前言：之前的文章介紹了通過快照的方式加速 Node.js 的啟動，除了快照，V8 還提供了另一種技術(shù)加速代碼的執(zhí)行，那就是代碼緩存。通過 V8 第一次執(zhí)行 JS 的時(shí)候，V8 需要即時(shí)進(jìn)行解析和編譯 JS代碼，這個(gè)是需要一定時(shí)間的，代碼緩存可以把這個(gè)過程的一些信息保存下來，下次執(zhí)行的時(shí)候，通過這個(gè)緩存的信息就可以加速 JS 代碼的執(zhí)行。本文介紹在 Node.js 里如何利用代碼緩存技術(shù)加速 Node.js 的啟動。

首先看一下 Node.js 的編譯配置。

'actions': [
  {
    'action_name': 'node_js2c',
    'process_outputs_as_sources': 1,
    'inputs': [
      'tools/js2c.py',
      '<@(library_files)',
      '<@(deps_files)',
      'config.gypi'
    ],
    'outputs': [
      '<(SHARED_INTERMEDIATE_DIR)/node_javascript.cc',
    ],
    'action': [
      '<(python)',
      'tools/js2c.py',
      '--directory',
      'lib',
      '--target',
      '<@(_outputs)',
      'config.gypi',
      '<@(deps_files)',
    ],
  },
],

通過這個(gè)配置，在編譯 Node.js 的時(shí)候，會執(zhí)行 js2c.py，并且把輸入寫到 node_javascript.cc 文件。我們看一下生成的內(nèi)容。

里面定義了一個(gè)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)里面往 source_ 字段里不斷追加一系列的內(nèi)容，其中 key 是 Node.js 中的原生 JS 模塊信息，值是模塊的內(nèi)容，我們隨便看一個(gè)模塊 assert/strict。

const data = [39,117,115,101, 32,115,116,114,105, 99,116, 39, 59, 10, 10,109,111,100,117,108,101, 46,101,120,112,111,114,116,115, 32,61, 32,114,101,113,117,105,114,101, 40, 39, 97,115,115,101,114,116, 39, 41, 46,115,116,114,105, 99,116, 59, 10];
console.log(Buffer.from(data).toString('utf-8'))

輸出如下。

'use strict';
module.exports = require('assert').strict;

通過 js2c.py 腳本，Node.js 把原生 JS 模塊的內(nèi)容寫到了文件中，并且編譯進(jìn) Node.js 的可執(zhí)行文件里，這樣在 Node.js 啟動時(shí)就不需要從硬盤里讀取對應(yīng)的文件，否則無論是啟動還是運(yùn)行時(shí)動態(tài)加載原生 JS 模塊，都需要更多的耗時(shí)，因?yàn)閮?nèi)存的速度遠(yuǎn)快于硬盤。這是 Node.js 做的第一個(gè)優(yōu)化，接下來看代碼緩存，因?yàn)榇a緩存是在這個(gè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。首先看一下編譯配置。

['node_use_node_code_cache=="true"', {
  'dependencies': [
    'mkcodecache',
  ],
  'actions': [
    {
      'action_name': 'run_mkcodecache',
      'process_outputs_as_sources': 1,
      'inputs': [
        '<(mkcodecache_exec)',
      ],
      'outputs': [
        '<(SHARED_INTERMEDIATE_DIR)/node_code_cache.cc',
      ],
      'action': [
        '<@(_inputs)',
        '<@(_outputs)',
      ],
    },
  ],}, {
  'sources': [
    'src/node_code_cache_stub.cc'
  ],
}],

如果編譯 Node.js 時(shí) node_use_node_code_cache 為 true 則生成代碼緩存。如果我們不需要可以關(guān)掉，具體執(zhí)行 ./configure --without-node-code-cache。如果我們關(guān)閉代碼緩存， Node.js 關(guān)于這部分的實(shí)現(xiàn)是空，具體在 node_code_cache_stub.cc。

const bool has_code_cache = false;
void NativeModuleEnv::InitializeCodeCache() {}

也就是什么都不做。如果我們開啟了代碼緩存，就會執(zhí)行 mkcodecache.cc 生成代碼緩存。

int main(int argc, char* argv[]) {
  argv = uv_setup_args(argc, argv);
  std::ofstream out;
  out.open(argv[1], std::ios::out | std::ios::binary);
  node::per_process::enabled_debug_list.Parse(nullptr);
  std::unique_ptr platform = v8::platform::NewDefaultPlatform();
  v8::V8::InitializePlatform(platform.get());
  v8::V8::Initialize();
  Isolate::CreateParams create_params;
  create_params.array_buffer_allocator_shared.reset(
      ArrayBuffer::Allocator::NewDefaultAllocator());
  Isolate* isolate = Isolate::New(create_params);
  {
    Isolate::Scope isolate_scope(isolate);
    v8::HandleScope handle_scope(isolate);
    v8::Local context = v8::Context::New(isolate);
    v8::Context::Scope context_scope(context);
    std::string cache = CodeCacheBuilder::Generate(context);
    out << cache;
    out.close();
  }
  isolate->Dispose();
  v8::V8::ShutdownPlatform();
  return 0;
}

首先打開文件，然后是 V8 的常用初始化邏輯，最后通過 Generate 生成代碼緩存。

std::string CodeCacheBuilder::Generate(Local context) {
  NativeModuleLoader* loader = NativeModuleLoader::GetInstance();
  std::vector ids = loader->GetModuleIds();
  std::map data;
  for (const auto& id : ids) {
    if (loader->CanBeRequired(id.c_str())) {
      NativeModuleLoader::Result result;
      USE(loader->CompileAsModule(context, id.c_str(), &result));
      ScriptCompiler::CachedData* cached_data = loader->GetCodeCache(id.c_str());
      data.emplace(id, cached_data);
    }
  }
  return GenerateCodeCache(data);
}

首先新建一個(gè) NativeModuleLoader。

NativeModuleLoader::NativeModuleLoader() : config_(GetConfig()) {
  LoadJavaScriptSource();
}

NativeModuleLoader 初始化時(shí)會執(zhí)行 LoadJavaScriptSource，這個(gè)函數(shù)就是通過 python 腳本生成的 node_javascript.cc 文件里的函數(shù)，初始化完成后 NativeModuleLoader 對象的 source_ 字段就保存了原生 JS 模塊的代碼。接著遍歷這些原生 JS 模塊，通過 CompileAsModule 進(jìn)行編譯。

MaybeLocal NativeModuleLoader::CompileAsModule(
    Local context,
    const char* id,
    NativeModuleLoader::Result* result) {
  Isolate* isolate = context->GetIsolate();
  std::vector> parameters = {
      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "exports"),
      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "require"),
      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "module"),
      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "process"),
      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "internalBinding"),
      FIXED_ONE_BYTE_STRING(isolate, "primordials")};
  return LookupAndCompile(context, id, ¶meters, result);
}

接著看 LookupAndCompile

MaybeLocal NativeModuleLoader::LookupAndCompile(
    Local context,
    const char* id,
    std::vector>* parameters,
    NativeModuleLoader::Result* result) {
  Isolate* isolate = context->GetIsolate();
  EscapableHandleScope scope(isolate);
  Local source;
  // 根據(jù) key 從 source_ 字段找到模塊內(nèi)容
  if (!LoadBuiltinModuleSource(isolate, id).ToLocal(&source)) {
    return {};
  }
  std::string filename_s = std::string("node:") + id;
  Local filename =
      OneByteString(isolate, filename_s.c_str(), filename_s.size());
  ScriptOrigin origin(isolate, filename, 0, 0, true);
  ScriptCompiler::CachedData* cached_data = nullptr;
  {
    Mutex::ScopedLock lock(code_cache_mutex_);
    // 判斷是否有代碼緩存
    auto cache_it = code_cache_.find(id);
    if (cache_it != code_cache_.end()) {
      cached_data = cache_it->second.release();
      code_cache_.erase(cache_it);
    }
  }
  const bool has_cache = cached_data != nullptr;
  ScriptCompiler::CompileOptions options =
      has_cache ? ScriptCompiler::kConsumeCodeCache
                : ScriptCompiler::kEagerCompile;
  // 如果有代碼緩存則傳入             
  ScriptCompiler::Source script_source(source, origin, cached_data);
  // 進(jìn)行編譯
  MaybeLocal maybe_fun =
      ScriptCompiler::CompileFunctionInContext(context,
                                               &script_source,
                                               parameters->size(),
                                               parameters->data(),
                                               0,
                                               nullptr,
                                               options);
  Local fun;
  if (!maybe_fun.ToLocal(&fun)) {
    return MaybeLocal();
  }
  *result = (has_cache && !script_source.GetCachedData()->rejected)
                ? Result::kWithCache
                : Result::kWithoutCache;
  // 生成代碼緩存保存下來，最后寫入文件，下次使用
  std::unique_ptr new_cached_data(
      ScriptCompiler::CreateCodeCacheForFunction(fun));
  {
    Mutex::ScopedLock lock(code_cache_mutex_);
    code_cache_.emplace(id, std::move(new_cached_data));
  }
  return scope.Escape(fun);
}

第一次執(zhí)行的時(shí)候，也就是編譯 Node.js 時(shí)，LookupAndCompile 會生成代碼緩存寫到文件 node_code_cache.cc 中，并編譯進(jìn)可執(zhí)行文件，內(nèi)容大致如下。

除了這個(gè)函數(shù)還有一系列的代碼緩存數(shù)據(jù)，這里就不貼出來了。在 Node.js 第一次執(zhí)行的初始化階段，就會執(zhí)行上面的函數(shù)，在 code_cache 字段里保存了每個(gè)模塊和對應(yīng)的代碼緩存。初始化完畢后，后面加載原生 JS 模塊時(shí)，Node.js 再次執(zhí)行 LookupAndCompile，就個(gè)時(shí)候就有代碼緩存了。當(dāng)開啟代碼緩存時(shí)，我的電腦上 Node.js 啟動時(shí)間大概為 40 毫秒，當(dāng)去掉代碼緩存的邏輯重新編譯后，Node.js 的啟動時(shí)間大概是 60 毫秒，速度有了很大的提升。

總結(jié)：Node.js 在編譯時(shí)首先把原生 JS 模塊的代碼寫入到文件并，接著執(zhí)行 mkcodecache.cc 把原生 JS 模塊進(jìn)行編譯和獲取對應(yīng)的代碼緩存，然后寫到文件中，同時(shí)編譯進(jìn) Node.js 的可執(zhí)行文件中，在 Node.js 初始化時(shí)會把他們收集起來，這樣后續(xù)加載原生 JS 模塊時(shí)就可以使用這些代碼緩存加速代碼的執(zhí)行。

文章標(biāo)題：通過代碼緩存加速 Node.js 的啟動
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