短话长说系列之 —— V8引擎的工作原理

上一篇文章中，我们说完了浏览器的渲染进程（☞传送门），接下来聊聊v8引擎的工作原理。

概念

V8是由Google开源的采用C++编写的高性能JavaScript引擎和WebAssembly引擎，最初设计用于Chrome浏览器，现在也是Node.js的核心组成部分。

V8为什么叫V8

V8是它的设计者Lars Bak选择的这个名字，它的灵感来源于汽车的V型8缸发动机，这类发动机以其强大的动力和高效的性能而闻名，他希望V8会是一款性能极高的JavaScript引擎。

V8是做什么的

JavaScript是一种高级编程语言，其代码需要经过特定的处理才能被计算机硬件理解和执行。V8引擎在这个过程中通过高效地解析JavaScript代码，将这些代码转换为计算机可以直接运行的形式，也就是机器码，再交给机器执行。

工作原理

V8 引擎的核心功能是解析、优化和执行 JavaScript 代码。其工作过程可以分为以下几个主要阶段：

一，解析

V8引擎首先通过网络，缓存或者Service Workers下载源代码。当拿到了源代码以后，就需要将其转换为编译器能够理解的形式，这个过程称为解析，解析主要有以下阶段：

词法分析

扫描器（Scanner）用于对拿到的JavaScript代码进行词法分析，这个过程会将源代码转换为tokens，也叫词素，在 keywords.txt 文件中可以找到所有的JS tokens。该文件定义了一个结构体PerfectKeywordHashTableEntry，这个结构体包含两个字段，从文件中截取的部分代码如下所示：

keywords.txt 复制代码

struct PerfectKeywordHashTableEntry { const char* name; Token::Value value; };
%%
async, Token::ASYNC
await, Token::AWAIT
break, Token::BREAK
case, Token::CASE
catch, Token::CATCH
class, Token::CLASS
const, Token::CONST
...

上面提到的tokens通常指的是最小语法单元，比如var x = 5;，它将被拆解为： var(关键字)，x(标识符)，=(运算符)，5(字面量)，;(终止符)。

使用esprima模拟对var x = 5;的词法分析得到的tokens为：

css 复制代码

[    {        "type": "Keyword",        "value": "var"    },    {        "type": "Identifier",        "value": "x"    },    {        "type": "Punctuator",        "value": "="    },    {        "type": "Numeric",        "value": "5"    },    {        "type": "Punctuator",        "value": ";"    }]

语法分析

解析器（Parser）会对这些tokens进行语法分析，并根据它来构建抽象语法树(Abstract Syntax Tree，简写为AST)，同时会验证语法，如果有语法错误就会抛出来。

AST是一种源代码的树形表示形式，展现了代码的结构和语法关系。请看下面这个例子：

js 复制代码

function foo() {
    let bar = 1;
    return bar;
}

这段代码会生成下图中的树形结构：

这段代码通过执行前序遍历（根节点，左子树，右子树）来执行：

定义foo函数
声明bar变量
把1指向bar
从函数中返回bar

在构建AST的过程中，Parser同时还会进行作用域分析。在作用域分析过程中，Parser确定每个变量的作用域（例如，是局部变量、全局变量还是闭包中的变量）并处理相关的作用域链。这个过程中，VariableProxy节点在AST中被创建，用于表示变量的引用。

对词法分析得到的tokens进行语法分析后得到的AST为：

json 复制代码

{
  "type": "Program",
  "body": [
    {
      "type": "VariableDeclaration",
      "declarations": [
        {
          "type": "VariableDeclarator",
          "id": {
            "type": "Identifier",
            "name": "x"
          },
          "init": {
            "type": "Literal",
            "value": 5,
            "raw": "5"
          }
        }
      ],
      "kind": "var"
    }
  ],
  "sourceType": "script"
}

二，字节码生成

V8的解释器（Interpreter）名为Ignition，它会将AST转换成ByteCode（字节码），这是一种介于AST和机器码之间的中间表示形式，专为快速解释执行设计，由于需要通过解释器执行或编译成机器码，其执行速度通常比直接执行机器码更慢。

三，代码执行与优化

执行：Ignition解释执行生成的字节码，这是JavaScript代码首次运行的形式。在执行的同时，V8会收集类型信息，为后续的优化编译提供数据。
优化：基于收集到的类型信息，然后V8的JIT编译器TurboFan会将"热点代码"（经常执行的代码）编译成优化的机器代码，以提高执行效率。
去优化 ：在执行过程中，如果V8发现对象的结构被动态修改了，那么优化之后的代码势必会变成无效的代码，这时候就需要执行去优化操作，经过去优化的代码，下次执行时就会回退到解释器解释执行。

解析执行，以及优化去优化过程如下图所示：

四，垃圾回收

V8使用了一种高效的垃圾回收机制来管理内存。它主要使用了分代垃圾回收策略，将对象分为新生代和老生代，分别使用不同的算法来进行内存回收，如副垃圾回收器（Scavenger）处理新生代对象的回收，而标记-清除（Mark-Sweep）、标记-压缩（Mark-Compact）算法则用于老生代对象。

即时编译（JIT）

为了执行你的代码，编程语言需要被翻译成机器码。

提前（Ahead-of-Time）编译

AOT编译指的是在程序运行之前将代码转换为机器码的过程。由于代码已经预先被编译成了二进制，因此它可以直接执行，无需等待JIT编译器的预热，从而减少了应用程序的首次运行慢的体验。C++，Java都是使用的这种方式。

解释执行

动态类型语言（如JavaScript，Python）一般都采用解释执行的方式，代码的每一行都会在运行时执行，代码在执行前无法准确的知道变量的确切类型。

可以看出，提前编译有利于整体评估代码来进行更好的优化，并生成性能更好的代码。而解释执行在实现上更简单，但它比提前编译的方式更慢。

即时（Just-in-Time）编译

为了同时兼具这两者的优点，JIT应运而生。在使用解释执行作为基础方法的同时，V8会监测热点代码并利用当前类型信息去编译来做优化，通过将热点代码编译成高效的机器码可以显著提高程序的执行速度。然而当类型发生变化时，我们需要对编译后的代码进行去优化，并改为退回到解释执行。

文章参考

How JavaScript Works: Under the Hood of the V8 Engine