gitbook/编译原理实战课/docs/262041.md
2022-09-03 22:05:03 +08:00

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# 20 | JavaScript编译器V8的解析和编译过程
你好我是宫文学。从这一讲开始我们就进入另一个非常重要的编译器V8编译器。
V8是谷歌公司在2008年推出的一款JavaScript编译器它也可能是世界上使用最广泛的编译器。即使你不是编程人员你每天也会运行很多次V8因为JavaScript是Web的语言我们在电脑和手机上浏览的每个页面几乎都会运行一点JavaScript脚本。
扩展V8这个词原意是8缸的发动机换算成排量大约是4.0排量属于相当强劲的发动机了。它的编译器叫做Ignition是点火装置的意思。而它最新的JIT编译器叫做TurboFan是涡轮风扇发动机的意思。
在浏览器诞生的早期就开始支持JavaScript了。但在V8推出以后它重新定义了Web应用可以胜任的工作。到今天在浏览器里我们可以运行很多高度复杂的应用比如办公套件等这些都得益于以V8为代表的JavaScript引擎的进步。2008年V8发布时就已经比当时的竞争对手快10倍了到目前它的速度又已经提升了10倍以上。从中你可以看到编译技术有多大的潜力可挖掘
对JavaScript编译器来说它最大的挑战就在于当我们打开一个页面的时候源代码的下载、解析Parse、编译Compile和执行都要在很短的时间内完成否则就会影响到用户的体验。
**那么V8是如何做到既编译得快又要运行得快的呢**所以接下来我将会花两讲的时间来带你一起剖析一下V8里面的编译技术。在这个过程中你能了解到V8是如何完成前端解析、后端优化等功能的它都有哪些突出的特点另外了解了V8的编译原理对你以后编写更容易优化的程序也会非常有好处。
今天这一讲我们先来透彻了解一下V8的编译过程以及每个编译阶段的工作原理看看它跟我们已经了解的其他编译器相比有什么不同。
## 初步了解V8
首先按照惯例我们肯定要下载V8的源代码。按照[官方文档](https://v8.dev/docs/build)中的步骤你可以下载源代码并在本地编译。注意你最好把它编译成Debug模式这样便于用调试工具去跟踪它的执行所以你要使用下面的命令来进行编译。
```
tools/dev/gm.py x64.debug
```
编译完毕以后进入v8/out/x64.debug目录你可以运行./d8这就是编译好的V8的命令行工具。如果你用过Node.js那么d8的使用方法其实跟它几乎是完全一样的因为Node.js就封装了一个V8引擎。你还可以用GDB或LLDB工具来调试d8这样你就可以知道它是怎么编译和运行JavaScript程序了。
而v8/src目录下的就是V8的源代码了。V8是用C++编写的。你可以重点关注这几个目录中的代码,它们是与编译有关的功能,而别的代码主要是运行时功能:
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/ce/ee/ce80ee2ace64988a8d332e0e545ef0ee.jpg)
V8的编译器的构成跟Java的编译器很像它们都有从源代码编译到字节码的编译器也都有解释器叫Ignition也都有JIT编译器叫TurboFan。你可以看下V8的编译过程的图例。在这个图中你能注意到两个陌生的节点**流处理节点Stream和预解析器PreParser**这是V8编译过程中比较有特色的两个处理阶段。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/09/fb/095613e2515fc6d6cc36705e6d952afb.jpg)
图1V8的编译过程
注意这是比较新的V8版本的架构。在更早的版本里有时会用到两个JIT编译器类似于HotSpot的C1和C2分别强调编译速度和优化效果。在更早的版本里还没有字节码解释器。现在的架构引入了字节码解释器其速度够快所以就取消了其中一级的JIT编译器。
下面我们就进入到V8编译过程中的各个阶段去了解一些编译器的细节。
## 超级快的解析过程(词法分析和语法分析)
首先我们来了解一下V8解析源代码的过程。我在开头就已经说过V8解析源代码的速度必须要非常快才行。源代码边下载边解析完毕在这个过程中用户几乎感觉不到停顿。**那它是如何实现的呢?**
有两篇文章就非常好地解释了V8解析速度快的原因。
一个是“[optimizing the scanner](https://v8.dev/blog/scanner)”这篇文章它解释了V8在词法分析上做的优化。V8的作者们真是锱铢必较地在每一个可能优化的步骤上去做优化他们所采用的技术很具备参考价值。
那我就按照我对这篇文章的理解来给你解释一下V8解析速度快的原因吧
第一个原因,是**V8的整个解析过程是流Stream化的**也就是一边从网络下载源代码一边解析。在下载后各种不同的编码还被统一转化为UTF-16编码单位这样词法解析器就不需要处理多种编码了。
第二个原因,是**识别标识符时所做的优化**这也让V8的解析速度更快了一点。你应该知道标识符的第一个字符ID\_START只允许用字母、下划线和$来表示而之后的字符ID\_CONTINUE还可以包括数字。所以当词法解析器遇到一个字符的时候我们首先要判断它是否是合法的ID\_START。
**那么,这样一个逻辑,通常你会怎么写?**我一般想也不想,肯定是这样的写法:
```
if(ch >= 'A' && ch <= 'Z' || ch >='a' && ch<='z' || ch == '$' || ch == '_'){
return true;
}
```
但你要注意这里的一个问题,**if语句中的判断条件需要做多少个运算**
最坏的情况下要做6次比较运算和3次逻辑“或”运算。不过V8的作者们认为这太奢侈了。所以他们通过查表的方法来识别每个ASCII字符是否是合法的标识符开头字符。
这相当于准备了一张大表,每个字符在里面对应一个位置,标明了该字符是否是合法的标识符开头字符。这是典型的牺牲空间来换效率的方法。虽然你在阅读代码的时候,会发现它调用了几层函数来实现这个功能,但这些函数其实是内联的,并且在编译优化以后,产生的指令要少很多,所以这个方法的性能更高。
第三个原因,是**如何从标识符中挑出关键字**。
与Java的编译器一样JavaScript的Scanner也是把标识符和关键字一起识别出来然后再从中挑出关键字。所以你可以认为这是一个最佳实践。那你应该也会想到识别一个字符串是否是关键字的过程使用的方法仍然是查表。查表用的技术是“**完美哈希perfect hashing**”也就是每个关键字对应的哈希值都是不同的不会发生碰撞。并且计算哈希值只用了三个元素前两个字符ID\_START、ID\_CONTINUE以及字符串的长度不需要把每个字符都考虑进来进一步降低了计算量。
文章里还有其他细节比如通过缩窄对Unicode字符的处理范围来进行优化等等。从中你能体会到V8的作者们在提升性能方面无所不用其极的设计思路。
除了词法分析在语法分析方面V8也做了很多的优化来保证高性能。其中最重要的是“**懒解析**”技术([lazy parsing](https://v8.dev/blog/preparser))。
一个页面中包含的代码并不会马上被程序用到。如果在一开头就把它们全部解析成AST并编译成字节码就会产生很多开销占用了太多CPU时间过早地占用内存编译后的代码缓存到硬盘上导致磁盘IO的时间很长等等。
所以所有浏览器中的JavaScript编译器都采用了懒解析技术。在V8里首先由预解析器也就是Preparser粗略地解析一遍程序在正式运行某个函数的时候编译器才会按需解析这个函数。你要注意Preparser只检查语法的正确性而基于上下文的检查则不是这个阶段的任务。你如果感兴趣的话可以深入阅读一下这篇[介绍Preparser的文章](https://v8.dev/blog/preparser),我在这里就不重复了。
你可以在终端测试一下懒解析和完整解析的区别。针对foo.js示例程序你输入“./d8 ast-print foo.js”命令。
```
function add(a,b){
return a + b;
}
//add(1,2) //一开始先不调用add函数
```
得到的输出结果是:
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/58/b0/58491fc107d5227fbdaa2ab996ed9bb0.jpg)
里面有一个没有名字的函数也就是程序的顶层函数并且它记录了一个add函数的声明仅此而已。你可以看到Preparser的解析结果确实够粗略。
而如果你把foo.js中最后一行的注释去掉调用一下add函数再次让d8运行一下foo.js就会输出完整解析后的AST你可以看看二者相差有多大
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/6e/75/6ec0dc2aedc384d34924848a1eeab575.jpg)
最后你可以去看看正式的Parser在parser.h、parser-base.h、parser.cc代码中。学完了这么多编译器的实现机制以后以你现在的经验打开一看你就能知道这又是用手写的递归下降算法实现的。
在看算法的过程中,我一般第一个就会去看它是如何处理二元表达式的。因为二元表达式看上去很简单,但它需要解决一系列难题,包括左递归、优先级和结合性。
V8的Parser中对于二元表达式的处理采取的也是一种很常见的算法**操作符优先级解析器**Operator-precedence parser。这跟Java的Parser也很像它本质上是自底向上的一个LR(1)算法。所以我们可以得出结论,在手写语法解析器的时候,遇到二元表达式,采用操作符优先级的方法,算是最佳实践了!
好了现在我们了解了V8的解析过程那V8是如何把AST编译成字节码和机器码并运行的呢我们接着来看看它的编译过程。
## 编译成字节码
我们在执行刚才的foo.js文件时加上“print-bytecode”参数就能打印出生成的字节码了。其中add函数的字节码如下
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/4a/4e/4afe3a33df386d66b4dc7838ef7a304e.jpg)
怎么理解这几行字节码呢?我来给你解释一下:
* Ldar a1把参数1从寄存器加载到累加器Ld=loada=accumulator, r=register
* Add a0, \[0\]把参数0加到累加器上。
* Return返回返回值在累加器上
不过要想充分理解这几行简单的字节码你还需要真正理解Ignition的设计。因为这些字节码是由Ignition来解释执行的。
Ignition是一个基于寄存器的解释器。它把函数的参数、变量等保存在寄存器里。不过这里的寄存器并不是物理寄存器而是指栈帧中的一个位置。下面是一个示例的栈帧
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/ea/3f/ea627032db67ea4yy0898897707f273f.jpg)
图2Ignition的栈帧
这个栈帧里包含了执行函数所需要的所有信息:
* 参数和本地变量。
* 临时变量它是在计算表达式的时候会用到的。比如计算2+3+4的时候就需要引入一个临时变量。
* 上下文:用来在函数闭包之间维护状态。
* pc调用者的代码地址。
栈帧里的a0、a1、r0、r1这些都是寄存器的名称可以在指令里引用。而在字节码里会用一个操作数的值代替。
整个栈帧的长度是在编译成字节码的时候就计算好了的。这就让Ignition的栈帧能适应不同架构对栈帧对齐的要求。比如AMD64架构的CPU它就要求栈帧是16位对齐的。
Ignition也用到了一些物理寄存器来提高运算的性能
* **累加器:**在做算术运算的时候,一定会用到累加器作为指令的其中一个操作数,所以它就不用在指令里体现了;指令里只要指定另一个操作数(寄存器)就行了。
* **字节码数组寄存器:**指向当前正在解释执行的字节码数组开头的指针。
* **字节码偏移量寄存器:**当前正在执行的指令在字节码数组中的偏移量与pc寄存器的作用一样
*
Ignition是我们见到的第一个寄存器机它跟我们之前见到的Java和Python的栈机有明显的不同。所以你可以先思考一下Ignition会有什么特点呢
我来给你总结一下吧。
1. 它在指令里会引用寄存器作为操作数,寄存器在进入函数时就被分配了存储位置,在函数运行时,栈帧的结构是不变的。而对比起来,栈机的指令从操作数栈里获取操作数,操作数栈随着函数的执行会动态伸缩。
2. Ignition还引入了累加器这个物理寄存器作为缺省的操作数。这样既降低了指令的长度又能够加快执行速度。
当然Ignition没有像生成机器码那样用一个寄存器分配算法让本地变量、参数等也都尽量采用物理寄存器。这样做的原因一方面是因为寄存器分配算法会增加编译的时间另一方面这样不利于代码在解释器和TurboFan生成的机器代码之间来回切换因为它要在调用约定之间做转换。采用固定格式的栈帧Ignition就能够在从机器代码切换回来的时候很容易地设置正确的解释器栈帧状态。
我把更多的字节码指令列在了下面你可以仔细看一看Ignition都有哪些指令从而加深对Ignition解释运行机制的理解。同时你也可以跟我们已经学过的Java和Python的字节码做个对比。这样呀你对字节码、解释器的了解就更丰富了。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/e1/01/e1ee2400d3447088156959068f4bef01.jpg)
来源:[Ignition Design Doc](https://docs.google.com/document/d/11T2CRex9hXxoJwbYqVQ32yIPMh0uouUZLdyrtmMoL44/mobilebasic)
## 编译成机器码
前面我提到了V8也有自己的JIT编译器叫做TurboFan。在学过Java的JIT编译器以后你可以预期到TurboFan也会有一些跟Java JIT编译器类似的特性比如它们都是把字节码编译生成机器码都是针对热点代码才会启动即时编译的。那接下来我们就来验证一下自己的想法并一起来看看TurboFan的运行效果究竟如何。
我们来看一个示例程序add.js
```
function add(a,b){
return a+b;
}
for (i = 0; i<100000; i++){
add(i, i+1);
if (i%1000==0)
console.log(i);
}
```
你可以用下面的命令要求V8打印出优化过程、优化后的汇编代码、注释等信息。其中turbo-filter=add”参数会告诉V8只优化add函数否则的话V8会把add函数内联到外层函数中去。
```
./d8 --trace-opt-verbose \
--trace-turbo \
--turbo-filter=add \
--print-code \
--print-opt-code \
--code-comments \
add.js
```
注释:你用./d8 --help就能列出V8可以使用的各种选项及其说明我把上面几个选项的含义解释一下。
trace-opt-verbose跟踪优化过程并输出详细信息
trace-turbo跟踪TurboFan的运行过程
print-code打印生成的代码
print-opt-code打印优化的代码
code-comment在汇编代码里输出注释
程序一开头是解释执行的。在循环了24000次以后V8认为这是热点代码于是启动了Turbofan做即时编译。
最后生成的汇编代码有好几十条指令。不过你可以看到,大部分指令是用于初始化栈帧,以及处理逆优化的情况。真正用于计算的指令,是下面几行指令:
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/42/63/42623960a371d97b95540343f5bf4363.jpg)
对这些汇编代码的解读,以及这些指令的产生和优化过程,我会在下一讲继续给你讲解。
## 课程小结
今天这讲我们从总体上考察了V8的编译过程我希望你记住几个要点
* 首先,是**编译速度**。由于JavaScript是在浏览器下载完页面后马上编译并执行它对编译速度有更高的要求。因此V8使用了一边下载一边编译的技术懒解析技术。并且在解析阶段V8也比其他编译器更加关注处理速度你可以从中学到通过查表减少计算量的技术。
* 其次,我们认识了一种新的**解释器Ignition**它是基于寄存器的解释器或者叫寄存器机。Ignition比起栈机来更有性能优势。
* 最后我们初步使用了一下V8的**即时编译器TurboFan**。在下一讲中我们会更细致地探讨TurboFan的特性。
按照惯例,这一讲的思维导图我也给你整理出来了,供你参考:
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/07/ae/07771c2c05ab77f1d01268cee44a36ae.jpg)
## 一课一思
你能否把Ignition的字节码和Java、Python的字节码对比一下。看看它们有哪些共同之处有哪些不同之处
欢迎在留言区分享你的答案,也欢迎你把今天的内容分享给更多的朋友。
## 参考资料
1. 这两篇文章分析了V8的解析器为什么速度非常快[Blazingly fast parsing, part 1: optimizing the scanner](https://v8.dev/blog/scanner)[Blazingly fast parsing, part 2: lazy parsing](https://v8.dev/blog/preparser)
2. 这篇文章描述了Ignition的设计[Ignition Design Doc](https://docs.google.com/document/d/11T2CRex9hXxoJwbYqVQ32yIPMh0uouUZLdyrtmMoL44/mobilebasic)我在GitHub上也放了一个[拷贝](https://github.com/RichardGong/CompilersInPractice/blob/master/v8/Ignition%20Design%20Doc.pdf)
3. 这篇文章有助于你了解Ignition的字节码[Understanding V8s bytecode](https://medium.com/dailyjs/understanding-v8s-bytecode-317d46c94775)
4. V8项目的[官网](https://v8.dev/),这里有一些重要的博客文章和文档