摘要：解釋器的利弊解釋器啟動和執行的更快。正是因為這個原因，解釋器看起來更加適合。這就是為什么最開始的瀏覽器都是用解釋器的原因。可是當你運行同樣的代碼一次以上的時候，解釋器的弊處就顯現出來了。起初，監視器監視著所有通過解釋器的代碼。

作者：Lin Clark

編譯：胡子大哈

翻譯原文：http://huziketang.com/blog/posts/detail?postId=58c12f36a6d8a07e449fdd22

英文原文：A crash course in just-in-time (JIT) compilers

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本文是關于 WebAssembly 系列的第二篇文章。如果你沒有讀先前文章的話，建議先讀這里。如果對 WebAssembly 沒概念，建議先讀這里（中文文章）。

JavaScript 的啟動比較緩慢，但是通過 JIT 可以使其變快，那么 JIT 是如何起作用的呢？

如果是你一個開發者，當你決定在你的頁面中使用 JavaScript 的時候，有兩個要考慮的事情：目標和問題。

目標：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。它們是基于人類認知而設計出來的。

所以呢，JavaScript 引擎的工作就是把人類的語言轉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（后面我會詳細介紹）。

那么翻譯是如何進行的呢？

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行

編譯器是把源代碼整個編譯成目標代碼，執行時不再需要編譯器，直接在支持目標代碼的平臺上運行。

這兩種翻譯的方式都各有利弊。

解釋器啟動和執行的更快。你不需要等待整個編譯過程完成就可以運行你的代碼。從第一行開始翻譯，就可以依次繼續執行了。

正是因為這個原因，解釋器看起來更加適合 JavaScript。對于一個 Web 開發人員來講，能夠快速執行代碼并看到結果是非常重要的。

這就是為什么最開始的瀏覽器都是用 JavaScript 解釋器的原因。

可是當你運行同樣的代碼一次以上的時候，解釋器的弊處就顯現出來了。比如你執行一個循環，那解釋器就不得不一次又一次的進行翻譯，這是一種效率低下的表現。

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行編譯，然后生成目標文件才能在機器上執行。對于有循環的代碼執行的很快，因為它不需要重復的去翻譯每一次循環。

另外一個不同是，編譯器可以用更多的時間對代碼進行優化，以使的代碼執行的更快。而解釋器是在 runtime 時進行這一步驟的，這就決定了它不可能在翻譯的時候用很多時間進行優化。

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來，形成混合模式。

不同的瀏覽器實現這一功能的方式不同，不過其基本思想是一致的。在 JavaScript 引擎中增加一個監視器（也叫分析器）。監視器監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，監視器監視著所有通過解釋器的代碼。

如果同一行代碼運行了幾次，這個代碼段就被標記成了 “warm”，如果運行了很多次，則被標記成 “hot”。

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。如果監視器監視到了執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行代碼的方法，也就是做優化。

基線編譯器可以做一部分這樣的優化（下面我會給出例子），不過基線編譯器優化的時間不能太久，因為會使得程序的執行在這里 hold 住。

不過如果代碼確實非常 “hot”（也就是說幾乎所有的執行時間都耗費在這里），那么花點時間做優化也是值得的。

如果一個代碼段變得 “very hot”，監視器會把它發送到優化編譯器中。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，優化編譯器必須做一些假設。例如，它會假設由同一個構造函數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行優化。

整個優化器起作用的鏈條是這樣的，監視器從他所監視代碼的執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化器進行優化。如果某個循環中先前每次迭代的對象都有相同的形狀，那么就可以認為它以后迭代的對象的形狀都是相同的。可是對于 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是不是合理的。如果合理，那么優化的編譯代碼會運行，如果不合理，那么 JIT 會認為做了一個錯誤的假設，并且把優化代碼丟掉。

這時（發生優化代碼丟棄的情況）執行過程將會回到解釋器或者基線編譯器，這一過程叫做去優化。

通常優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化<->去優化的怪圈，那么程序執行將會變慢，還不如基線編譯器快。

大多數的瀏覽器都做了限制，當優化/去優化循環發生的時候會嘗試跳出這種循環。比如，如果 JIT 做了 10 次以上的優化并且又丟棄的操作，那么就不繼續嘗試去優化這段代碼了樁。

有很多不同類型的優化方法，這里我介紹一種，讓大家能夠明白是如何優化的。優化編譯器最成功一個特點叫做類型特化，下面詳細解釋。

JavaScript 所使用的動態類型體系在運行時需要進行額外的解釋工作，例如下面代碼：

function arraySum(arr) {
  var sum = 0;
  for (var i = 0; i < arr.length; i++) {
    sum += arr[i];
  }
}

+= 循環中這一步看起來很簡單，只需要進行一步計算，但是恰恰因為是用動態類型，他所需要的步驟要比你所想象的更復雜一些。

我們假設 arr 是一個有 100 個整數的數組。當代碼被標記為 “warm” 時，基線編譯器就為函數中的每一個操作生成一個樁。sum += arr[i] 會有一個相應的樁，并且把里面的 += 操作當成整數加法。

但是，sum 和 arr[i] 兩個數并不保證都是整數。因為在 JavaScript 中類型都是動態類型，在接下來的循環當中，arr[i] 很有可能變成了 string 類型。整數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的（即總是以同一類型被調用），則只生成一個樁。如果是多形態的（即調用的過程中，類型不斷變化），則會為操作所調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 在每行代碼被執行的時候都會檢查數據類型。在循環的每次迭代，JIT 也都會重復一次分枝選擇。

如果代碼在執行的過程中，JIT 不是每次都重復檢查的話，那么執行的還會更快一些，而這就是優化編譯器所需要做的工作之一了。

優化編譯器中，整個函數被統一編譯，這樣的話就可以在循環開始執行之前進行類型檢查。

一些瀏覽器的 JIT 優化更加復雜。比如在 Firefox 中，給一些數組設定了特定的類型，比如里面只包含整型。如果 arr 是這種數組類型，那么 JIT 就不需要檢查 arr[i] 是不是整型了，這也意味著 JIT 可以在進入循環之前進行所有的類型檢查。

簡而言之 JIT 是什么呢？它是使 JavaScript 運行更快的一種手段，通過監視代碼的運行狀態，把 hot 代碼（重復執行多次的代碼）進行優化。通過這種方式，可以使 JavaScript 應用的性能提升很多倍。

為了使執行速度變快，JIT 會增加很多多余的開銷，這些開銷包括：

優化和去優化開銷

監視器記錄信息對內存的開銷

發生去優化情況時恢復信息的記錄對內存的開銷

對基線版本和優化后版本記錄的內存開銷

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一步地提升，這也是 WebAssembly 所要做的事之一。

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