V8 JavaScript 引擎：高性能的 ES2015+

本文转载自：众成翻译
译者：smartsrh
链接：http://www.zcfy.cc/article/2978
原文：https://v8project.blogspot.sg/2017/02/high-performance-es2015-and-beyond.html

在过去的几个月中，V8 团队一直努力让新增的 ES2015 和其它更前沿的 JavaScript 功能的性能达到等效的 ES5的水平。

动机

在我们详细介绍各种改进之前，我们首先应该考虑为什么 ES2015+ 功能的性能很重要，尽管 Babel 在现代 Web 开发中得到广泛的应用：

1. 首先，有的 ES2015 功能是按需解析成 ES5 的，例如内置的 Object.assign 。 当 Babel 编译对象扩展语法（应用在大量 React 和 Redux 程序）并且编译器也支持这个语法时，Babel 会使用 Object.assign 而弃用等效的 ES5 代码。
2. 将 ES2015 功能解析成 ES5 通常会增加大量代码，加剧了当前的 Web 性能危机，尤其不利于新兴市场上常见的千元机。因此，即使在考虑实际执行成本之前，传输、解析和编译代码的成本就相当高。
3. 最后，客户端JavaScript只是依赖于V8引擎的环境之一。 还有用于服务器端应用程序和工具的 Node.js，开发人员不需要将代码解析成 ES5，可以直接使用目标 Node.js 版本中相关 V8 版本支持的功能。

让我们考虑以下节选自 Redux 文档中的代码段：

function todoApp(state = initialState, action) {
  switch (action.type) {
    case SET_VISIBILITY_FILTER:
      return { ...state, visibilityFilter: action.filter }
    default:
      return state
  }
}

该代码中有两处需要解析成 ES5：state 的默认参数和 state 的扩展对象语法。Babel 生成以下 ES5 代码：

"use strict";

var _extends = Object.assign || function (target) { for (var i = 1; i < arguments.length; i++) { var source = arguments[i]; for (var key in source) { if (Object.prototype.hasOwnProperty.call(source, key)) { target[key] = source[key]; } } } return target; };

function todoApp() {
  var state = arguments.length > 0 && arguments[0] !== undefined ? arguments[0] : initialState;
  var action = arguments[1];

  switch (action.type) {
    case SET_VISIBILITY_FILTER:
      return _extends({}, state, { visibilityFilter: action.filter });
    default:
      return state;
  }
}

现在假如 Object.assign比 Babel 生成的 polyfilled_extends 要慢好几个数量级。在这种情况下，从不支持 Object.assign 的浏览器升级到支持 ES2015 的浏览器版本将大幅降低性能，可能会阻碍 ES2015 的普及。

此示例还体现了解析成 ES5 的另一个重要缺点：发送给用户的代码通常远大于开发人员最初编写的 ES2015+ 代码。在上面的示例中，原始代码是 203 字符（gzip 压缩后 176 字节），而生成的代码是 588 字符（gzip 压缩后 367 字节）。体积增长了两倍。 我们来看看 Async Iterators for JavaScript 的另一个例子：

async function* readLines(path) {
  let file = await fileOpen(path);

  try {
    while (!file.EOF) {
      yield await file.readLine();
    }
  } finally {
    await file.close();
  }
}

Babel 将以上 187 字符（gzip 压缩后 150 字节）解析成 2987 字符的 ES5 代码（gzip 压缩后 971 字节），这里还没考虑所需依赖的 regenerator runtime ：

"use strict";

var _asyncGenerator = function () { function AwaitValue(value) { this.value = value; } function AsyncGenerator(gen) { var front, back; function send(key, arg) { return new Promise(function (resolve, reject) { var request = { key: key, arg: arg, resolve: resolve, reject: reject, next: null }; if (back) { back = back.next = request; } else { front = back = request; resume(key, arg); } }); } function resume(key, arg) { try { var result = gen[key](arg); var value = result.value; if (value instanceof AwaitValue) { Promise.resolve(value.value).then(function (arg) { resume("next", arg); }, function (arg) { resume("throw", arg); }); } else { settle(result.done ? "return" : "normal", result.value); } } catch (err) { settle("throw", err); } } function settle(type, value) { switch (type) { case "return": front.resolve({ value: value, done: true }); break; case "throw": front.reject(value); break; default: front.resolve({ value: value, done: false }); break; } front = front.next; if (front) { resume(front.key, front.arg); } else { back = null; } } this._invoke = send; if (typeof gen.return !== "function") { this.return = undefined; } } if (typeof Symbol === "function" && Symbol.asyncIterator) { AsyncGenerator.prototype[Symbol.asyncIterator] = function () { return this; }; } AsyncGenerator.prototype.next = function (arg) { return this._invoke("next", arg); }; AsyncGenerator.prototype.throw = function (arg) { return this._invoke("throw", arg); }; AsyncGenerator.prototype.return = function (arg) { return this._invoke("return", arg); }; return { wrap: function wrap(fn) { return function () { return new AsyncGenerator(fn.apply(this, arguments)); }; }, await: function await(value) { return new AwaitValue(value); } }; }();

var readLines = function () {
  var _ref = _asyncGenerator.wrap(regeneratorRuntime.mark(function _callee(path) {
    var file;
    return regeneratorRuntime.wrap(function _callee$(_context) {
      while (1) {
        switch (_context.prev = _context.next) {
          case 0:
            _context.next = 2;
            return _asyncGenerator.await(fileOpen(path));

          case 2:
            file = _context.sent;
            _context.prev = 3;

          case 4:
            if (file.EOF) {
              _context.next = 11;
              break;
            }

            _context.next = 7;
            return _asyncGenerator.await(file.readLine());

          case 7:
            _context.next = 9;
            return _context.sent;

          case 9:
            _context.next = 4;
            break;

          case 11:
            _context.prev = 11;
            _context.next = 14;
            return _asyncGenerator.await(file.close());

          case 14:
            return _context.finish(11);

          case 15:
          case "end":
            return _context.stop();
        }
      }
    }, _callee, this, [[3,, 11, 15]]);
  }));

  return function readLines(_x) {
    return _ref.apply(this, arguments);
  };
}();

代码体积增加了 650％（_asyncGenerator 函数是可复用的，具体取决于捆绑代码的方式，因此可以在多个异步迭代器使用中减小一些代码的体积）。我们不认为将代码解析成 ES5 可以解决所有问题，因为代码体积的增加不仅会影响下载时间/成本，还会增加解析和编译的额外开销。如果我们真的想大幅度地改善现代 Web 应用程序的页面加载和缓存（特别是在移动设备上）的效率，我们必须鼓励开发人员在编写代码时不仅使用 ES2015+，并且不需解析成 ES5 就直接发送给客户端，只向不支持 ES2015 的传统浏览器提供完全解析的代码。对于编译器的作者而言，这一想法意味着我们需要直接支持 ES2015+ 功能，并提供合理的性能。

测试方法

如上所述，ES2015+ 功能的绝对性能并不是主要矛盾。相反，目前应优先确保 ES2015+ 功能的性能与等效的原生 ES5 代码相当，更重要的是和 Babel 生成的代码性能相当。Kevin Decker 有一个项目叫 six-speed，它或多或少可以满足我们的需求：ES2015 功能与等效的原生 ES5 代码与解析后产生的 ES5 代码之间的性能比较。

所以我们决定用它作为我们开始 ES2015+ 性能工作的基础。我们拷贝了该项目并添加了一些测试。 我们首先关注性能最差的部分，比如说列表项，原生的 ES5 比 ES2015+ 版本效率高 2 倍，因为我们的基本假设是原生的 ES5 版本至少与 Babel 的版本一样快。

一个为现代语言而生的现代架构

过去，V8 很难改善 ES2015+ 功能的优化，例如，给 Crankshaft —— V8 的经典优化编译器—— 添加异常处理（比如 try/catch/finally）是不可行的。 这意味着 V8 优化 ES6 功能像 for...of 之类的的能力是有限的，因为它本质上是一个隐含的 finally 子句。Crankshaft 的局限性以及将全新的语言功能添加到全代码（V8 的基准编译器）中的整体复杂性，使得 V8 难添加和优化刚刚标准化的新 ES 功能。

幸运的是，V8 的新的解释器 Ignition 和编译器管道 TurboFan 从一开始就着手支持整个 JavaScript 语言，包括高级控制流程，异常处理以及 ES2015 的最新版本和解构赋值。Ignition 和 TurboFan 架构的紧密结合可以快速添加新功能并逐步进行优化。

对于许多现代的 ES 功能和改进只有在新的 Ignition 和 TurboFan 下才可行。 Ignition 和 TurboFan 对于优化生成器和 async 尤其重要。生成器早已得到 V8 的支持，但由于 Crankshaft 控制流的限制而不能进一步得到优化。async 基本上是生成器的语法糖，因此属于同一类别。新的编译器管道利用 Ignition 来实现 AST，并生成可以转换生成器控制流到简单的本地控制流的字节码。TurboFan 可以更容易地优化所得到的字节码，因为它不需要知道关于生成器控制流的任何具体内容，只是如何保存和恢复函数的 yield 状态。

小组的状况

我们的短期目标是让效率差距尽快缩减到 2 倍以内。我们首先改进测试成绩最差的功能，从 Chrome M54 到 Chrome M58（Canary），我们已经成功将测试速度降了一倍，从 16 降至 8 ，同时 M54 中最差的 19 倍在 M58（Canary）减少到了只有 6 倍。与此同时，我们也大大减少了效率差距的平均和中位数：

可以看到 ES2015+ 和 ES5 正在接近的趋势。我们把平均性能提高到了 ES5 的 47％ 以上。 以下是自 M54 以来我们做的一些亮点。

最值得注意的是，我们改进了基于迭代的新语言结构的性能，如扩展运算符，解构赋值和 for...of 循环。例如，使用数组解构赋值

function fn() {
  var [c] = data;
  return c;
}

和原生的 ES5 赋值语句效率相当

function fn() {
  var c = data[0];
  return c;
}

比 babel 生成的代码快多了：

"use strict";

var _slicedToArray = function () { function sliceIterator(arr, i) { var _arr = []; var _n = true; var _d = false; var _e = undefined; try { for (var _i = arr[Symbol.iterator](), _s; !(_n = (_s = _i.next()).done); _n = true) { _arr.push(_s.value); if (i && _arr.length === i) break; } } catch (err) { _d = true; _e = err; } finally { try { if (!_n && _i["return"]) _i["return"](); } finally { if (_d) throw _e; } } return _arr; } return function (arr, i) { if (Array.isArray(arr)) { return arr; } else if (Symbol.iterator in Object(arr)) { return sliceIterator(arr, i); } else { throw new TypeError("Invalid attempt to destructure non-iterable instance"); } }; }();

function fn() {
  var _data = data,
      _data2 = _slicedToArray(_data, 1),
      c = _data2[0];

  return c;
}

想了解更多详细信息可以在上次慕尼黑 NodeJS 用户组会议上查看我们提供的高效 ES2015 演讲：

<iframe width="640" height="360" src="https://www.youtube.com/embed... frameborder="0" allowfullscreen></iframe>

我们致力于继续提高 ES2015+ 的性能。如果对这些细节感兴趣，请查看 V8 的 ES2015 及其未来的性能计划。