从V8来谈谈JavaScript代码的执行

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原创最新推荐文章于 2026-03-21 00:40:06 发布 924 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

Node.js 中如何进行性能调优和内存分析 (如使用 V8 Inspector、heapdump)？各位观众老爷们，大家好！今天咱们不聊风花雪月，只谈谈Node.js的性能调优和内存分析，保证让你的Node.js应用跑得像脱缰的野马，而不是老牛拉破车。希望今天的讲座能帮助你更好地理解 Node.js 的性能瓶颈和内存问题，并掌握一些常用的工具和技巧来优化你的 Node.js 应用。通过分析 Heapdump，你可以找到哪些对象占用了大量的内存，以及这些对象是如何被引用的。在 Chrome 开发者工具的 Memory 面板中，点击 "Load" 按钮，加载你生成的 Heapdump 文件。阅读详情

我们知道，V8引擎是Google开发的开源JavaScript引擎，目前用在Chrome浏览器和Node.js中，核心功能是将JavaScript解析成机器能理解的机器码，供机器执行。

什么是V8

我们可以把V8看成一个虚拟机，其通过模拟实际计算机的各种功能来实现代码的执行，如模拟计算机的CPU，堆栈，寄存器等，此外，虚拟机还有自己的一套指令系统

有这样的虚拟机带来的好处是，只要我们按照虚拟机的规范去编写代码，那么即使我们在不同的操作系统，相同的代码执行出来的结果也能是相同的。可能Java虚拟机大家也都听过，听后端同学说面试的时候也常被问到，同样的也是通过将高级语言编译，只要在电脑上有Java虚拟机，我们就可以去编译执行Java语言，js也是同样的，但因为浏览器有自带的引擎来执行我们的代码，所以不像Java一样我们需要去安装，大家也就比较少感觉到它的存在了。

为什么要使用V8

知道了V8是什么之后，我们想想，为什么要使用V8，或者说为什么需要去解析我们写的代码

有计算机基础的同学应该知道，机器只能识别01的二进制代码，但是我们做为人，要我们去编写二进制代码来实现程序，显然是不太可能的，出于这个考虑，在一开始出现了汇编语言，相对于现在我们使用的高级语言诸如Java，C，JavaScript，python这些，汇编语言的编写还是相对麻烦的，但它还是需要解析执行，汇编语言都需要解析执行，何况高级语言呢。

V8是如何解析代码的

在谈到如何解析代码之前，我们要先知道两种主要的解析方式

主要的解析方式

动态解释执行

解释执行是解析方式的一种，需要先将输入的代码通过解析器编译成中间代码，然后通过解释器执行中间代码，然后直接输出结果。

使用解释执行的好处

维护更灵活，我们只要保留源代码，修改源代码，执行的时候交给虚拟机即可
只要存在解释器，源代码可以在任何操作系统上运行，可移植性好

静态编译执行

编译执行首先将源代码转换为中间代码，然后编译器再将中间代码转成机器代码。需要执行这段程序的时候，只要执行这段机器代码就可以了。通过这种方式，我们可以将虚拟机编译的机器代码直接存储起来，在需要的时候直接执行。

使用编译执行的好处

因为直接编译生成了机器代码，所以执行的时候更快
目标代码不需要编译器就能运行，在同类操作系统上使用灵活

这两种解析方式各有好处，虽然看上去过程很简单，但实际的解析，编译，解释还是很复杂的，每种语言的编译都会有所不同，会用到各自的虚拟机。

即便是一门语言，就如JavaScript，也有好几种流行的虚拟机，它们之间的实现也存在一定的差异，比如苹果公司在Safari中就是用JavaScriptCore虚拟机，Firefox使用了TraceMonkey虚拟机，而Chrome则使用了V8虚拟机。

那么回到我们的主题，V8是怎么解析代码的呢。是解释执行还是编译执行？都不是

V8并没有采用这两种方式中的一种，或者说，它结合了这两种方式。我们将这种混合使用解释执行和编译执行的方式称为JIT（Just In Time），实际上，JIT也有更细致的分类，但这里就不展开谈了。

看看V8执行JavaScript的完整流程
在这里插入图片描述

初始化运行环境

在V8开始解析代码之前，先要初始化运行JavaScript的环境，我们可以看到上面的图片左侧，列出了一些V8初始化环境时准备的东西：堆和栈空间、全局执行上下文、全局作用域、事件循环系统等，这些内容都是我们运行JavaScript时所必须的

堆栈是V8用来管理内存的管理模式
全局执行上下文中包含了全局执行的一些内置函数，全局变量等信息
全局作用域包含了一些全局变量
另外，要我们的V8系统活起来，还需要初始化消息循环系统，消息循环系统包含了消息驱动器和消息队列，它如同V8的心脏，不断接受消息并决策如何处理消息。

理解这里初始化的运行环境，可以让我们更好地理解JavaScript里面各种代码是如何被执行的

宿主环境

宿主环境是我们理解运行环境之前要理解的一个环境，对于V8来说，一般可以做为宿主环境的有浏览器环境和Node环境，之所以是宿主，可以理解为，JavaScript只能在宿主环境下才能被运行，同时，JavaScript会影响到“宿主”的状态。

举最经常发生的例子，当我们在浏览器中，JavaScript的代码运行的时间过长，就可能会影响到浏览器的渲染机制，有时甚至会导致浏览器未响应，这就是JavaScript对宿主环境的影响。

构造数据存储空间：堆栈空间

JavaScript运行在宿主环境上，V8会由这些宿主环境去启动，然后宿主环境就回去初始化V8，同时初始化堆栈空间。

其实很简单，我们要运行这门语言，当然要先为这门语言去构建它的存储空间，但问题是，为什么要用堆栈两种空间，两种空间各用来存储什么。这就涉及到了两种存储空间的利弊了。

栈

首先，我们说说栈。栈的特点是空间连续，且先进后出。至于它在JavaScript里的作用，可能你会经常听到函数调用栈这个名词，其实它在JavaScript中主要就是用来管理函数调用的，同时，和函数调用执行上下文相关的内容，如原始数据类型、用到的对象的地址、函数的执行状态、this的值都会存储在栈上。

而正因为栈的特点是空间连续，所以我们在初始化环境时，要在内存里面划分一块连续区域用于存储数据，但问题是，我们不能去划分一个过大的连续区域。先不说内存里面本身就很难得到一块大的连续区域，如果划分过大的栈空间用于存储的话，那对内存本身也是一种浪费，所以V8对栈空间大小做了限制，这也就是我们平时说的，栈空间溢出的原因。

堆

通过V8来对栈空间大小做出限制，解决了分配空间问题和内存浪费的问题，但是，如果我们遇到了比较大的数据的话，那分配空间又成了问题，因此V8引入了堆空间来存储较大的数据。

堆空间是一种树形的存储结构，用来存储对象类型的离散的数据，和栈空间不同，存放在堆空间中的数据是不要求连续存放的，从堆上分配内存块没有固定模式的。在JavaScript中，除了原始数据类型，其他的基本都是对象，上面也说了，栈空间里面会存储用到的对象的地址，而这个地址就指向了堆空间的某一个对象的地址。

堆栈空间创建完后，后面的数据就都会存储在这两个空间中了。

全局执行上下文和全局作用域

有了存储空间，V8就可以开始初始化全局执行上下文和全局作用域了。

当 V8开始执行一段可执行代码时，会生成一个执行上下文。V8用执行上下文来维护执行当前代码所需要的变量声明、this指向等。

当V8开始执行代码的时候，就会生成执行上下文，因为一开始都是先有的全局执行上下文，所以在这里初始化了全局执行上下文。全局执行上下文包括词法环境，变量环境和this关键字。

词法环境：包含了使用let、const等变量的内容
变量环境：在这里初始化的，包括创建全局中像浏览器的window对象，setTimeout,setInterval等API。
this关键字：指向当前的执行上下文

全局执行上下文在V8执行过程中是不会被销毁的，它会保存在堆中。

而执行上下文的区别，和全局作用域的区别，可能在ES6中，多了块级作用域后我们更能去区分，在一个执行上下文中，是可以有多个作用域的，就像下面在全局执行的代码

var g = 'global'
{
    let b = 'block'
}

这里全局执行上下文包括了两个作用域，一个是全局作用域，一个是块级作用域，但它们都是在全局执行上下文中的。

另一个区别，执行上下文是在我们调用函数时，动态创建的，除了全局执行上下文需要在我们初始化环境时就创建，而作用域是在我们解析JavaScript的时候，就确定下来的。

具体的作用域和执行上下文我们会在下面解析JavaScript的时候详谈，这里我们只是说说全局执行上下文和全局作用域。

构建事件循环系统

在构建完存储空间和执行上下文之后，因为V8是使用宿主环境的线程来运行JavaScript代码的，像在浏览器上就会去使用浏览器的主线程，但是如果我们执行完一段代码，就退出线程，那意味着下次再有代码要执行时，要重新初始化环境，这显然是不合理的。

所以V8为此构建了一个事件循环系统，在代码中添加一个循环语句，在循环语句中监听下个事件，比如你要执行另外一个语句，那么激活该循环就可以执行了

浏览器的主线程除了执行JavaScript之外，还要执行别的内容，所以V8实现了这个事件循环系统后，每当有新的任务，就会推到主线程的任务队列，当前面的任务执行完，就会执行这个推入的任务。

因此我们在写JavaScript时，要注意一个函数执行的时间不能过长，如果过长的话可能会阻塞其他事件的执行或者页面的交互性能。可以考虑放到web worker执行或者使用时间切片处理。

解析执行JavaScript代码

在谈及解析之前，我们要明白，我们写的代码，说到底只是一段字符串内容，要让一个引擎去对一段字符串内容进行识别解析执行，不太实际，所以我们需要先对它进行一定的解析，转换成另一种结构，然后根据这种结构来转化代码执行。

上面的图中我们也可以看到了，代码通过解析，生成了AST抽象语法树和作用域。AST便是V8易于转换执行的结构。

作用域

我们先看看这里解析生成的作用域，为什么要在这里解析作用域，在这里解析的作用域有什么用，对我们的代码有什么影响，理解了这些问题，会让你对JavaScript的作用域链有更深的理解

我们可以看看下面的这段代码

var name = '全局'
var scope = 'global'

function foo(){
        var name = 'foo'
        console.log(name)
        console.log(type)
}

function bar(){
        var name = 'bar'
        var type = 'function'
        foo()
}
bar()

这段代码最终会打印出什么呢，可以想一想，即使你知道正确答案，你又知道为什么吗，我们先继续聊聊刚才的问题

首先，作用域是什么，简单来说，作用域就是用来存储变量和函数的地方，而我们常见的，在ES6之前，有全局作用域和函数作用域，一开始我们在V8初始化环境的时候，就会创建全局作用域，而当我们运行某个函数，就会创建相应的函数作用域，而当出现函数作用域时，就会出现作用域链。

全局作用域和函数作用域

全局作用域：上面已经提到了，时在V8初始化环境的时候就会创建的，所以我们的代码可以去直接调用到全局的一些变量，比如浏览器中的window和document，再比如node中的Global，File等。此外，全局作用域在运行过程中不会被销毁，除非V8退出。

函数作用域：在函数执行的时候的编译阶段创建的，当函数执行完毕，就会退出当前的函数作用域，而且这个函数作用域也随着退出而被销毁。

作用域链

知道了全局作用域和函数作用域之后，我们就可以来理解作用域链了。上面提到了，当出现函数作用域时，就会出现作用域链，因为既然V8引擎已经启动了，说明全局作用域已经存在了，而函数要么是在全局作用域中声明，要么是在函数作用域中声明，所以至少会有两个作用域，也就形成了一个作用域链。

嗯？上面我说的是在执行的时候函数作用域会被创建，为什么这里我用了声明这个词呢，要知道执行所在的作用域和声明的作用域可能不在同一个地方，执行的时候创建函数作用域，那作用域链不是应该按执行的时候所在的作用域来构成吗？这种“理所当然”的理解正是很多人答错上面那段代码输出结果的原因。

那么正确答案是什么

首先要知道一个概念性的东西，作用域分两种，一种是词法作用域，一种是动态作用域，而JavaScript使用的是词法作用域。在《你不知道的JavaScript 上》里面有写到

简单地说，词法作用域就是定义在词法阶段的作用域。换句话说，词法作用域是由你在写代码时将变量和块作用域写在哪里来决定的，因此当词法分析器处理代码时会保持作用域不变（大部分情况下是这样的）

因此，上面得到的正确打印结果应该是
foo global
因为bar虽然是在foo函数里面被调用的，但它是在全局下声明的，所以它的作用域链是 global->bar而不是global->foo->bar。

因此，回到我们的问题，为什么要在解析的时候就把作用域创建好，我个人的理解是：因为大部分情况下，我们的函数作用域是由函数，或者是块级作用域，是由我们写的位置来决定的，所以我们在编译的时候就可以解析出相应的作用域链，在后面我们正式执行代码的时候，就可以直接使用这部分内容了，不用增加执行时的额外开销。这样也能加快我们代码的执行。

与执行上下文的关系

在上面谈到初始化环境时我们已经提到了，执行上下文是动态创建的，而作用域是在解析时静态确定的。对于函数调用栈来说，我们更应该看的时执行上下文。当我们在全局执行一个函数的时候，就会形成一个调用栈。虽然因为JavaScript使用的是词法作用域，所以在使用变量和调用方法时，会沿着作用域链去寻找相应的变量和方法，但是在内存中，调用栈的结构，栈里面的函数顺序，是由执行上下文来决定的，也就是看什么时候调用，越早调用的函数越早入栈，而栈底就是全局执行上下文。

AST

我们首先要看看AST是什么，可以通过这个网址https://astexplorer.net/来查看一些代码对应的AST结构

在这里插入图片描述

AST是一种树状的结构，如图我们也可以看到结构，我们在用babel来编译代码也是用到了AST

我们也可以通过一个npm包recast来更细致地学习AST

npm i recast -S

安装这个npm包之后可以根据里面的API来对AST树有细致的了解，因为这里主要讲的是V8，所以就不深入地去说AST了，我们现在只要知道在编译阶段V8会将其先编译为AST

解析成中间代码

那么根据图示
在这里插入图片描述
接下来我们要将AST解析成中间代码，但V8并不会一次性将所有的JavaScript解析为中间代码，这涉及到两个原因

首先，如果我们一次性解析所有的JavaScript，那么解析的时间无疑会受JavaScript代码大小的影响，如果JavaScript代码不多，那还好说，但是现如今的页面，一个页面就有好几个JavaScript文件，如果一次性都解析，那么毫无疑问，会让用户感到卡顿，这显然是不行的

其次，我们解析生成的字节码和编译之后的机器码都会存放在内存中，如果一次性解析所有的JavaScript，这些中间代码和机器码会一直存放在内存中，如果是在PC端还好，在移动端，手机本身内存就不多，内存占用的问题对用户的影响是很大的。

为了解决这些问题，所有主流的JavaScript虚拟机都实现了惰性解析。

惰性解析

所谓惰性解析，指的是解析器在解析过程中，如果遇到函数声明，那么会跳过函数内部的代码，不会为其生成AST和字节码，仅生成顶层代码的AST和字节码。

举个简单的例子

function fn(x,y){
    var z = 1000
    return x+y+z
}
var a = 1
var b = 10
fn(a,b)

当V8遇到这段代码的时候，V8会按代码的编写顺序，至上而下地去解析这段代码，在解析过程中，首先会遇到函数声明fn，那么按上面说的，会对函数声明做出惰性解析的处理，将函数变成一个对象，你可以理解为如下的对象

fn:{
    name:'fn',
    code:`
        function (x,y){
            var z = 1000
            return x+y+z
        }
    `
}

接着继续解析，由于后面都是顶层代码，所以V8会为它们生成AST，然后根据该AST生成中间代码，再至上而下执行代码，当执行到fn(a,b)时，就会去找到上面的那个对象，然后找到其code属性的字符串，使用原来的方式去解析这段字符串，同样编译生成AST和中间代码，然后再解释执行。通过这种方式，我们只有在真正执行到这个函数时，才会去解析这段函数，解析后再执行。

但是为了解决闭包问题，V8引用了预解析器，遇到函数声明时，除了生成转换对象外，还会进行简单的解析，判断内部是否有语法错误和是否有引用外部函数变量，如果引用了外部函数变量，则把这个函数变量复制到堆空间中。

字节码

字节码，就是上面图片中根据AST编译生成的中间代码。在V8中，字节码有两个作用，我们也从上面的图片中看到了

直接做为中间代码被解释器执行
由编译器将其转换为二进制机器码，再执行

然而，AST实际上也可以直接解析成二进制机器码，那你可能会有疑惑，为什么还要多一步中间的字节码，实际上，早期的V8并没有使用字节码，而是直接解析成二进制机器码

早期没用字节码的V8

早期的V8执行流程如下图
在这里插入图片描述
在早期的V8执行代码流程中，采用了两个编译器

基线编译器，它负责将JavaScript代码编译为没有优化过的机器代码。
优化编译器，它负责将一些热点代码（执行频繁的代码）优化为执行效率更高的机器代码。

在早期V8中，会先将JavaScript代码解析生成AST
然后将AST编译生成没有优化的二进制代码，并解释执行
在这个过程中，发现了执行频率比较高的代码，对它们做了标记，使用优化编译器将其编译成优化的二进制代码，执行该优化的代码
如果优化的代码不能满足现状，就通过反优化变回未优化二进制代码

早期的V8会将JavaScript编译成未经优化的二进制机器代码，然后再执行这些未优化的二进制代码，通常情况下，编译占用了很大一部分时间，为了减少编译的时间，早期的V8采用了机器代码缓存

这种方式其实就是我们算法上常说的空间换时间，因为空间常常比时间廉价。V8通过两种策略来实现机器代码缓存

首先，在首次执行JavaScript代码的时候，会编译生成二进制代码，然后将二进制代码缓存到内存中
除了缓存到内存外，V8还会将二进制代码缓存到硬盘上，这样即使我们关闭浏览器，重新打开的时候也能从硬盘上拿到缓存的代码来执行

这种直接编译成二进制代码的形式，其实比引入字节码性能更高，但是为什么后来的V8引入了字节码呢

拥抱字节码

上面提到了，早期的V8没有采用字节码，那是什么原因，让V8拥抱了字节码呢。

首先要回到上面的V8解决重复编译的问题，早期的V8采用了缓存策略来解决，但存在的问题是，JavaScript代码转换成二进制代码，占用的内存过大，看看下图
在这里插入图片描述
5k的JavaScript代码就会生成10M大小的二进制代码，那如果将多个JavaScript文件都编译为二进制代码存储在内存、硬盘中，那对内存来说可真是个噩梦。而引入字节码，就是为了解决这个策略对内存占用过多的问题，其实字节码能解决这个问题的原因也很简单，字节码占用内存少
在这里插入图片描述
如上图，虽然编译成字节码相比原JavaScript代码来说，大小还是多了几倍，但是相对于二进制代码来说，已经非常小了，是可以接受的内存占用。虽然采用字节码，会导致执行时性能略有降低，但是在代码的启动速度反而更快了，也就是说，采用字节码带来的代价，仅仅是减慢了执行时的一点时间而已。所以权衡利弊，V8最终拥抱了字节码。