JS `WebAssembly` `Tiered Compilation`：快速启动与极致优化并存

各位观众老爷们，晚上好！我是今天的主讲人，咱们今天就来聊聊WebAssembly里的一个黑科技——分层编译（Tiered Compilation）。这玩意儿听起来高大上，其实就是让你的Wasm程序跑得更快，启动更快，就像给火箭加了双涡轮增压！

一、啥是WebAssembly？（快速复习）

在深入分层编译之前，咱们先简单回顾一下WebAssembly（Wasm）。你可以把它想象成一种“汇编语言的虚拟机”，但它不是跑在你CPU上，而是跑在浏览器或者其他支持Wasm的运行时环境里。

• 特点：

  • 高性能： 接近原生速度。
  • 安全： 运行在沙箱环境中，防止恶意代码。
  • 跨平台： 可以在不同的操作系统和浏览器上运行。
  • 体积小： Wasm文件通常比JavaScript文件小。

• 应用场景：

  • 游戏
  • 音视频处理
  • 图像识别
  • 科学计算
  • 加密解密
  • …等等，只要对性能有要求的场景都可以考虑。

二、编译的那些事儿：AOT、JIT、解释执行

要让Wasm代码跑起来，就需要把它转换成机器码。这转换的过程就是编译。编译的方式有很多种，常见的有以下几种：

• 提前编译（AOT）： 在程序运行之前，就把Wasm代码编译成目标平台的机器码。

  • 优点： 运行时性能好。
  • 缺点： 编译时间长，体积大，平台依赖性强。

• 即时编译（JIT）： 在程序运行的时候，才把Wasm代码编译成机器码。

  • 优点： 启动速度快，平台依赖性弱。
  • 缺点： 运行时需要占用CPU资源，性能不如AOT。

• 解释执行： 逐行解释Wasm代码，效率最低。

三、分层编译：鱼和熊掌，我都要！

分层编译的核心思想就是：“先快速启动，再逐步优化”。 它结合了JIT编译和AOT编译的优点，既保证了启动速度，又保证了运行时的性能。

你可以把分层编译想象成一个“编译流水线”，Wasm代码会经过多个编译层级，每个层级都有不同的优化策略。

• 第一层（Baseline Compiler）： 快速生成机器码，保证启动速度。 这一层的编译器通常不做复杂的优化，重点是快速生成可执行的代码。

• 第二层（Optimizing Compiler）： 在程序运行的过程中，对代码进行优化。 这一层的编译器会分析代码的执行情况，根据分析结果进行优化，例如内联函数、循环展开等等。

四、分层编译的工作流程

1. 加载Wasm模块： 浏览器或者运行时环境加载Wasm模块。
2. Baseline编译： 使用Baseline编译器快速生成机器码。
3. 执行代码： 执行Baseline编译后的代码。
4. 性能监控： 监控代码的执行情况，收集性能数据。
5. 优化编译： 根据性能数据，使用Optimizing编译器对热点代码进行优化。
6. 替换代码： 将优化后的代码替换掉Baseline编译的代码。
7. 持续优化： 持续监控和优化代码，提高性能。

五、分层编译的优势

• 快速启动： Baseline编译器保证了快速启动速度。
• 高性能： Optimizing编译器保证了运行时的性能。
• 平滑过渡： 程序从Baseline编译的代码平滑过渡到优化后的代码，用户体验更好。
• 自适应优化： Optimizing编译器可以根据代码的执行情况进行自适应优化，更加灵活。

六、代码示例：让我们看看Wasm是怎么编译的

虽然我们不能直接看到编译器内部的细节，但是我们可以通过一些工具来观察Wasm的编译过程。

1. 使用wasm-opt进行优化

wasm-opt是WebAssembly二进制工具包（WABT）中的一个工具，可以用来优化Wasm模块。

# 安装wabt
brew install wabt

# 优化Wasm模块
wasm-opt input.wasm -O3 -o output.wasm

这条命令会将input.wasm文件优化成output.wasm文件，-O3表示使用最高级别的优化。

2. 使用v8引擎的 --trace-opt 和 --trace-deopt 选项

V8引擎是Chrome浏览器的JavaScript引擎，也支持WebAssembly。我们可以使用--trace-opt和--trace-deopt选项来观察代码的优化和去优化过程。

# 运行Node.js，并开启优化跟踪
node --trace-opt --wasm-code-cache -- experimental-wasm-modules index.js

或者在Chrome浏览器中，可以通过设置chrome://flags/#enable-webassembly-code-caching开启Wasm代码缓存，然后使用开发者工具观察编译过程。

七、分层编译的实现细节（以V8引擎为例）

V8引擎是Chrome浏览器的JavaScript引擎，也是WebAssembly的主要运行时环境之一。V8引擎的分层编译主要分为以下几个层级：

• Liftoff： 最快的Baseline编译器，只做最基本的编译，目标是快速启动。
• TurboFan： Optimizing编译器，进行各种优化，例如内联函数、循环展开、常量折叠等等。

编译器	优化程度	编译速度	启动速度	内存占用
Liftoff	低	快	快	低
TurboFan	高	慢	慢	高

代码示例：

下面是一个简单的Wasm模块，用来计算两个数的和。

(module
  (func $add (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
    get_local $p1
    get_local $p2
    i32.add
  )
  (export "add" (func $add))
)

1. Liftoff编译：

Liftoff编译器会将这段代码编译成机器码，但是不会进行任何优化。例如，它不会内联i32.add指令。

2. TurboFan编译：

TurboFan编译器会对这段代码进行优化，例如内联i32.add指令，将代码转换成更高效的机器码。

// 伪代码，仅用于演示
int add(int p1, int p2) {
  return p1 + p2; // TurboFan可能会将这行代码直接编译成一条机器指令
}

八、分层编译的挑战

• 编译开销： 分层编译需要进行多次编译，会增加编译开销。
• 内存占用： 分层编译需要保存多个版本的代码，会增加内存占用。
• 调试难度： 分层编译的代码更加复杂，调试难度更高。
• 动态去优化（Deoptimization）： 当优化后的代码不再适用时，需要进行去优化，回到Baseline编译的代码。

九、WebAssembly的未来展望

WebAssembly正在快速发展，未来将会出现更多的优化技术，例如：

• 更智能的编译器： 能够更好地分析代码，进行更有效的优化。
• 更高效的垃圾回收： WebAssembly的垃圾回收机制也在不断完善，可以更好地管理内存。
• 更多的语言支持： 越来越多的编程语言开始支持编译成WebAssembly，例如C++、Rust、Go等等。
• SIMD指令： WebAssembly的SIMD指令可以进行并行计算，提高性能。
• 线程支持： WebAssembly的线程支持可以进行多线程编程，提高性能。
• 模块流式编译： WebAssembly的模块流式编译允许在下载Wasm模块的同时进行编译，缩短启动时间。

十、总结

分层编译是WebAssembly的一项重要技术，它结合了JIT编译和AOT编译的优点，既保证了启动速度，又保证了运行时的性能。虽然分层编译面临着一些挑战，但是随着WebAssembly的不断发展，这些挑战将会被克服。WebAssembly的未来充满希望，它将会在Web开发领域发挥越来越重要的作用。

好啦，今天的讲座就到这里，感谢大家的观看！希望大家能对WebAssembly的分层编译有一个更深入的了解。 如果有什么问题，欢迎大家提问！