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V8是如何执行一段JavaScript代码的？

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作为前端开发者，是否想过一段JavaScript代码是如何被执行的？

什么是V8

V8 是一个由 Google 开发的开源 JavaScript 引擎，目前用在 Chrome 浏览器和 Node.js 中，其核心功能是执行易于人类理解的 JavaScript 代码。

V8 执行 JavaScript 代码主要核心流程分为编译和执行两步。首先需要将 JavaScript 代码转换为低级中间代码或者机器能够理解的机器代码，然后再执行转换后的代码并输出执行结果。

可以把 V8 看成是一个虚构出来的计算机，也称为虚拟机，虚拟机通过模拟实际计算机的各种功能来实现代码的执行，如模拟实际计算机的 CPU、堆栈、寄存器等，虚拟机还具有它自己的一套指令系统。

对于 JavaScript 代码来说，V8 就是它的整个世界，当 V8 执行 JavaScript 代码时，开发者并不需要担心现实中不同操作系统的差异，也不需要担心不同体系结构计算机的差异，只需要按照虚拟机的规范写好代码就可以了。

高级语言应运而生

一个大的前提是 CPU 只能识别二进制的指令。实际开发当中为了能够完成复杂的任务，工程师们往往为 CPU 提供一大堆指令，来实现各种功能，把这一大堆指令称为指令集（Instructions），也就是机器语言。

但是对程序员来说，二进制代码难以阅读和记忆。于是为了解决阅读和记忆问题，程序员将二进制指令集转换为人类可以识别和记忆的符号，这就是汇编指令集，可以参考下面的代码

1000100111011000  机器指令
mov ax,bx         汇编指令

显然机器指令和汇编指令非常不同，而且 CPU 不能直接识别汇编语言。为了解决这个问题，就诞生了汇编编译器，其作用就是将汇编代码编程成机器代码。

随着时间的推移，程序员们发现，虽然汇编语言对机器语言做了一层抽象，减少了程序员理解机器语言的复杂度，但是汇编语言依然是复杂且繁琐的，即便是写一个非常简单的功能，也需要实现大量的汇编代码，这主要表现在

  1. 首先不同的 CPU 有着不同的指令集，如果要使用机器语言或者汇编语言来实现一个功能，需要为每种架构的 CPU 编写特定的汇编代码，这会带来巨大的、枯燥繁琐的操作。

  2. 其次在编写汇编代码时，程序员还需要了解和处理器架构相关的硬件知识，比如需要使用寄存器、内存、操作 CPU 等。大部分程序员在编写应用的时候，只想专心处理业务逻辑，并不想要过多地理会这些处理器架构相关的细节。

因此特别需要一种屏蔽了计算机架构细节的语言，能适应多种不同 CPU 架构的语言，能专心处理业务逻辑的语言，诸如 C、C++、Java、C#、Python、JavaScript 等，这些高级语言也就应运而生了。

高级语言执行

和汇编语言一样，处理器也不能直接识别由高级语言所编写的代码。通常有两种方式来执行这些代码。

  1. 第一种是解释执行，需要先将输入的源代码通过解析器编译成中间代码，之后直接使用解释器解释执行中间代码，然后直接输出结果。

  2. 第二种是编译执行。采用这种方式时，也需要先将源代码转换为中间代码，然后编译器再将中间代码编译成机器代码。通常编译成的机器代码是以二进制文件形式存储的，需要执行这段程序的时候直接执行二进制文件就可以了。还可以使用虚拟机将编译后的机器代码保存在内存中，然后直接执行内存中的二进制代码。

以上就是计算机执行高级语言的两种基本的方式：解释执行和编译执行。

但是针对不同的高级语言，这个实现方式有很大差异的，比如要执行 C 语言编写的代码，需要将其编译为二进制代码的文件，然后再直接执行二进制代码。而对于像 Java 语言、JavaScript 语言等，则需要不同虚拟机，模拟计算机的这个编译执行流程。执行 Java 语言，需要经过 Java 虚拟机的转换，执行 JavaScript 需要经过 JavaScript 虚拟机的转换。

即便是 JavaScript 一门语言，也有好几种流行的虚拟机，它们之间的实现方式也存在着一部分差异，比如苹果公司在 Safari 中就是用 JavaScriptCore 虚拟机，Firefox 使用了 TraceMonkey 虚拟机，而 Chrome 则使用了 V8 虚拟机。

V8 是如何执行 JavaScript 代码的？

讲完了上面的部分，终于到具体执行环节了。

实际上，V8 并没有采用某种单一的技术：解释执行或编译执行，而是混合编译执行和解释执行这两种手段，把这种混合使用编译器和解释器的技术称为 JIT（Just In Time）技术。

这是一种权衡策略，因为这两种方法都各自有各自的优缺点，解释执行的启动速度快，但是执行时的速度慢，而编译执行的启动速度慢，但是执行时的速度快。

在 V8 启动执行 JavaScript 之前，它需要准备执行 JavaScript 时所需要的一些基础环境，这些基础环境包括了堆空间、栈空间、全局执行上下文、全局作用域、消息循环系统、内置函数等，这些内容都是在执行 JavaScript 过程中需要使用到的，比如

  • JavaScript 全局执行上下文就包含了执行过程中的全局信息，比如一些内置函数，全局变量等信息
  • 全局作用域包含了一些全局变量，在执行过程中的数据都需要存放在内存中
  • 而 V8 是采用了经典的堆和栈的内存管理模式，所以 V8 还需要初始化内存中的堆和栈结构
  • 另外，想要 V8 系统活起来，还需要初始化消息循环系统，消息循环系统包含了消息驱动器和消息队列，它如同 V8 的心脏，不断接受消息并决策如何处理消息

基础环境准备好之后，接下来就可以向 V8 提交要执行的 JavaScript 代码了。

首先 V8 会接收到要执行的 JavaScript 源代码，不过这对 V8 来说只是一堆字符串，V8 并不能直接理解这段字符串的含义，它需要结构化这段字符串。结构化，是指信息经过分析后可分解成多个互相关联的组成部分，各组成部分间有明确的层次结构，方便使用和维护，并有一定的操作规范。

V8 源代码的结构化之后，就生成了抽象语法树 (AST)，称为 AST，AST 是便于 V8 理解的结构。

这里还需要注意一点，在生成 AST 的同时，V8 还会生成相关的作用域，作用域中存放相关变量。

有了 AST 和作用域之后，接下来就可以生成字节码了，字节码是介于 AST 和机器代码的中间代码。但是与特定类型的机器代码无关，解释器可以直接解释执行字节码，或者通过编译器将其编译为二进制的机器代码再执行。

生成了字节码之后，解释器就登场了，它会按照顺序解释执行字节码，并输出执行结果。

当某段代码被标记为热点代码后，V8 就会将这段字节码丢给优化编译器，优化编译器会在后台将字节码编译为二进制代码，然后再对编译后的二进制代码执行优化操作，优化后的二进制机器代码的执行效率会得到大幅提升。

和静态语言不同的是，JavaScript 是一种非常灵活的动态语言，对象的结构和属性是可以在运行时任意修改的，而经过优化编译器优化过的代码只能针对某种固定的结构，一旦在执行过程中，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，这时候优化编译器就需要执行反优化操作，经过反优化的代码，下次执行时就会回退到解释器解释执行。

总结

因为计算机只能识别二进制指令，所以要让计算机执行一段高级语言通常有两种手段，第一种是将高级语言转换为二进制代码，再让计算机去执行；另外一种方式是在计算机安装一个解释器，并由解释器来解释执行。

解释执行和编译执行都有各自的优缺点，解释执行启动速度快，但是执行时速度慢，而编译执行启动速度慢，但是执行速度快。为了充分地利用解释执行和编译执行的优点，规避其缺点，V8 采用了一种权衡策略，在启动过程中采用了解释执行的策略，但是如果某段代码的执行频率超过一个值，那么 V8 就会采用优化编译器将其编译成执行效率更加高效的机器代码。

理解了上面这一点，就可以来深入分析 V8 执行一段 JavaScript 代码所经历的主要流程了，这包括了

  1. 初始化基础环境
  2. 解析源码生成 AST 和作用域
  3. 依据 AST 和作用域生成字节码
  4. 解释执行字节码
  5. 监听热点代码
  6. 优化热点代码为二进制的机器代码
  7. 反优化生成的二进制机器代码

需要注意的是，JavaScript 是一门动态语言，在运行过程中，某些被优化的结构可能会被 V8 动态修改了，这会导致之前被优化的代码失效，如果某块优化之后的代码失效了，那么编译器需要执行反优化操作。

整理自网络，侵权删。

(本文完)