精读《V8 引擎 Lazy Parsing》

1. 引言

本周精读的文章是 V8 引擎 Lazy Parsing，看看 V8 引擎为了优化性能，做了怎样的尝试吧！

这篇文章介绍的优化技术叫 preparser，是通过跳过不必要函数编译的方式优化性能。

2. 概述 & 精读

解析 Js 发生在网页运行的关键路径上，因此加速对 JS 的解析，就可以加速网页运行效率。

然而并不是所有 Js 都需要在初始化时就被执行，因此也不需要在初始化时就解析所有的 Js！因为编译 Js 会带来三个成本问题：

1. 编译不必要的代码会占用 CPU 资源。
2. 在 GC 前会占用不必要的内存空间。
3. 编译后的代码会缓存在磁盘，占用磁盘空间。

因此所有主流浏览器都实现了 Lazy Parsing（延迟解析），它会将不必要的函数进行预解析，也就是只解析出外部函数需要的内容，而全量解析在调用这个函数时才发生。

预解析的挑战

本来预解析也不难，因为只要判断一个函数是否会立即执行就可以了，只有立即执行的函数才需要被完全解析。

使得预解析变复杂的是变量分配问题。原文通过了堆栈调用的例子说明原因：

Js 代码的执行在堆栈上完成，比如下面这个函数：

function f(a, b) {
  const c = a + b;
  return c;
}

function g() {
  return f(1, 2);
  // The return instruction pointer of `f` now points here
  // (because when `f` `return`s, it returns here).
}

这段函数的调用堆栈如下：

首先是全局 This globalThis，然后执行到函数 f，再对 a b 进行赋值。在执行 f 函数时，通过 <rip g>(return instruction pointer) 保存 g 堆栈状态，再保存堆栈跳出后返回位置的指针 <save fp>(frame pointer)，最后对变量 c 赋值。

这看上去没有问题，只要将值存在堆栈就搞定了。但是将变量定义到函数内部就不一样了：

function make_f(d) {
  // ← declaration of `d`
  return function inner(a, b) {
    const c = a + b + d; // ← reference to `d`
    return c;
  };
}

const f = make_f(10);

function g() {
  return f(1, 2);
}

将变量 d 申明在函数 make_f 中，且在返回函数 inner 中用到了 d。那么函数的调用栈就变成了这样：

需要创建一个 context 存储函数 f 中变量 d 的值。

也就是说，如果一个在函数内部定义的变量被子 Scope 使用时，Js 引擎需要识别这种情况，并将这个变量值存储在 context 中。

所以对于函数定义的每一个入参，我们需要知道其是否会被子函数引用。也就是说，在 preparser 阶段，我们只要少能分析出哪些变量被内部函数引用了。

难以分辨的引用

预处理器中跟踪变量的申明与引用很复杂，因为 Js 的语法导致了无法从部分表达式推断含义，比如下面的函数：

function f(d) {
  function g() {
    const a = ({ d }

我们不清楚第三行的 d 到底是不是指代第一行的 d。它可能是：

function f(d) {
  function g() {
    const a = ({ d } = { d: 42 });
    return a;
  }
  return g;
}

也可能只是一个自定义函数参数，与上面的 d 无关：

function f(d) {
  function g() {
    const a = ({ d }) => d;
    return a;
  }

  return [d, g];
}

惰性 parse

在执行函数时，只会将最外层执行的函数完全编译并生成 AST，而对内部模块只进行 preparser。

// This is the top-level scope.
function outer() {
  // preparsed
  function inner() {
    // preparsed
  }
}

outer(); // Fully parses and compiles `outer`, but not `inner`.

为了允许惰性编译函数，上下文指针指向了 ScopeInfo 的对象（从代码中可以看到，ScopeInfo 包含上下文信息，比如当前上下文是否有函数名，是否在一个函数内等等），当编译内部函数时，可以利用 ScopeInfo 继续编译子函数。

但是为了判断惰性编译函数自身是否需要一个上下文，我们需要再次解析内部的函数：比如我们需要知道某个子函数是否对外层函数定义的变量有所引用。

这样就会产生递归遍历：

由于代码总会包含一些嵌套，而编译工具更会产生 IIFE(立即调用函数) 这种多层嵌套的表达式，使得递归性能比较差。

而下面有一种办法可以将时间复杂度简化为线性：将变量分配的位置序列化为一个密集的数组，当惰性解析函数时，变量会按照原先的顺序重新创建，这样就不需要因为子函数可能引用外层定义变量的原因，对所有子函数进行递归惰性解析了。

按照这种方式优化后的时间复杂度是线性的：

针对模块化打包的优化

由于现代代码几乎都是模块化编写的，构建起在打包时会将模块化代码封装在 IIFE（立即调用的闭包）中，以保证模拟模块化环境运行。比如 (function(){....})()。

这些代码看似在函数中应该惰性编译，但其实这些模块化代码从一开始就要被编译，否则反而会影响性能，因此 V8 有两种机制识别这些可能被立即调用的函数：

1. 如果函数是带括号的，比如 (function(){...})，就假设它会被立即调用。
2. 从 V8 v5.7 / Chrome 57 开始，还会识别 uglifyJS 的 !function(){...}(), function(){...}(), function(){...}() 这种模式。

然而在浏览器引擎解析环境比较复杂，很难对函数进行完整字符串匹配，因此只能对函数头进行简单判断。所以对于下面这种匿名函数的行为，浏览器是不识别的：

// pre-parser
function run(func) {
  func()
}

run(function(){}) // 在这执行它，进行 full parser

上面的代码看上去没毛病，但由于浏览器只检测被括号括住的函数，因此这个函数不被认为是立即执行函数，因此在后续执行时会被重复 full-parse。

也有一些代码辅助转换工具帮助 V8 正确识别，比如 optimize-js，会将代码做如下转换。

转换前：

!function (){}()
function runIt(fun){ fun() }
runIt(function (){})

转换后：

!(function (){})()
function runIt(fun){ fun() }
runIt((function (){}))

然而在 V8 v7.5+ 已经很大程度解决了这个问题，因此现在其实不需要使用 optimize-js 这种库了～

4. 总结

JS 解析引擎在性能优化做了不少工作，但同时也要应对代码编译器产生的特殊 IIFE 闭包，防止对这种立即执行闭包进行重复 parser。

最后，不要试图总是将函数用括号括起来，因为这样会导致惰性编译的特性无法启用。

讨论地址是：精读《V8 引擎 Lazy Parsing》 · Issue #148 · dt-fe/weekly

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