V8 中的 JavaScript 效能提示

Chris Wilson
Chris Wilson
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簡介

Daniel Clifford 在 Google I/O 大會上發表精彩演講，分享提升 V8 中 JavaScript 效能的訣竅。Daniel 鼓勵我們「要求更快」- 仔細分析 C++ 和 JavaScript 之間的效能差異，並在編寫程式碼時留意 JavaScript 的運作方式。本文摘要列出 Daniel 演講的重點，我們也會隨著成效指南的變動更新這篇文章。

最重要的建議

提供任何成效建議時，請務必考量相關背景。效能建議很容易上癮，有時先專注於深入的建議，可能會讓人忽略實際問題。您必須全面掌握網頁應用程式的效能，接著在學習這些效能提示前，建議您先使用 PageSpeed 等工具分析程式碼，以達到分數。這有助於避免過早最佳化。

如要讓網頁應用程式獲得良好的效能，建議您採取以下做法：

  • 在發生 (或發現) 問題之前做好準備
  • 接著，找出並瞭解問題的癥結
  • 最後，修正重要問題

為了完成這些步驟，您必須瞭解 V8 如何最佳化 JavaScript，這樣才能在編寫程式碼時考量 JavaScript 執行階段設計。也請務必瞭解可用工具，以及這些工具可提供哪些協助。Daniel 在演講中進一步說明如何使用開發人員工具；本文件僅擷取 V8 引擎設計中最重要的幾個要點。

接下來，我們來看看 V8 的提示！

隱藏的課程

JavaScript 的編譯時間型別資訊有限：型別可以在執行階段變更，因此在編譯期間推論 JS 型別的成本自然很高。這可能讓您質疑 JavaScript 效能如何能達到與 C++ 相近的程度。不過，V8 在執行階段為物件在內部建立隱藏類型，因此具有相同隱藏類別的物件可以使用相同的最佳化產生程式碼。

例如：

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

var p1 = new Point(11, 22);
var p2 = new Point(33, 44);
// At this point, p1 and p2 have a shared hidden class
p2.z = 55;
// warning! p1 and p2 now have different hidden classes!```

在物件例項 p2 新增額外成員「.z」之前，p1 和 p2 在內部都具有相同的隱藏類別，因此 V8 可以為操控 p1 或 p2 的 JavaScript 程式碼產生單一版本的最佳化組合。您越能避免隱藏類別產生差異，成效就越好。

因此

  • 初始化建構函式函式中的所有物件成員 (因此執行個體之後不會變更類型)
  • 一律按照相同順序初始化物件成員

Numbers

V8 會使用標記，在類型變動時有效率地表示值。V8 會根據您用來處理的數字類型的值推斷值。一旦 V8 做出這項推論，就會使用標記來有效代表值，因為這些類型可能會動態變更。不過，更改這些類型代碼有時會產生成本，因此建議您一律使用數值類型，並在適當情況下使用 31 位元帶符號整數。

例如：

var i = 42;  // this is a 31-bit signed integer
var j = 4.2;  // this is a double-precision floating point number```

因此

  • 請盡量使用可用 31 位元帶號整數表示的數字值。

陣列

為了處理大型和稀疏陣列，內部有兩種陣列儲存空間：

  • Fast Elements：用於緊湊鍵組的線性儲存空間
  • 字典元素：若無雜湊資料表儲存空間

最好不要讓陣列儲存空間從一種型別切換為另一種型別。

因此

  • 使用從 0 開始的連續索引鍵建立陣列
  • 請勿預先將大型陣列 (例如 > 64K 個元素) 預留至最大大小，而是隨著使用量增加
  • 請勿刪除陣列中的元素，尤其是數值陣列
  • 不要載入未初始化或刪除的元素：
for (var b = 0; b < 10; b++) {
  a[0] |= b;  // Oh no!
}
//vs.
a = new Array();
a[0] = 0;
for (var b = 0; b < 10; b++) {
  a[0] |= b;  // Much better! 2x faster.
}

此外，雙精度陣列的速度更快 - 陣列的隱藏類別會追蹤元素類型，而只包含雙精度的陣列會解除包裝 (導致隱藏類別變更)。不過，如果不小心操作陣列，可能會因包裝和解除包裝而造成額外工作，例如

var a = new Array();
a[0] = 77;   // Allocates
a[1] = 88;
a[2] = 0.5;   // Allocates, converts
a[3] = true; // Allocates, converts```

效率低於：

var a = [77, 88, 0.5, true];

因為在第一個範例中，個別指派會依序執行，而 a[2] 的指派會導致陣列轉換為未包裝的雙精度陣列，但 a[3] 的指派會導致陣列重新轉換為可包含任何值 (數字或物件) 的陣列。在第二種情況中，編譯器會知道文字值中所有元素的類型，因此可以事先判斷隱藏的類別。

  • 針對小型固定大小陣列，使用陣列常值進行初始化
  • 預先分配小型陣列 (小於 64k) 的正確大小，再使用這些陣列
  • 請勿在數值陣列中儲存非數值 (物件)
  • 如果您在沒有字面值的情況下進行初始化，請小心不要導致小型陣列重新轉換。

JavaScript 編譯

雖然 JavaScript 是相當動態的語言，而且最初的實作方式是使用解譯器，但現代的 JavaScript 執行階段引擎會使用編譯。V8 (Chrome 的 JavaScript) 有兩個不同的 Just-In-Time (JIT) 編譯器，事實上：

  • 「Full」編譯器，可為任何 JavaScript 產生良好的程式碼
  • 最佳化編譯器，可為大多數 JavaScript 產生優質程式碼，但編譯時間較長。

完整編譯器

在 V8 中，完整編譯器會在所有程式碼上執行，並盡快開始執行程式碼，快速產生良好但非最佳的程式碼。這個編譯器在編譯時幾乎不會假設任何類型，而是預期變數類型可以在執行階段變更，且會變更。完整編譯器產生的程式碼會使用內嵌快取 (IC)，在程式執行期間精進類型相關知識，隨時提高效率。

內嵌快取的目標是藉由快取與作業類型相依的程式碼，以有效率的方式處理類型；程式碼執行時，會先驗證型別假設，然後使用內嵌快取來快速執行該作業。不過，這也代表接受多種類型的作業效能會降低。

因此

  • 比起多型態運算，更建議使用單體式運算

如果輸入內容的隱藏類別一律相同，作業就會是單形態的，否則就是多形態的，也就是說，在對作業進行不同呼叫時，部分引數可能會變更類型。舉例來說，這個範例中的第二個 add() 呼叫會導致多態性：

function add(x, y) {
  return x + y;
}

add(1, 2);      // + in add is monomorphic
add("a", "b");  // + in add becomes polymorphic```

最佳化編譯器

與完整編譯器並行，V8 會使用最佳化編譯器重新編譯「熱門」函式 (也就是執行多次的函式)。這個編譯器會使用類型意見回饋，加快編譯代碼的速度。事實上，它會使用我們剛才討論的 IC 類型！

在最佳化編譯器中，系統會將作業推測內嵌 (直接放置在呼叫作業的位置)。這麼做雖然會增加記憶體占用空間，但也能加快執行速度，並啟用其他最佳化功能。單型函式和建構函式可以完全內嵌 (這也是為什麼單型式函式在 V8 中是很好的主角)。

您可以使用 V8 引擎的獨立「d8」版本，記錄要進行最佳化的項目：

d8 --trace-opt primes.js

(此動作會記錄最佳化函式的名稱至 stdout)。

不過，並非所有函式都能進行最佳化，因為某些功能會防止最佳化編譯器在特定函式上執行 (稱為「退出」)。特別是，目前最佳化編譯器會在含有 try {} catch {} 區塊的函式中退出！

因此

  • 如果您有 try {} catch {} 區塊，請將效能敏感的程式碼放入巢狀函式中： ```js function perf_sensitive() { // 在此處執行效能敏感的工作 }

try { perf_sensitive() } catch (e) { // 在此處處理例外狀況 } ```

由於我們會在最佳化編譯器中啟用 try/catch 區塊，因此這項指南日後可能會有所變動。您可以使用上述 d8 的「--trace-opt」選項，查看最佳化編譯器如何退出函式，這可提供有關退出函式的更多資訊：

d8 --trace-opt primes.js

反最佳化

最後，這個編譯器執行的最佳化作業屬於推測性質，有時這個效能無法達到預期效果，系統會停止執行。「deoptimization」程序會捨棄最佳化程式碼，並在「完整」編譯器程式碼中重新執行。系統可能會在稍後再次啟動重新最佳化，但短期內執行速度會變慢。請特別注意，在函式最佳化後導致隱藏變數類別發生變更時，系統會進行去最佳化調整。

因此

  • 避免在函式最佳化後，隱藏類別變更

如同其他最佳化方式，您可以使用記錄標記，取得 V8 必須透過 deoptimize 的函式記錄：

d8 --trace-deopt primes.js

其他 V8 工具

順帶一提，您也可以在啟動時將 V8 追蹤選項傳遞至 Chrome：

"/Applications/Google Chrome.app/Contents/MacOS/Google Chrome" --js-flags="--trace-opt --trace-deopt"```

除了使用開發人員工具剖析外，您也可以使用 d8 進行剖析：

% out/ia32.release/d8 primes.js --prof

這項功能會使用內建的取樣分析工具，該工具會每毫秒取樣一次並寫入 v8.log。

摘要

請務必瞭解 V8 引擎如何與程式碼搭配運作，以便準備建構效能良好的 JavaScript。再次重申，基本建議如下：

  • 在發生 (或發現) 問題之前做好準備
  • 接著，找出並瞭解問題的癥結
  • 最後，修正重要問題

也就是說，您必須先使用 PageSpeed 等其他工具，確認問題出在 JavaScript 中，然後可能先減少純 JavaScript (不含 DOM)，再收集指標，然後使用這些指標找出瓶頸，並排除重要的瓶頸。希望 Daniel 的演講 (以及本文) 能讓您更瞭解 V8 如何執行 JavaScript，但也請務必著重於改善自己的演算法！

參考資料