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JS `Tiered Compilation` (`V8`)：启动速度与运行时性能的平衡

各位靓仔靓女，欢迎来到今天的V8引擎“扒皮”讲座！今天咱们要聊的，是V8引擎中一个相当重要的优化技术，它就像一个精明的管家，既要保证你家的JS代码启动飞快，又要保证运行起来性能杠杠的，它就是——Tiered Compilation（分层编译）。

开胃小菜：为什么需要Tiered Compilation？

想象一下，你打开一个网页，如果JS代码吭哧吭哧半天才跑起来，你会是什么心情？估计想把电脑砸了吧？所以，快速启动是必须的！但光启动快也不行啊，如果代码跑起来慢如蜗牛，体验也差得要命。

传统的JS引擎优化方式，要么侧重于快速启动，要么侧重于运行时性能，很难做到两全其美。

  • 解释执行： 启动速度快，但运行效率低，就像一个只会照本宣科的老师，啥都懂，但讲课效率不高。
  • 即时编译（JIT）： 运行效率高，但编译过程耗时，启动速度慢，就像一个准备充分的老师，知识渊博，但课前准备时间太长。

Tiered Compilation就像一个“渐进式”的优化方案，它将编译过程分为多个层次，每个层次侧重不同的方面，最终达到启动速度和运行时性能的平衡。

Tiered Compilation的“三板斧”

V8引擎的Tiered Compilation主要分为以下几个层次（当然，实际情况可能更复杂，这里为了方便理解，简化一下）：

  1. Ignition（解释器）： 这货就是个“急性子”，啥都不管，直接解释执行JS代码。优点是启动速度极快，缺点是运行效率低。你可以把它想象成一个“草稿纸”，先快速把代码跑起来再说。

    // Ignition阶段执行的代码，未经任何优化
function add(a, b) {
  return a + b;
}

console.log(add(1, 2)); // 输出 3

  2. TurboFan（优化编译器）： 这家伙是个“完美主义者”，它会分析代码的运行情况，然后生成高度优化的机器码。优点是运行效率极高，缺点是编译时间长。你可以把它想象成一个“精装修”，力求把代码优化到极致。

    // TurboFan阶段执行的代码，经过深度优化，例如内联、类型推断等
function add(a, b) {
  // TurboFan会根据实际运行情况，将a和b推断为数字类型，并进行内联优化
  return a + b;
}

console.log(add(1, 2)); // 输出 3 (速度更快)

  3. Liftoff（基线编译器）： 这家伙是“中庸之道”的信徒，它介于Ignition和TurboFan之间，编译速度比TurboFan快，但运行效率比Ignition高。你可以把它想象成一个“简装修”，在保证一定性能的前提下，尽量缩短编译时间。

    // Liftoff阶段执行的代码，进行了一些基本的优化，例如类型反馈等
function add(a, b) {
  // Liftoff会根据add函数的调用情况，记录a和b的类型，并进行一定的优化
  return a + b;
}

console.log(add(1, 2)); // 输出 3 (速度介于Ignition和TurboFan之间)

Tiered Compilation的工作流程

Tiered Compilation的工作流程大致如下：

  1. Ignition启动： JS代码首先由Ignition解释执行，保证快速启动。
  2. Profiling： 在Ignition执行过程中，V8会收集代码的运行信息，例如函数的调用次数、参数类型等。这个过程就像一个“侦察兵”，摸清代码的“脾气”。
  3. Liftoff编译： 根据Profiling的信息，V8会判断哪些代码需要进行优化，并使用Liftoff进行编译。Liftoff编译后的代码比Ignition执行的代码效率更高。
  4. TurboFan编译： 对于那些“热点”代码（例如被频繁调用的函数），V8会使用TurboFan进行深度优化。TurboFan编译后的代码效率最高。
  5. Deoptimization（去优化）： 如果代码的运行情况与之前的Profiling信息不符，V8会进行Deoptimization，将代码回退到Liftoff或Ignition状态。这个过程就像一个“纠错机制”，保证代码的正确性。

可以用下面这个表格来总结一下各个编译层级的特点：

编译层级 启动速度 运行效率 编译时间 适用场景
Ignition 极快 低 几乎没有 快速启动，执行频率低的冷代码
Liftoff 快 中等 短 执行频率较高，但不需要深度优化的代码
TurboFan 慢 极高 长 执行频率极高，需要深度优化的热点代码

代码示例：Tiered Compilation的实际效果

为了更直观地展示Tiered Compilation的效果，咱们来看一个简单的例子：

function fibonacci(n) {
  if (n <= 1) {
    return n;
  }
  return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}

console.time('fibonacci');
console.log(fibonacci(30));
console.timeEnd('fibonacci');

这段代码计算斐波那契数列的第30项。如果直接使用Ignition解释执行，速度会非常慢。但有了Tiered Compilation，V8会逐渐将fibonacci函数优化到TurboFan状态，从而大大提高运行速度。

你可以通过V8的flags来观察Tiered Compilation的效果：

node --trace-opt --trace-deopt fibonacci.js
  • --trace-opt: 打印TurboFan优化的信息。
  • --trace-deopt: 打印Deoptimization的信息。

通过观察这些信息，你可以看到fibonacci函数是如何从Ignition逐渐优化到TurboFan，以及在某些情况下，由于类型变化等原因，又如何进行Deoptimization的。

Tiered Compilation的优势

Tiered Compilation的优势主要体现在以下几个方面：

  • 提升启动速度： Ignition的快速启动能力，保证了网页的快速加载。
  • 提高运行性能： TurboFan的深度优化能力，保证了代码的高效运行。
  • 自适应优化： V8会根据代码的运行情况，动态地进行优化，保证最佳的性能。
  • 降低内存占用： Liftoff的引入，可以在一定程度上降低内存占用。

Tiered Compilation的挑战

当然，Tiered Compilation也面临一些挑战：

  • Profiling的开销： 收集代码的运行信息需要一定的开销。
  • Deoptimization的开销： Deoptimization会导致性能下降。
  • 编译器的复杂性： Tiered Compilation增加了编译器的复杂性。

总结

Tiered Compilation是V8引擎中一项非常重要的优化技术，它通过分层编译的方式，在启动速度和运行时性能之间找到了一个平衡点。虽然它也面临一些挑战，但总体来说，它极大地提高了JS代码的执行效率，为我们带来了更好的用户体验。

高级进阶：深入理解Tiered Compilation的细节

如果你想更深入地了解Tiered Compilation，可以研究以下方面：

  • Inline Cache (IC): IC是V8中用于加速属性访问和方法调用的技术。它通过缓存最近访问的属性和方法，避免了重复的查找过程。Tiered Compilation会利用IC的信息来进行优化。

    function getProperty(obj, key) {
  return obj[key]; // 第一次执行时，会查找obj的key属性；后续执行时，会直接从IC中获取
}

const myObj = { name: 'Alice', age: 30 };
getProperty(myObj, 'name'); // 第一次调用
getProperty(myObj, 'name'); // 后续调用，速度更快

  • Hidden Classes: V8使用Hidden Classes来优化对象的属性访问。Hidden Classes描述了对象的属性结构，例如属性的名称、类型和顺序。如果多个对象具有相同的Hidden Class，V8就可以使用相同的代码来访问它们的属性，从而提高性能。

    function Point(x, y) {
  this.x = x;
  this.y = y;
}

const p1 = new Point(1, 2);
const p2 = new Point(3, 4);

// p1和p2具有相同的Hidden Class，V8可以使用相同的代码来访问它们的x和y属性

  • Type Feedback: Type Feedback是V8用于收集代码类型信息的技术。通过观察代码的实际运行情况，V8可以推断出变量的类型，并根据类型信息进行优化。

    function add(a, b) {
  return a + b;
}

// 第一次调用add(1, 2)时，V8会记录a和b的类型为数字
// 后续调用add函数时，V8会根据类型信息进行优化
add(1, 2);
add(3, 4);

  • Optimization Bailout: Optimization Bailout是指TurboFan在优化过程中，由于某些原因无法继续优化，从而放弃优化，回退到Liftoff或Ignition状态。常见的Bailout原因包括类型变化、函数参数数量变化等。

    function add(a, b) {
  // 如果a和b不是数字类型，TurboFan可能会进行Bailout
  return a + b;
}

add(1, 2); // 正常优化
add(1, '2'); // Bailout，因为b的类型发生了变化

  • WebAssembly (Wasm) Integration: V8引擎也支持WebAssembly，Wasm是一种二进制指令格式，可以提供接近原生代码的性能。Tiered Compilation会与Wasm集成，共同优化Web应用的性能。

最后的最后

Tiered Compilation是一个非常复杂的技术，本文只是对其进行了一个简单的介绍。如果你想更深入地了解它，建议阅读V8引擎的官方文档和相关论文。希望今天的讲座对你有所帮助！ 谢谢大家！

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