虚拟机：揭秘 JavaScript 引擎内部原理

JavaScript 这种无处不在的 Web 编程语言，依靠复杂的引擎来高效地执行代码。而这些引擎的核心在于虚拟机 (VM) 的概念。了解这些虚拟机的工作方式，可以为 JavaScript 的性能特征提供有价值的见解，并使开发人员能够编写更优化的代码。本指南将深入探讨 JavaScript 虚拟机的架构和工作原理。

什么是虚拟机？

本质上，虚拟机是一种在软件中实现的抽象计算机架构。它提供了一个环境，允许用特定语言（如 JavaScript）编写的程序独立于底层硬件运行。这种隔离实现了可移植性、安全性和高效的资源管理。

可以这样理解：您可以使用 VM 在 macOS 中运行 Windows 操作系统。类似地，JavaScript 引擎的 VM 允许 JavaScript 代码在安装了该引擎的任何平台上执行（浏览器、Node.js 等）。

JavaScript 执行管道：从源代码到执行

JavaScript 代码从初始状态到在 VM 中执行的过程涉及几个关键阶段：

1. 解析： 引擎首先解析 JavaScript 代码，将其分解为称为抽象语法树 (AST) 的结构化表示。此树反映了代码的句法结构。
2. 编译/解释： 然后处理 AST。现代 JavaScript 引擎采用混合方法，同时使用解释和编译技术。
3. 执行： 编译或解释的代码在 VM 中执行。
4. 优化： 代码运行时，引擎会持续监控性能并应用优化来提高执行速度。

解释 vs. 编译

从历史上看，JavaScript 引擎主要依赖于解释。解释器逐行处理代码，顺序翻译和执行每个指令。这种方法提供快速的启动时间，但与编译相比，会导致较慢的执行速度。另一方面，编译涉及在执行之前将整个源代码翻译成机器代码（或中间表示）。这导致更快的执行速度，但会产生更高的启动成本。

现代引擎利用即时 (JIT) 编译策略，该策略结合了两种方法的优点。JIT 编译器在运行时分析代码并将频繁执行的部分（热点）编译为优化的机器代码，从而显着提高性能。考虑一个运行数千次的循环 – JIT 编译器可能会在执行几次后优化该循环。

JavaScript 虚拟机的关键组件

JavaScript VM 通常由以下基本组件组成：

• 解析器： 负责将 JavaScript 源代码转换为 AST。
• 解释器： 直接执行 AST 或将其翻译为字节码。
• 编译器 (JIT)： 将频繁执行的代码编译为优化的机器代码。
• 优化器： 执行各种优化以提高代码性能（例如，内联函数、消除死代码）。
• 垃圾回收器： 通过回收不再使用的对象来自动管理内存。
• 运行时系统： 为执行环境提供基本服务，例如访问 DOM（在浏览器中）或文件系统（在 Node.js 中）。

流行的 JavaScript 引擎及其架构

几个流行的 JavaScript 引擎为浏览器和其他运行时环境提供支持。每个引擎都有其独特的架构和优化技术。

V8 (Chrome, Node.js)

V8 由 Google 开发，是最广泛使用的 JavaScript 引擎之一。它采用完整的 JIT 编译器，最初将 JavaScript 代码编译为机器代码。V8 还结合了内联缓存和隐藏类等技术来优化对象属性访问。V8 使用两个编译器：Full-codegen（原始编译器，生成相对较慢但可靠的代码）和 Crankshaft（优化编译器，生成高度优化的代码）。最近，V8 推出了 TurboFan，一种更高级的优化编译器。

V8 的架构针对速度和内存效率进行了高度优化。它使用高级垃圾回收算法来最大限度地减少内存泄漏并提高性能。V8 的性能对于浏览器性能和 Node.js 服务器端应用程序至关重要。例如，像 Google Docs 这样的复杂 Web 应用程序在很大程度上依赖于 V8 的速度来提供响应迅速的用户体验。在 Node.js 的上下文中，V8 的效率使得能够在可扩展的 Web 服务器中处理数千个并发请求。

SpiderMonkey (Firefox)

SpiderMonkey 由 Mozilla 开发，是为 Firefox 提供支持的引擎。它是一种混合引擎，具有解释器和多个 JIT 编译器。SpiderMonkey 拥有悠久的历史，并且多年来经历了重大发展。从历史上看，SpiderMonkey 使用解释器，然后使用 IonMonkey（JIT 编译器）。目前，SpiderMonkey 采用更现代的架构，具有多层 JIT 编译。

SpiderMonkey 以其对标准合规性和安全性的关注而闻名。它包含强大的安全功能，以保护用户免受恶意代码的侵害。它的架构优先考虑维护与现有 Web 标准的兼容性，同时还结合了现代性能优化。Mozilla 不断投资于 SpiderMonkey，以增强其性能和安全性，确保 Firefox 仍然是一款有竞争力的浏览器。一家在内部使用 Firefox 的欧洲银行可能会欣赏 SpiderMonkey 的安全功能，以保护敏感的金融数据。

JavaScriptCore (Safari)

JavaScriptCore 也称为 Nitro，是 Safari 和其他 Apple 产品中使用的引擎。它是另一个带有 JIT 编译器的引擎。JavaScriptCore 使用 LLVM（低级虚拟机）作为其生成机器代码的后端，这允许进行出色的优化。从历史上看，JavaScriptCore 使用 SquirrelFish Extreme，这是 JIT 编译器的早期版本。

JavaScriptCore 与 Apple 的生态系统紧密相关，并且针对 Apple 硬件进行了大量优化。它强调功率效率，这对于 iPhone 和 iPad 等移动设备至关重要。Apple 不断改进 JavaScriptCore，以在其设备上提供流畅且响应迅速的用户体验。JavaScriptCore 的优化对于渲染复杂图形或处理大型数据集等资源密集型任务尤其重要。想想在 iPad 上流畅运行的游戏；这部分归功于 JavaScriptCore 的高效性能。一家为 iOS 开发增强现实应用程序的公司将受益于 JavaScriptCore 的硬件感知优化。

字节码和中间表示

许多 JavaScript 引擎不直接将 AST 翻译成机器代码。相反，它们生成一个称为字节码的中间表示。字节码是代码的低级、平台无关的表示，比原始 JavaScript 源代码更容易优化和执行。然后，解释器或 JIT 编译器执行字节码。

使用字节码可以实现更高的可移植性，因为相同的字节码可以在不同的平台上执行，而无需重新编译。它还简化了 JIT 编译过程，因为 JIT 编译器可以使用代码的更结构化和优化的表示。

执行上下文和调用堆栈

JavaScript 代码在执行上下文中执行，该上下文包含代码运行所需的所有必要信息，包括变量、函数和作用域链。调用函数时，会创建一个新的执行上下文并将其推送到调用堆栈上。调用堆栈维护函数调用的顺序，并确保函数在完成执行时返回到正确的位置。

了解调用堆栈对于调试 JavaScript 代码至关重要。发生错误时，调用堆栈会提供导致错误的函数调用的跟踪，帮助开发人员查明问题的根源。

垃圾回收

JavaScript 通过垃圾回收器 (GC) 使用自动内存管理。GC 会自动回收不再可访问或使用的对象所占用的内存。这可以防止内存泄漏并简化开发人员的内存管理。现代 JavaScript 引擎采用复杂的 GC 算法来最大限度地减少暂停并提高性能。不同的引擎使用不同的 GC 算法，例如标记清除或分代垃圾回收。例如，分代 GC 按年龄对对象进行分类，更频繁地收集年轻对象，而不是旧对象，这往往更有效。

虽然垃圾回收器会自动管理内存，但仍然需要注意 JavaScript 代码中的内存使用情况。创建大量对象或将对象保留不必要的时间会给 GC 带来压力并影响性能。

JavaScript 性能的优化技术

了解 JavaScript 引擎的工作方式可以指导开发人员编写更优化的代码。以下是一些关键的优化技术：

• 避免全局变量： 全局变量会减慢属性查找速度。
• 使用局部变量： 访问局部变量的速度快于全局变量。
• 尽量减少 DOM 操作： DOM 操作的成本很高。尽可能批量更新。
• 优化循环： 使用高效的循环结构并最大限度地减少循环内的计算。
• 使用记忆化： 缓存昂贵的函数调用的结果，以避免冗余计算。
• 分析您的代码： 使用分析工具来识别性能瓶颈。

例如，考虑这样一种情况：您需要更新网页上的多个元素。与其单独更新每个元素，不如将更新批量处理到单个 DOM 操作中，以最大限度地减少开销。类似地，在循环中执行复杂计算时，尝试预先计算在整个循环中保持不变的任何值，以避免冗余计算。

用于分析 JavaScript 性能的工具

有多种工具可用于帮助开发人员分析 JavaScript 性能并识别瓶颈：

• 浏览器开发者工具： 大多数浏览器都包含内置的开发者工具，这些工具提供分析功能，允许您测量代码不同部分的执行时间。
• Lighthouse： Google 提供的一种工具，用于审核网页的性能、可访问性和其他最佳实践。
• Node.js 分析器： Node.js 提供了一个内置分析器，可用于分析服务器端 JavaScript 代码的性能。

JavaScript 引擎开发的未来趋势

JavaScript 引擎开发是一个持续的过程，不断努力提高性能、安全性和标准合规性。一些关键趋势包括：

• WebAssembly (Wasm)： 一种用于在 Web 上运行代码的二进制指令格式。Wasm 允许开发人员用其他语言（例如 C++、Rust）编写代码并将其编译为 Wasm，然后可以在浏览器中以接近本机的性能执行。
• 分层编译： 使用多层 JIT 编译，每层应用逐渐更积极的优化。
• 改进的垃圾回收： 开发更高效且侵入性更小的垃圾回收算法。
• 硬件加速： 利用硬件功能（例如，SIMD 指令）来加速 JavaScript 执行。

特别是，WebAssembly 代表了 Web 开发的重大转变，使开发人员能够将高性能应用程序引入 Web 平台。想象一下，复杂的 3D 游戏或 CAD 软件直接在浏览器中运行，这要归功于 WebAssembly。

结论

了解 JavaScript 引擎的内部工作原理对于任何认真的 JavaScript 开发人员来说都至关重要。通过掌握虚拟机、JIT 编译、垃圾回收和优化技术等概念，开发人员可以编写更高效且性能更高的代码。随着 JavaScript 不断发展并为日益复杂的应用程序提供支持，深入了解其底层架构将变得更有价值。无论您是为全球受众构建 Web 应用程序、使用 Node.js 开发服务器端应用程序，还是使用 JavaScript 创建交互式体验，对 JavaScript 引擎内部原理的了解无疑会提高您的技能，并使您能够构建更好的软件。

继续探索、实验并突破 JavaScript 可能实现的界限！