V8 Ignition：JS 引擎與字節(jié)碼的不解之緣（轉(zhuǎn)載）

lijinke666 發(fā)布于2019-08-20 16:38 / 755人閱讀

摘要：縱覽各個引擎的實現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)基于字節(jié)碼的實現(xiàn)是主流。引入字節(jié)碼之后，的性能得到了顯著的提升。而這次引入字節(jié)碼卻是向著相反的方向后退。這便是引入字節(jié)碼的主要動機。如今也回到了字節(jié)碼的懷抱，不禁令人感嘆引擎與字節(jié)碼真是有著不解之緣

首先貼個Javascript性能測試站點，測試并展示了數(shù)個 JavaScript 引擎的性能數(shù)據(jù)：arewefastyet

我們看到在這個比武場上，最近 Chrome 出現(xiàn)了多個新條目，其中很多條目都是關(guān)于 v8 的 Ignition 新架構(gòu)的組合，他們是 v8 引擎最近推出的 JS 字節(jié)碼解釋器。

縱覽各個 JS 引擎的實現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)基于字節(jié)碼的實現(xiàn)是主流。例如蘋果公司的 JavaScriptCore （JSC）引擎，2008 年時他們引入了 SquirrelFish（市場名 Nitro），實現(xiàn)了一個字節(jié)碼寄存器機（Register Machine）。再如 Mozilla 公司的 SpiderMonkey，他們使用字節(jié)碼的歷史更久，可以追溯到 1998 年的 Netscape 4（見 https://dxr.mozilla.org/class... ），SpiderMonkey 實現(xiàn)的是堆棧機（Stack Machine）。微軟的 Chakra 也使用了字節(jié)碼，他們實現(xiàn)的是寄存器機（Register Machine）。而 v8 之前的做法是比較“脫俗”的，他們跳過了字節(jié)碼這一層，直接把 JS 編譯成機器碼。而在剛剛過去的五一假日前夕，v8 5.9 發(fā)布了，其中的 Ignition 字節(jié)碼解釋器將默認啟動：https://v8project.blogspot.co... 。v8 自此回到了字節(jié)碼的懷抱。

這讓筆者不禁懷念起 2007 年 Ruby 1.9 的發(fā)布。當時 Ruby 1.9 也是第一次引入了字節(jié)碼，名為 YARV，由笹田耕一領(lǐng)導主導開發(fā)完成。當時，Ruby 還在使用松本行弘的初級的解釋器實現(xiàn)，亦即，解釋器每次遍歷代碼的抽象語法樹（AST）來進行 Ruby 代碼的解釋執(zhí)行。而 YARV 則把抽象語法樹（AST）先編譯成字節(jié)碼，然后再運行。引入字節(jié)碼之后，Ruby 的性能得到了顯著的提升。

而這次 V8 引入字節(jié)碼卻是向著相反的方向后退。因為之前 v8 選擇了直接將 JS 代碼編譯到機器代碼執(zhí)行，機器碼的執(zhí)行性能已經(jīng)非常之高，而這次引入字節(jié)碼則是選擇編譯 JS 代碼到一個中間態(tài)的字節(jié)碼，執(zhí)行時是解釋執(zhí)行，性能是低于機器代碼的。最終的性能測試勢必會降低，而不是提高。那么 V8 為什么要做這樣一個退步的選擇呢？為 V8 引入字節(jié)碼的動機又是什么呢？筆者總結(jié)下來有三條：

（主要動機）減輕機器碼占用的內(nèi)存空間，即犧牲時間換空間

提高代碼的啟動速度

對 v8 的代碼進行重構(gòu)，降低 v8 的代碼復雜度

故事得從 Chrome 的一個 bug 說起： http://crbug.com/593477 。Bug 的報告人發(fā)現(xiàn)，當在 Chrome 51 (canary) 瀏覽器下加載、退出、重新加載 facebook 多次，并打開 about:tracing 里的各項監(jiān)控開關(guān)，可以發(fā)現(xiàn)第一次加載時 v8.CompileScript 花費了 165 ms，再次加載加入 V8.ParseLazy 居然依然花費了 376 ms。按說如果 Facebook 網(wǎng)站的 js 腳本沒有變，Chrome 的緩存功能應(yīng)該緩存了對 js 腳本的解析結(jié)果，不該花費這么久。這是為什么呢？

這就是之前 v8 將 JS 代碼編譯成機器碼所帶來的問題。因為機器碼占空間很大，v8 沒有辦法把 Facebook 的所有 js 代碼編譯成機器碼緩存下來，因為這樣不僅緩存占用的內(nèi)存、磁盤空間很大，而且退出 Chrome 再打開時序列化、反序列化緩存所花費的時間也很長，時間、空間成本都接受不了。

所以 v8 退而求其次，只編譯最外層的 js 代碼，也就是下圖這個例子里面綠色的部分。那么內(nèi)部的代碼（如下圖中的黃色、紅色的部分）是什么時候編譯的呢？v8 推遲到第一次被調(diào)用的時候再編譯。這時間上的推移還導致另外一個短板，就是代碼必須被解析多次——綠色的代碼一次、黃色的代碼再解析一次（當 new Person 被調(diào)用）、紅色的代碼再解析一次（當 doWork() 被調(diào)用）。因此，如果你的 js 代碼的閉包套了 n 層，那么最終他們至少會被 v8 解析 n 次。

Facebook 的網(wǎng)站之所以收到這個設(shè)計帶來的負面的性能影響，就是因為他們的前段工程流程中最后把各個獨立的 module 編譯成了一個多帶帶的文件，其中用到了很多閉包，如：

如此一來 Chrome 的緩存作用就只能作用在最外層的 __d() 代碼上，而內(nèi)部的真正的邏輯根本沒有被緩存。

剛才提到了機器碼占空間大的一個壞處，就是不能一次性編譯全部的代碼。機器碼占空間大還有另外一個壞處，就是一些只運行一次的代碼浪費了寶貴的內(nèi)存資源。正如上面 Facebook 中的 __d() 系列函數(shù)，他們的作用可能只是注冊、初始化各個模塊組件，而一旦初始化完成便不會再執(zhí)行。但由于機器碼占空間大，這些只執(zhí)行一次的代碼也會在內(nèi)存中長期存在、長期占用空間。正如下圖所示，一般情況下大約 30% 的 V8 堆空間都用來存儲未優(yōu)化的機器碼。

而引入字節(jié)碼之后，占空間的問題就可以得到緩解。通過恰當?shù)卦O(shè)計字節(jié)碼的編碼方式，字節(jié)碼可以做到比機器碼緊湊很多。V8 引入 Ignition 字節(jié)碼后，代碼的內(nèi)存占用確實降低了，如下圖所示。

通過對十大流行手機端網(wǎng)站的測試，可以發(fā)現(xiàn)他們的內(nèi)存占用顯著下降。

這便是 v8 引入字節(jié)碼的主要動機。而這樣實現(xiàn)之后其實順便又帶來了兩個好處，筆者認為可以視作 v8 引入字節(jié)碼的次要動機，亦即：更快的啟動速度和更好的 v8 代碼重構(gòu)。

在啟動速度方面，如今內(nèi)存占用過大的問題消除了，就可以提前編譯所有代碼了。因為前端工程為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)流量，其最終 JS 產(chǎn)品往往不會分發(fā)無用的代碼，所以可以期望全部提前編譯 JS 代碼不會因為編譯了過多代碼而浪費資源。v8 對于 Facebook 這樣的網(wǎng)站就可以選擇全部提前編譯 JS 代碼到字節(jié)碼，并把字節(jié)碼緩存下來，如此 Facebook 第二次打開的時候啟動速度就變快了。下圖是舊的 v8 的執(zhí)行時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其中 33% 的解析、編譯 JS 腳本的時間在新架構(gòu)中就可以被縮短。

v8 自身的重構(gòu)方面，有了字節(jié)碼，v8 可以朝著簡化的架構(gòu)方向發(fā)展，消除 Cranshaft 這個舊的編譯器，并讓新的 Turbofan 直接從字節(jié)碼來優(yōu)化代碼，并當需要進行反優(yōu)化的時候直接反優(yōu)化到字節(jié)碼，而不需要再考慮 JS 源代碼。最終達到如下圖所示的架構(gòu)。

其實，Ignition + TurboFan 的組合，就是字節(jié)碼解釋器 + JIT 編譯器的黃金組合。這一黃金組合在很多 JS 引擎中都有所使用，例如微軟的 Chakra，它首先解釋執(zhí)行字節(jié)碼，然后觀察執(zhí)行情況，如果發(fā)現(xiàn)熱點代碼，那么后臺的 JIT 就把字節(jié)碼編譯成高效代碼，之后便只執(zhí)行高效代碼而不再解釋執(zhí)行字節(jié)碼。蘋果公司的 SquirrelFish Extreme 也引入了 JIT。SpiderMonkey 更是如此，所有 JS 代碼最初都是被解釋器解釋執(zhí)行的，解釋器同時收集執(zhí)行信息，當它發(fā)現(xiàn)代碼變熱了之后，JaegerMonkey、IonMonkey 等 JIT 便登場，來編譯生成高效的機器碼。

回顧歷史，很多 JS 引擎都是采用了字節(jié)碼這一腳本語言實現(xiàn)技術(shù)的，而 v8 一枝獨秀，走“純機器碼”路線，其實過于激進了：雖然執(zhí)行性能上可以登峰造極，但卻帶來了內(nèi)存占用過大的問題。這次引入字節(jié)碼實則是做了工程上的恰當取舍，將損失掉的內(nèi)存找回來，更加符合如今移動和嵌入式設(shè)備為主的應(yīng)用場景；以時間換空間，讓 v8 能更好的服務(wù)于低內(nèi)存的設(shè)備。如今 V8 也回到了字節(jié)碼的懷抱，不禁令人感嘆 JS 引擎與字節(jié)碼真是有著不解之緣！