JS引擎深入分析

转载自阮一峰：http://javascript.ruanyifeng.com/bom/engine.html

1.JavaScript代码嵌入网页的方法

JavaScript代码只有嵌入网页，才能在用户浏览网页时运行。

网页中嵌入JavaScript代码，主要有四种方法。

<script>标签：代码嵌入网页
<script>标签：加载外部脚本
事件属性：代码写入HTML元素的事件处理属性，比如onclick或者onmouseover
URL协议：URL支持以javascript:协议的方式，执行JavaScript代码

后两种方法用得很少，常用的是前两种方法。由于内容（HTML代码）和行为代码（JavaScript）应该分离，所以第一种方法应当谨慎使用。

1.1 script标签：代码嵌入网页

通过<script>标签，可以直接将JavaScript代码嵌入网页。

<script>

  console.log('Hello World');

</script>

<script>标签有一个type属性，用来指定脚本类型。对JavaScript脚本来说，type属性可以设为两种值。

text/javascript：这是默认值，也是历史上一贯设定的值。如果你省略type属性，默认就是这个值。对于老式浏览器，设为这个值比较好。
application/javascript：对于较新的浏览器，建议设为这个值。

<script type="application/javascript">

  console.log('Hello World');

</script>

由于<script>标签默认就是JavaScript代码。所以，嵌入JavaScript脚本时，type属性也可以省略。

如果type属性的值，浏览器不认识，那么它不会执行其中的代码。利用这一点，可以在<script>标签之中嵌入任意的文本内容，然后加上一个浏览器不认识的type属性即可。

<script id="mydata" type="x-custom-data">

  console.log('Hello World');

</script>

上面的代码，浏览器不会执行，也不会显示它的内容，因为不认识它的type属性。但是，这个<script>节点依然存在于DOM之中，可以使用<script>节点的text属性读出它的内容。

document.getElementById('mydata').text

// "

//   console.log('Hello World');

// "

1.2 script标签：加载外部脚本

<script>标签也可以指定加载外部的脚本文件。

<script src="example.js"></script>

如果脚本文件使用了非英语字符，还应该注明编码。

<script charset="utf-8" src="example.js"></script>

所加载的脚本必须是纯的 JavaScript 代码，不能有HTML代码和<script>标签。

加载外部脚本和直接添加代码块，这两种方法不能混用。下面代码的console.log语句直接被忽略。

<script charset="utf-8" src="example.js">

  console.log('Hello World!');

</script>

为了防止攻击者篡改外部脚本，script标签允许设置一个integrity属性，写入该外部脚本的Hash签名，用来验证脚本的一致性。

<script src="/assets/application.js"

  integrity="sha256-TvVUHzSfftWg1rcfL6TIJ0XKEGrgLyEq6lEpcmrG9qs=">

</script>

上面代码中，script标签有一个integrity属性，指定了外部脚本/assets/application.js的 SHA256 签名。一旦有人改了这个脚本，导致 SHA256 签名不匹配，浏览器就会拒绝加载。

1.3 事件属性

某些HTML元素的事件属性（比如onclick和onmouseover），可以写入JavaScript代码。当指定事件发生时，就会调用这些代码。

<div onclick="alert('Hello')"></div>

上面的事件属性代码只有一个语句。如果有多个语句，用分号分隔即可。

1.4 URL协议

URL支持javascript:协议，调用这个URL时，就会执行JavaScript代码。

<a href="javascript:alert('Hello')"></a>

浏览器的地址栏也可以执行javascipt:协议。将javascript:alert('Hello')放入地址栏，按回车键，就会跳出提示框。

如果JavaScript代码返回一个字符串，浏览器就会新建一个文档，展示这个字符串的内容，原有文档的内容都会消失。

<a href="javascript:new Date().toLocaleTimeString();">

  What time is it?

</a>

上面代码中，用户点击链接以后，会打开一个新文档，里面有当前时间。

如果返回的不是字符串，那么浏览器不会新建文档，也不会跳转。

<a href="javascript:console.log(new Date().toLocaleTimeString())">

What time is it?

</a>

上面代码中，用户点击链接后，网页不会跳转，只会在控制台显示当前时间。

javascript:协议的常见用途是书签脚本Bookmarklet。由于浏览器的书签保存的是一个网址，所以javascript:网址也可以保存在里面，用户选择这个书签的时候，就会在当前页面执行这个脚本。为了防止书签替换掉当前文档，可以在脚本最后返回void 0。

2.script标签

2.1 工作原理

浏览器加载JavaScript脚本，主要通过<script>标签完成。正常的网页加载流程是这样的。

浏览器一边下载HTML网页，一边开始解析
解析过程中，发现<script>标签
暂停解析，网页渲染的控制权转交给JavaScript引擎
如果<script>标签引用了外部脚本，就下载该脚本，否则就直接执行
执行完毕，控制权交还渲染引擎，恢复往下解析HTML网页

加载外部脚本时，浏览器会暂停页面渲染，等待脚本下载并执行完成后，再继续渲染。原因是JavaScript可以修改DOM（比如使用document.write方法），所以必须把控制权让给它，否则会导致复杂的线程竞赛的问题。

如果外部脚本加载时间很长（比如一直无法完成下载），就会造成网页长时间失去响应，浏览器就会呈现“假死”状态，这被称为“阻塞效应”。

为了避免这种情况，较好的做法是将<script>标签都放在页面底部，而不是头部。这样即使遇到脚本失去响应，网页主体的渲染也已经完成了，用户至少可以看到内容，而不是面对一张空白的页面。

如果某些脚本代码非常重要，一定要放在页面头部的话，最好直接将代码嵌入页面，而不是连接外部脚本文件，这样能缩短加载时间。

将脚本文件都放在网页尾部加载，还有一个好处。在DOM结构生成之前就调用DOM，JavaScript会报错，如果脚本都在网页尾部加载，就不存在这个问题，因为这时DOM肯定已经生成了。

<head>

  <script>

    console.log(document.body.innerHTML);

  </script>

</head>

<body>

</body>

上面代码执行时会报错，因为此时document.body元素还未生成。

一种解决方法是设定DOMContentLoaded事件的回调函数。

<head>

  <script>

    document.addEventListener(

      'DOMContentLoaded',

      function (event) {

        console.log(document.body.innerHTML);

      }

    );

  </script>

</head>

另一种解决方法是，使用<script>标签的onload属性。当<script>标签指定的外部脚本文件下载和解析完成，会触发一个load事件，可以把所需执行的代码，放在这个事件的回调函数里面。

<script src="jquery.min.js" onload="console.log(document.body.innerHTML)">

</script>

但是，如果将脚本放在页面底部，就可以完全按照正常的方式写，上面两种方式都不需要。

<body>

  <!-- 其他代码  -->

  <script>

    console.log(document.body.innerHTML);

  </script>

</body>

如果有多个script标签，比如下面这样。

<script src="a.js"></script>

<script src="b.js"></script>

浏览器会同时并行下载a.js和b.js，但是，执行时会保证先执行a.js，然后再执行b.js，即使后者先下载完成，也是如此。也就是说，脚本的执行顺序由它们在页面中的出现顺序决定，这是为了保证脚本之间的依赖关系不受到破坏。当然，加载这两个脚本都会产生“阻塞效应”，必须等到它们都加载完成，浏览器才会继续页面渲染。

Gecko和Webkit引擎在网页被阻塞后，会生成第二个线程解析文档，下载外部资源，但是不会修改DOM，网页还是处于阻塞状态。

解析和执行CSS，也会产生阻塞。Firefox会等到脚本前面的所有样式表，都下载并解析完，再执行脚本；Webkit则是一旦发现脚本引用了样式，就会暂停执行脚本，等到样式表下载并解析完，再恢复执行。

此外，对于来自同一个域名的资源，比如脚本文件、样式表文件、图片文件等，浏览器一般最多同时下载六个（IE11允许同时下载13个）。如果是来自不同域名的资源，就没有这个限制。所以，通常把静态文件放在不同的域名之下，以加快下载速度。

2.2 defer属性

为了解决脚本文件下载阻塞网页渲染的问题，一个方法是加入defer属性。

<script src="a.js" defer></script>

<script src="b.js" defer></script>

上面代码中，只有等到DOM加载完成后，才会执行a.js和b.js。

defer的运行流程如下。

浏览器开始解析HTML网页
解析过程中，发现带有defer属性的script标签
浏览器继续往下解析HTML网页，同时并行下载script标签中的外部脚本
浏览器完成解析HTML网页，此时再执行下载的脚本

有了defer属性，浏览器下载脚本文件的时候，不会阻塞页面渲染。下载的脚本文件在DOMContentLoaded事件触发前执行（即刚刚读取完</html>标签），而且可以保证执行顺序就是它们在页面上出现的顺序。

对于内置而不是加载外部脚本的script标签，以及动态生成的script标签，defer属性不起作用。另外，使用defer加载的外部脚本不应该使用document.write方法。

2.3 async属性

解决“阻塞效应”的另一个方法是加入async属性。

<script src="a.js" async></script>

<script src="b.js" async></script>

async属性的作用是，使用另一个进程下载脚本，下载时不会阻塞渲染。

浏览器开始解析HTML网页
解析过程中，发现带有async属性的script标签
浏览器继续往下解析HTML网页，同时并行下载script标签中的外部脚本
脚本下载完成，浏览器暂停解析HTML网页，开始执行下载的脚本

脚本执行完毕，浏览器恢复解析HTML网页

async属性可以保证脚本下载的同时，浏览器继续渲染。需要注意的是，一旦采用这个属性，就无法保证脚本的执行顺序。哪个脚本先下载结束，就先执行那个脚本。另外，使用async属性的脚本文件中，不应该使用document.write方法。

defer属性和async属性到底应该使用哪一个？

一般来说，如果脚本之间没有依赖关系，就使用async属性，如果脚本之间有依赖关系，就使用defer属性。如果同时使用async和defer属性，后者不起作用，浏览器行为由async属性决定。

2.4 脚本的动态加载

除了静态的script标签，还可以动态生成script标签，然后加入页面，从而实现脚本的动态加载。

['a.js', 'b.js'].forEach(function(src) {

  var script = document.createElement('script');

  script.src = src;

  document.head.appendChild(script);

});

这种方法的好处是，动态生成的script标签不会阻塞页面渲染，也就不会造成浏览器假死。但是问题在于，这种方法无法保证脚本的执行顺序，哪个脚本文件先下载完成，就先执行哪个。

如果想避免这个问题，可以设置async属性为false。

['a.js', 'b.js'].forEach(function(src) {

  var script = document.createElement('script');

  script.src = src;

  script.async = false;

  document.head.appendChild(script);

});

上面的代码依然不会阻塞页面渲染，而且可以保证b.js在a.js后面执行。不过需要注意的是，在这段代码后面加载的脚本文件，会因此都等待b.js执行完成后再执行。

我们可以把上面的写法，封装成一个函数。

(function() {

  var scripts = document.getElementsByTagName('script')[0];

  function load(url) {

    var script = document.createElement('script');

    script.async = true;

    script.src = url;

    scripts.parentNode.insertBefore(script, scripts);

  }

  load('//apis.google.com/js/plusone.js');

  load('//platform.twitter.com/widgets.js');

  load('//s.thirdpartywidget.com/widget.js');

}());

上面代码中，async属性设为true，是因为加载的脚本没有互相依赖关系。而且，这样就不会造成堵塞。

如果想为动态加载的脚本指定回调函数，可以使用下面的写法。

function loadScript(src, done) {

  var js = document.createElement('script');

  js.src = src;

  js.onload = function() {

    done();

  };

  js.onerror = function() {

    done(new Error('Failed to load script ' + src));

  };

  document.head.appendChild(js);

}

此外，动态嵌入还有一个地方需要注意。动态嵌入必须等待CSS文件加载完成后，才会去下载外部脚本文件。静态加载就不存在这个问题，script标签指定的外部脚本文件，都是与CSS文件同时并发下载的。

2.5 加载使用的协议

如果不指定协议，浏览器默认采用HTTP协议下载。

<script src="example.js"></script>

上面的example.js默认就是采用HTTP协议下载，如果要采用HTTPS协议下载，必需写明（假定服务器支持）。

<script src="https://example.js"></script>

但是有时我们会希望，根据页面本身的协议来决定加载协议，这时可以采用下面的写法。

<script src="//example.js"></script>

3.浏览器的组成

浏览器的核心是两部分：渲染引擎和JavaScript解释器（又称JavaScript引擎）。

3.1 渲染引擎

渲染引擎的主要作用是，将网页代码渲染为用户视觉可以感知的平面文档。

不同的浏览器有不同的渲染引擎。

Firefox：Gecko引擎
Safari：WebKit引擎
Chrome：Blink引擎
IE: Trident引擎
Edge: EdgeHTML引擎

渲染引擎处理网页，通常分成四个阶段。

解析代码：HTML代码解析为DOM，CSS代码解析为CSSOM（CSS Object Model）
对象合成：将DOM和CSSOM合成一棵渲染树（render tree）
布局：计算出渲染树的布局（layout）
绘制：将渲染树绘制到屏幕

以上四步并非严格按顺序执行，往往第一步还没完成，第二步和第三步就已经开始了。所以，会看到这种情况：网页的HTML代码还没下载完，但浏览器已经显示出内容了。

3.2 重流和重绘

渲染树转换为网页布局，称为“布局流”（flow）；布局显示到页面的这个过程，称为“绘制”（paint）。它们都具有阻塞效应，并且会耗费很多时间和计算资源。

页面生成以后，脚本操作和样式表操作，都会触发重流（reflow）和重绘（repaint）。用户的互动，也会触发，比如设置了鼠标悬停（a:hover）效果、页面滚动、在输入框中输入文本、改变窗口大小等等。

重流和重绘并不一定一起发生，重流必然导致重绘，重绘不一定需要重流。比如改变元素颜色，只会导致重绘，而不会导致重流；改变元素的布局，则会导致重绘和重流。

大多数情况下，浏览器会智能判断，将重流和重绘只限制到相关的子树上面，最小化所耗费的代价，而不会全局重新生成网页。

作为开发者，应该尽量设法降低重绘的次数和成本。比如，尽量不要变动高层的DOM元素，而以底层DOM元素的变动代替；再比如，重绘table布局和flex布局，开销都会比较大。

var foo = document.getElementById('foobar');

foo.style.color = 'blue';

foo.style.marginTop = '30px';

上面的代码只会导致一次重绘，因为浏览器会累积DOM变动，然后一次性执行。

下面是一些优化技巧。

读取DOM或者写入DOM，尽量写在一起，不要混杂
缓存DOM信息
不要一项一项地改变样式，而是使用CSS class一次性改变样式
使用document fragment操作DOM
动画时使用absolute定位或fixed定位，这样可以减少对其他元素的影响
只在必要时才显示元素
使用window.requestAnimationFrame()，因为它可以把代码推迟到下一次重流时执行，而不是立即要求页面重流
使用虚拟DOM（virtual DOM）库

下面是一个window.requestAnimationFrame()对比效果的例子。

// 重绘代价高

function doubleHeight(element) {

  var currentHeight = element.clientHeight;

  element.style.height = (currentHeight * 2) + 'px';

}

all_my_elements.forEach(doubleHeight);

// 重绘代价低

function doubleHeight(element) {

  var currentHeight = element.clientHeight;

  window.requestAnimationFrame(function () {

    element.style.height = (currentHeight * 2) + 'px';

  });

}

all_my_elements.forEach(doubleHeight);

3.3 JavaScript引擎

JavaScript引擎的主要作用是，读取网页中的JavaScript代码，对其处理后运行。

JavaScript是一种解释型语言，也就是说，它不需要编译，由解释器实时运行。这样的好处是运行和修改都比较方便，刷新页面就可以重新解释；缺点是每次运行都要调用解释器，系统开销较大，运行速度慢于编译型语言。

为了提高运行速度，目前的浏览器都将JavaScript进行一定程度的编译，生成类似字节码（bytecode）的中间代码，以提高运行速度。

早期，浏览器内部对JavaScript的处理过程如下：

读取代码，进行词法分析（Lexical analysis），将代码分解成词元（token）。
对词元进行语法分析（parsing），将代码整理成“语法树”（syntax tree）。
使用“翻译器”（translator），将代码转为字节码（bytecode）。
使用“字节码解释器”（bytecode interpreter），将字节码转为机器码。

逐行解释将字节码转为机器码，是很低效的。为了提高运行速度，现代浏览器改为采用“即时编译”（Just In Time compiler，缩写JIT），即字节码只在运行时编译，用到哪一行就编译哪一行，并且把编译结果缓存（inline cache）。通常，一个程序被经常用到的，只是其中一小部分代码，有了缓存的编译结果，整个程序的运行速度就会显著提升。不同的浏览器有不同的编译策略。有的浏览器只编译最经常用到的部分，比如循环的部分；有的浏览器索性省略了字节码的翻译步骤，直接编译成机器码，比如chrome浏览器的V8引擎。

字节码不能直接运行，而是运行在一个虚拟机（Virtual Machine）之上，一般也把虚拟机称为JavaScript引擎。因为JavaScript运行时未必有字节码，所以JavaScript虚拟机并不完全基于字节码，而是部分基于源码，即只要有可能，就通过JIT（just in time）编译器直接把源码编译成机器码运行，省略字节码步骤。这一点与其他采用虚拟机（比如Java）的语言不尽相同。这样做的目的，是为了尽可能地优化代码、提高性能。下面是目前最常见的一些JavaScript虚拟机：

Chakra(Microsoft Internet Explorer)
Nitro/JavaScript Core (Safari)
Carakan (Opera)
SpiderMonkey (Firefox)
V8 (Chrome, Chromium)

4.参考链接

John Dalziel, The race for speed part 2: How JavaScript compilers work
Jake Archibald，Deep dive into the murky waters of script loading
Mozilla Developer Network, window.setTimeout
Remy Sharp, Throttling function calls
Ayman Farhat, An alternative to Javascript’s evil setInterval
Ilya Grigorik, Script-injected “async scripts” considered harmful
Axel Rauschmayer, ECMAScript 6 promises (1/2): foundations
Daniel Imms, async vs defer attributes
Craig Buckler, Load Non-blocking JavaScript with HTML5 Async and Defer
Domenico De Felice, How browsers work