V8世界探险 (1) - v8 API概览

v8是Google开发的JavaScript引擎，自推出后就对js生态产生了巨大的影响。比如产生了运行在服务端的Node.js的巨大生态。

这么好玩的东西，我们当然要冲起去看看它的内部是如何实现的了。

Hello,v8 World!

首先好玩的一点是，v8可以作为一个库来嵌入到其它的应用中。

我们废话不多说，直接上代码.这是Google官方的调用在代码中嵌入一个v8引擎的例子，地址在：https://chromium.googlesource.com/v8/v8/+/branch-heads/4.8/samples/hello-world.cc

// Copyright 2015 the V8 project authors. All rights reserved.
// Use of this source code is governed by a BSD-style license that can be
// found in the LICENSE file.
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "include/libplatform/libplatform.h"
#include "include/v8.h"
using namespace v8;
class ArrayBufferAllocator : public v8::ArrayBuffer::Allocator {
 public:
  virtual void* Allocate(size_t length) {
    void* data = AllocateUninitialized(length);
    return data == NULL ? data : memset(data, 0, length);
  }
  virtual void* AllocateUninitialized(size_t length) { return malloc(length); }
  virtual void Free(void* data, size_t) { free(data); }
};
int main(int argc, char* argv[]) {
  // Initialize V8.
  V8::InitializeICU();
  V8::InitializeExternalStartupData(argv[0]);
  Platform* platform = platform::CreateDefaultPlatform();
  V8::InitializePlatform(platform);
  V8::Initialize();
  // Create a new Isolate and make it the current one.
  ArrayBufferAllocator allocator;
  Isolate::CreateParams create_params;
  create_params.array_buffer_allocator = &allocator;
  Isolate* isolate = Isolate::New(create_params);
  {
    Isolate::Scope isolate_scope(isolate);
    // Create a stack-allocated handle scope.
    HandleScope handle_scope(isolate);
    // Create a new context.
    Local<Context> context = Context::New(isolate);
    // Enter the context for compiling and running the hello world script.
    Context::Scope context_scope(context);
    // Create a string containing the JavaScript source code.
    Local<String> source =
        String::NewFromUtf8(isolate, "'Hello' + ', World!'",
                            NewStringType::kNormal).ToLocalChecked();
    // Compile the source code.
    Local<Script> script = Script::Compile(context, source).ToLocalChecked();
    // Run the script to get the result.
    Local<Value> result = script->Run(context).ToLocalChecked();
    // Convert the result to an UTF8 string and print it.
    String::Utf8Value utf8(result);
    printf("%s\n", *utf8);
  }
  // Dispose the isolate and tear down V8.
  isolate->Dispose();
  V8::Dispose();
  V8::ShutdownPlatform();
  delete platform;
  return 0;
}

我们从中可以看到几个重要的类：

• V8：这个是个大杂烩的工具类，从初始化到关闭平台都离不开它。
• ArrayBuffer是v8的数据类型，下面我们会来一张v8的数据结构图。
• Isolate是v8中最重要的功能类，代表了一个v8引擎的实例。它不是线程安全的，如果在线程不安全情况下运行需要加锁。
• Local是v8中存储对象的结构，代表了被GC管理的对象引用。与其对应的就是持久性对象，如Global和Persistent。
• Context代表了在沙箱中运行的上下文。与Java一样，JavaScript也运行在一个沙箱安全环境中。
• Script代表了运行在v8中的脚本。

上面使用的都是v8的公开API。这些API代表了v8的主要功能和主要数据结构。
我们先看一张v8的API的大图：

v8 api

对象与句柄

与C/C++与Rust等存在栈式管理的语言不同，JavaScript并没有栈上分配这样的概念。但是在v8的实现中，是有通过栈式管理作用域的数据结构，就是例程中我们所看到的HandleScope。
另外还有SealHandleScope类，将当前的HandleScope封装起来，强制需要创建新的HandleScope.

v8中的对象按生命周期可以分为两类，由GC管理的局部对象Local，还有持久性的对象。
持久性的对象分为：一次性的永续对象Eternal，和全局性的PersistentBase。
PersistentBase根据管理所有权方式的不同，采用赋值和复制方式的叫做Persistent，采用移动语义的叫做Global.
还有个UniquePersistent的模块类，其实是Global的别名。C++11中定义模板别名的方式，之前我们有文章讲过了：

template <class T> using UniquePersistent = Global<T>;

从例子中我们可以看到，通常我们使用的变量都是Local为主。不管是Context，String，Script还是Value都是通过Local模板来进行管理的：

    // Create a new context.
    Local<Context> context = Context::New(isolate);
    Local<String> source =
        String::NewFromUtf8(isolate, "'Hello' + ', World!'",
                            NewStringType::kNormal).ToLocalChecked();
    // Compile the source code.
    Local<Script> script = Script::Compile(context, source).ToLocalChecked();
    // Run the script to get the result.
    Local<Value> result = script->Run(context).ToLocalChecked();

现在并没有一个共同的Handle基类，Local,Eternal和PersistentBase之间没有共基类的关系。

由于返回值也大部分是Local，为了强制代码判空，v8经常使用MaybeLocal的模块，它是Local的一个封装。

我们再画一个图来回顾下它们之间的关系：

Handle & Scope

脚本相关的API

v8 script

脚本相关的API主要涉及到三个部分：源代码，编译后的脚本代码和编译器三部分。
源代码表示的类是ScriptOrigin和ScriptOriginOptions.
编译之后的脚本，按照是否跟上下文绑定，分为UnboundScript和Script两种。
编译器是ScriptCompiler.

另外，脚本的运行时信息也是很重要的结构，v8提供了包装错误信息的Message类，提供跟踪栈信息的StackTrace和StackFrame。

v8的数据类型

我们先看个数据类型的图，如果对于ES6不太熟悉的同学，可能对于某些ES6新增的类型会有些疑惑。不过不用担心，后面如果有会用到ES6的知识的话，我会尽可能做一些快餐式的简介。

v8数据类型

所有的v8数据类型都继承自Data类。
这个类非常简单：

/**
 * The superclass of values and API object templates.
 */
class V8_EXPORT Data {
  private:
  Data();
};

首先继承自Data的是一个跟js无关的NativeWeakMap:
同时让大家继续体验下几乎一切皆Local的感受，基本上每个类型都要加上Local<>模板管理一下：

/**
 * A map whose keys are referenced weakly. It is similar to JavaScript WeakMap
 * but can be created without entering a v8::Context and hence shouldn't
 * escape to JavaScript.
 */
class V8_EXPORT NativeWeakMap : public Data {
 public:
  static Local<NativeWeakMap> New(Isolate* isolate);
  void Set(Local<Value> key, Local<Value> value);
  Local<Value> Get(Local<Value> key);
  bool Has(Local<Value> key);
  bool Delete(Local<Value> key);
};

Value类是所有的JavaScript类型的基类，它有两个巨大的子类，一个是代表原始类型的Primitive，一个就是所有js对象之根Object类。当然，还有个实现上用途的包装C++ void*指针的External类。

ES6新增了Symbol类型，它和String共同派生自Name类型。
虽然JavaScript的数都是浮点数，但是在v8的实现里，整数仍然是大行其道的。

对象类型中，Promise, Proxy, ArrayBufferView这些都是ES6新增的。有些还需要--harmony选项的支持。
剩下是对于原始类型的包装，如NumberObject, BooleanObject, StringObject, SymbolObject。
还有的就是Date日期类和RegExp正则表达式类两个内置类的支持，也在API中。

最后，直接继承自Data的，还有4个类：

• Private:私有的符号
• Template:模板，分为函数模板和对象模板。这两个在后面我们分析v8的实现中有重要意义，因为它们是将JavaScript函数或者对象绑定到C++相应的对象上的重要工具。
• 两个签名类，用于调用时检验用

小结

这一节新增的概念可能有点多。我们尝试小结一下：
v8提供了可供外部调用的一系列的API：

• Isolate：提供了一个v8虚拟机的实例
• Context：提供了一个沙箱，也就是独立的上下文可以运行Isolate
• v8通过HandleScope栈式管理内存
• Local<>是最常用的变量分配方式
• v8的数据类型基类是Data，所有js对象的基类是Value。Value下面分Primitive和Object

最后引用一个新概念，v8为了提升性能，引入了一个高效的编译器Crankshaft.

好了，这一讲就这么多。