址栏输入URL,WebKit调用资源加载器加载相应资源;
  2. 加载器依赖网络模块建立连接,发送请求并接收答复;
  3. WebKit接收各种网页或者资源数据,其中某些资源可能同步或异步获取;
  4. 网页交给HTML解析器转变为词语;
  5. 解释器根据词语构建节点,形成DOM树;
  6. 如果节点是JavaScript代码,调用JavaScript引擎解释并执行;
  7. JavaScript代码可能会修改DOM树结构;
  8. 如果节点依赖其他资源,如图片、视频等,调用资源加载器加载它们,但这些是异步加载的,不会阻碍当前DOM树继续创建;如果是JavaScript资源URL(没有标记异步方式),则需要停止当前DOM树创建,直到JavaScript加载并被JavaScript引擎执行后才继续DOM树的创建。

2,从DOM树到构建WebKit绘图上下文

在这个阶段,主要完成一下几个操作:

  1. CSS文件被CSS解释器解释成内部表示;
  2. CSS解释器完成工作后,在DOM树上附加样式信息,生成RenderObject树;
  3. RenderObject节点在创建的同时,WebKit会根据网页层次结构构建RenderLayer树,同时构建一个虚拟绘图上下文。

3,绘图上下文内容并呈现图像内容

在这个阶段,主要完成一下操作:

  1. 绘图上下文是一个与平台无关的抽象类,它将每个绘图操作桥接到不同的具体实现类,也就是绘图具体实现类;
  2. 绘图实现类也可能有简单的实现,也可能有复杂的实现,软件渲染、硬件渲染、合成渲染等;
  3. 绘图实现类将2D图形库或者3D图形库绘制结果保存,交给浏览器界面进行展示。

JavaScript引擎

JavaScript本质上是一种解释型语言,与编译型语言不同的是它需要一遍执行一边解析,而编译型语言在执行时已经完成编译。
那么对于JavaScript这种解释性语言来讲,如何提高解析速度就是当务之急。JavaScript引擎和渲染引擎的关系如下图所示.


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为了提高性能,JavaScript引入了Java虚拟机和C++编译器中的众多技术。而一个完整JavaScript引擎的执行过程大致流程如下:源代码-→抽象语法树-→字节码-→JIT-→本地代码。一个典型的抽象语法树如下图所示:


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为了节约将抽象语法树通过JIT技术转换成本地代码的时间,V8放弃了生成字节码阶段的性能优化。而通过Profiler采集一些信息,来优化本地代码。

在2017年4月底,v8 发布了5.9 版本,在此版本中新增了一个 Ignition 字节码解释器,并默认开启。做出这一改变的原因为:(主要动机)减轻机器码占用的内存空间,即牺牲时间换空间;提高代码的启动速度;对 v8 的代码进行重构,降低 v8 的代码复杂度(详细介绍请查阅:JS 引擎与字节码的不解之缘)

V8引擎

前面,我们介绍了V8引擎的一些历史,下面我们重点来看看V8项目一些知识。首先,V8项目的结构如下:


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数据解析

JavaScript作为一种无类型的语言,在编译时并不能准确知道变量的类型,只可以在运行时确定。而java、C++等静态类型语言,在编译时候就可以确切知道变量的类型。因而JavaScript运行效率比C++或Java低。

在C++中,源代码需要经过编译才能执行,在生成本地代码的过程中,变量的地址和类型已经确定,运行本地代码时利用数组和位移就可以存取变量和方法的地址,不需要再进行额外的查找,几个机器指令即可完成,节省了确定类型和地址的时间。

而对于JavaScript 来说,并不能像C++那样在执行时已经知道变量的类型和地址,所以在代码解析过程中,会产生很多的临时变量,而变量的存取是非常普遍和频繁的。

对于传统的变量存取来说,使用少数的汇编指令就能完成变量存取。


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在JavaScript中,除boolean,number,string,null,undefined这个五个简单变量外,其他的数据都是对象,V8使用一种特殊的方式来表示它们,进而优化JavaScript的内部表示问题。

JavaScript对象在V8中的实现包含三个部分:隐藏类指针,这是v8为JavaScript对象创建的隐藏类;属性值表指针,指向该对象包含的属性值;元素表指针,指向该对象包含的属性。

在V8中,数据的内部表示由数据的实际内容和数据的句柄构成。数据的实际内容是变长的,类型也是不同的;句柄固定大小,包含指向数据的指针。这种设计可以方便V8进行垃圾回收和移动数据内容,如果直接使用指针的话就会出问题或者需要更大的开销,使用句柄的话,只需修改句柄中的指针即可,使用者使用的还是句柄,指针改动是对使用者透明的。

除少数数据(如整型数据)由handle本身存储外,其他内容限于句柄大小和变长等原因,都存储在堆中。整数直接从value中取值,然后使用一个指针指向它,可以减少内存的占用并提高访问速度。一个句柄对象的大小是4字节(32位设备)或者8字节(64位设备),而在JavaScriptCore中,使用的8个字节表示句柄。在堆中存放的对象都是4字节对齐的,所以它们指针的后两位是不需要的,V8用这两位表示数据的类型,00为整数,01为其他。

V8引擎渲染过程

V8引擎在执行JavaScript的过程中,主要有两个阶段:编译和运行。

在V8引擎中,源代码先被解析器转变为抽象语法树(AST),然后使用JIT编译器的全代码生成器从AST直接生成本地可执行代码。这个过程不同于JAVA先生成字节码或中间表示,减少了AST到字节码的转换时间,提高了代码的执行速度。但由于缺少了转换为字节码这一中间过程,也就减少了优化代码的机会。

V8引擎编译本地代码时使用的主要类如下所示:

  • Script:表示JavaScript代码,即包含源代码,又包含编译之后生成的本地代码,即是编译入口,又是运行入口;
  • Compiler:编译器类,辅组Script类来编译生成代码,调用解释器(Parser)来生成AST和全代码生成器,将AST转变为本地代码;
  • AstNode:抽象语法树节点类,是其他所有节点的基类,包含非常多的子类,后面会针对不同的子类生成不同的本地代码;
  • FullCodeGenerator:AstVisitor类的子类,通过遍历AST来为JavaScript生成本地可执行代码。

JavaScript代码编译过程

JavaScript代码编译的过程大致为:

  1. Script类调用Compiler类的Compile函数为其生成本地代码;
  2. Compile函数先使用Parser类生成AST,再使用FullCodeGenerator类来生成本地代码;
  3. 本地代码与具体的硬件平台密切相关,FullCodeGenerator使用多个后端来生成与平台相匹配的本地汇编代码。

大体的流程图如下所示:


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在执行编译之前,V8会构建众多全局对象并加载一些内置的库(如math库),来构建一个运行环境。但是,在JavaScript源代码中,并非所有的函数都被编译生成本地代码,而是采用在调用时才会编译的逻辑来动态编译。

由于V8缺少了生成中间字节码这一环节,为了提升性能,V8会在生成本地代码后,使用数据分析器(profiler)采集一些信息,然后根据这些数据将本地代码进行优化,生成更高效的本地代码,这是一个逐步改进的过程。当发现优化后代码的性能还不如未优化的代码,V8将退回原来的代码,也就是优化回滚。

在这一阶段涉及的类主要有:

  • Script:表示JavaScript代码,即包含源代码,又包含编译之后生成的本地代码,即是编译入口,又是运行入口;
  • Execution:运行代码的辅组类,包含一些重要函数,如Call函数,它辅组进入和执行Script代码;
  • JSFunction:需要执行的JavaScript函数表示类;
  • Runtime:运行这些本地代码的辅组类,主要提供运行时所需的辅组函数,如:属性访问、类型转换、编译、算术、位操作、比较、正则表达式等;
  • Heap:运行本地代码需要使用的内存堆类;
  • MarkCompactCollector:垃圾回收机制的主要实现类,用来标记、清除和整理等基本的垃圾回收过程;
  • SweeperThread:负责垃圾回收的线程。
    本阶段大体流程如下如所示:

在V8中,函数是一个基本单位,当某个JavaScript函数被调用时,V8会查找该函数是否已经生成本地代码,如果已经生成,则直接调用该函数。否则,V8引擎会生成属于该函数的本地代码。这样,对于那些不用的代码就可以减少执行时间。再次借助Runtime类中的辅组函数,将不用的空间进行标记清除和垃圾回收。

优化回滚

因为V8是基于AST直接生成本地代码,没有经过中间表示层的优化,所以本地代码尚未经过很好的优化。于是,在2010年,V8引入了新的编译器-Crankshaft,它主要针对热点函数进行优化,基于JavaScript源代码开始分析而非本地代码,同时构建Hydroger图并基于此来进行优化分析。

Crankshaft编译器为了性能考虑,通常会做出比较乐观和大胆的预测—代码稳定且变量类型不变,所以可以生成高效的本地代码。但是,鉴于JavaScript的一个弱类型的语言,变量类型也可能在执行的过程中进行改变,鉴于这种情况,V8会将该编译器做的想当然的优化进行回滚,称为优化回滚。
例如,下面的示例:

var counter = 0;
function test(x, y) {
    counter++;
    if (counter < 1000000) {
        // do something
        return 'jeri';
    }
    var unknown = new Date();
    console.log(unknown);
}

该函数被调用多次之后,V8引擎可能会触发Crankshaft编译器对其进行优化,而优化代码认为示例代码的类型信息都已经被确定。当程序执行到new Date()这个地方,并未获取unknown这个变量的类型,V8只得将该部分代码进行回滚。

优化回滚是一个很耗时的操作,在写代码过程中,尽量不要触发优化该操作。在最近发布的 V8 5.9 版本中,新增了一个 Ignition 字节码解释器,TurboFan 和 Ignition 结合起来共同完成JavaScript的编译。这个版本中消除 Cranshaft 这个旧的编译器,并让新的 Turbofan 直接从字节码来优化代码,并当需要进行反优化的时候直接反优化到字节码,而不需要再考虑 JS 源代码。

内存管理

Node中通过JavaScript使用内存时就会发现只能使用部分内存(64位系统下约为1.4 GB,32位系统下约为0.7 GB),其深层原因是 V8 垃圾回收机制的限制所致(如果可使用内存太大,V8在进行垃圾回收时需耗费更多的资源和时间,严重影响JS的执行效率)。下面对内存管理进行介绍。
内存的管理组要由分配和回收两个部分构成。V8的内存划分如下:

  • Zone:管理小块内存。其先自己申请一块内存,然后管理和分配一些小内存,当一块小内存被分配之后,不能被Zone回收,只能一次性回收Zone分配的所有小内存。当一个过程需要很多内存,Zone将需要分配大量的内存,却又不能及时回收,会导致内存不足情况。
  • :管理JavaScript使用的数据、生成的代码、哈希表等。为方便实现垃圾回收,堆被分为三个部分(这和Java等的堆不一样):
  • 年轻分代:为新创建的对象分配内存空间,经常需要进行垃圾回收。为方便年轻分代中的内容回收,可再将年轻分代分为两半,一半用来分配,另一半在回收时负责将之前还需要保留的对象复制过来。
    年老分代:根据需要将年老的对象、指针、代码等数据保存起来,较少地进行垃圾回收。
    大对象:为那些需要使用较多内存对象分配内存,当然同样可能包含数据和代码等分配的内存,一个页面只分配一个对象。

用一张图可以表示如下:


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垃圾回收

V8 使用了分代和大数据的内存分配,在回收内存时使用精简整理的算法标记未引用的对象,然后消除没有标记的对象,最后整理和压缩那些还未保存的对象,即可完成垃圾回收。

在V8中,使用较多的是年轻分代和年老分代。年轻分代中的对象垃圾回收主要通过Scavenge算法进行垃圾回收。在Scavenge的具体实现中,主要采用了Cheney算法。

Cheney算法:通过复制的方式实现的垃圾回收算法。它将堆内存分为两个 semispace,一个处于使用中(From空间),另一个处于闲置状态(To空间)。当分配对象时,先是在From空间中进行分配。当开始进行垃圾回收时,会检查From空间中的存活对象,这些存活对象将被复制到To空间中,而非存活对象占用的空间将会被释放。完成复制后,From空间和To空间的角色发生对换。在垃圾回收的过程中,就是通过将存活对象在两个 semispace 空间之间进行复制。

年轻分代中的对象有机会晋升为年老分代,条件主要有两个:一个是对象是否经历过Scavenge回收,一个是To空间的内存占用比超过限制。

对于年老分代中的对象,由于存活对象占较大比重,再采用上面的方式会有两个问题:一个是存活对象较多,复制存活对象的效率将会很低;另一个问题依然是浪费一半空间的问题。为此,V8在年老分代中主要采用了Mark-Sweep(标记清除)标记清除和Mark-Compact(标记整理)相结合的方式进行垃圾回收。

快照

在V8引擎启动时,需要构建JavaScript运行环境,需要加载很多内置对象,同时也需要建立内置的函数,如Array,String,Math等。为了使V8更加整洁,加载对象和建立函数等任务都是使用JavaScript文件来实现的,V8引擎负责提供机制来支持,就是在编译和执行JavaScript前先加载这些文件。

V8引擎需要编译和执行这些内置的JavaScript代码,同时使用堆等来保存执行过程中创建的对象、代码等,这些都需要时间。为此,V8引入了快照机制,将这些内置的对象和函数加载之后的内存保存并序列化。经过快照机制的启动时间可以缩减几毫秒。

V8 VS JavaScriptCore

JavaScriptCore引擎是WebKit中默认的JavaScript引擎,也是苹果开源的一个项目,应用较为广泛。最初,性能不是很好,从2008年开始了一系列的优化,重新实现了编译器和字节码解释器,使得引擎的性能有较大的提升。随后内嵌缓存、基于正则表达式的JIT、简单的JIT及字节码解释器等技术引入进来,JavaScriptCore引擎也在不断的迭代和发展。

V8引擎自诞生之日起就以性能优化作为目标,引入了众多新技术,极大了带动了整个业界JavaScript引擎性能的快速发展。总的来说,V8引擎较为激进,青睐可以提高性能的新技术,而JavaScriptCore引擎较为稳健,渐进式的改变着自己的性能。总的来说JavaScript引擎工作流程(包含v8和JavaScriptCore)如下所示:

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JavaScriptCore 的大致流程为:源代码-→抽象语法树-→字节码-→JIT-→本地代码。

JavaScriptCore与V8有一些不同之处,其中最大的不同就是新增了字节码的中间表示,并加入了多层JIT编译器(如:简单JIT编译器、DFG JIT编译器、LLVM等)优化性能,不停的对本地代码进行优化(在V8 的 5.9 版本中,新增了一个 Ignition 字节码解释器)。

功能扩展

JavaScript引擎的主要功能是解析和执行JavaScript代码,往往不能满足使用者多样化的需要,那么就可以增加扩展以提升它的能力。V8引擎有两种扩展机制:绑定和扩展。

绑定

使用IDL文件或接口文件生成绑定文件,将这些文件同V8引擎一起编译。WebKit中使用IDL来定义JavaScript,但又与IDL有所不同,有一些改变。定义一个新的接口的步骤大致如下:
1.定义新的接口文件,可以在JavaScript代码进行调用,如mymodule.MyObj.myAttr:

module mymodule {
    interface [
            InterfaceName = MyObject
    ] MyObj { 
        readonly attribute long myAttr;
        DOMString myMethod (DOMString myArg);
    };
}

2.按照引擎定义的标准接口为基础实现接口类,生成JavaScript引擎所需的绑定文件。WebKit提供了工具帮助生成所需的绑定类,根据引擎不同和引擎开发语言的不同而有所差异。V8引擎会为上述示例代码生成 v8MyObj.h (MyObj类具体的实现代码)和 V8MyObj.cpp (桥接代码,辅组注册桥接的函数到V8引擎)两个绑定文件。

JavaScript引擎绑定机制需要将扩展代码和JavaScript引擎一块编译和打包,不能根据需要在引擎启动后再动态注入这些本地代码。在实际WEB开发中,开发者都是基于现有浏览器的,根本不可能介入到JavaScript引擎的编译中,绑定机制有很大的局限性,但其非常高效,适用于对性能要求较高的场景。

Extension

通过V8的基类Extension进行能力扩展,无需和V8引擎一起编译,可以动态为引擎增加功能特性,具有很强的灵活性。

Extension机制的大致思路就是,V8提供一个基类Extension和一个全局注册函数,要想扩展JavaScript能力,需要经过以下步骤:

class MYExtension : public v8::Extension {
    public:
        MYExtension() : v8::Extension("v8/My", "native function my();") {}
        virtual v8::Handle GetNativeFunction (
        v8::Handle name) {
            // 可以根据name来返回不同的函数
            return v8::FunctionTemplate::New(MYExtention::MY);
        }
        static v8::Handle MY(const v8::Arguments& args) {
            // Do sth here
            return v8::Undefined();
        }
};
MYExtension extension;
RegisterExtension(&extension);

1.基于Extension基类构建一个它的子类,并实现它的虚函数—GetNativeFunction,根据参数name来决定返回实函数;
2.创建一个该子类的对象,并通过注册函数将该对象注册到V8引擎,当JavaScript调用’my’函数时就可被调用到。
Extension机制是调用V8的接口注入新函数,动态扩展非常方便,但没有绑定机制高效,适用于对性能要求不高的场景。

总结

作为一个提高JavaScript渲染的高效引擎,学习V8引擎应该重点掌握以下几个概念:

  1. 类型。对于函数,JavaScript是一种动态类型语言,JavaScriptCore和V8都使用隐藏类和内嵌缓存来提高性能,为了保证缓存命中率,一个函数应该使用较少的数据类型;对于数组,应尽量存放相同类型的数据,这样就可以通过偏移位置来访问。
  2. 数据表示。简单类型数据(如整型)直接保存在句柄中,可以减少寻址时间和内存占用,如果可以使用整数表示的,尽量不要用浮点类型。
  3. 内存。虽然JavaScript语言会自己进行垃圾回收,但我们也应尽量做到及时回收不用的内存,对不再使用的对象设置为null或使用delete方法来删除(使用delete方法删除会触发隐藏类新建,需要更多的额外操作)。
  4. 优化回滚。在执行多次之后,不要出现修改对象类型的语句,尽量不要触发优化回滚,否则会大幅度降低代码的性能。
    新机制。使用JavaScript引擎或者渲染引擎提供的新机制和新接口提高性能。

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