Friedrich Siever

8. Januar 2024

Die V8 Engine: Der Motor hinter Node.js

von: Friedrich Siever | Last Updated: 08.01.24

Intro

Bei der Auswahl der Technologie für dein nächstes Projekt ist es entscheidend, die Charakteristiken der verwendeten Technologie zu verstehen. In diesem Beitrag werde ich die V8 Engine vorstellen, die vielleicht der wichtigste Baustein der Node.js Plattform ist.

Diese Kenntnisse ermöglichen es dir, die V8 Engine in deinem Projekt oder deiner Anwendung optimal zu nutzen.

Die V8 Engine ist verantwortlich für die Interpretation und Ausführung des JavaScript-Codes deiner Anwendung. Im JavaScript-Umfeld gibt es mehr als nur eine Engine. Verschiedene Projekte haben sich der Aufgabe verschrieben, JS-Code so schnell wie möglich zu interpretieren. Neben der von Google entwickelten V8, um die es hier geht, gibt es noch:

  • Mozillas JaegerMonkey
  • Apples Nitro

Historisch gesehen gab es auch von Microsoft Projekte. Mittlerweile nutzt Microsoft jedoch die gleiche technische Basis wie Chrome für den Edge-Browser, also ebenfalls die V8 Engine.

Was macht die V8 Engine genau?

Es ist wichtig zu verstehen, dass die V8 nicht nur als eigenständige Anwendung agieren kann, sondern auch nahtlos in jede C++-Anwendung integriert werden kann. Letztendlich ist die V8 Engine selbst nichts weiter als ein in C++ geschriebenes Programm.

Die Hauptaufgaben der V8 Engine umfassen:

  1. Implementierung von ECMAScript und WebAssembly: Die V8 Engine ist verantwortlich für die präzise Umsetzung der ECMAScript-Spezifikation und der WebAssembly-Standards.

  2. Kompilierung und Ausführung von JavaScript: Die Engine übersetzt den JavaScript-Code in Maschinencode und führt ihn dann effizient aus.

  3. Memory Allocation für Objekte: Sie verwaltet den Speicher und alloziert Resourcen für JavaScript-Objekte, was eine effektive Verwaltung des Arbeitsspeichers gewährleistet.

  4. Garbage Collection: Die V8 Engine kümmert sich um die Bereinigung nicht mehr benötigter Objekte, um Speicherlecks zu verhindern und die Leistung zu optimieren.

Diese facettenreiche Funktionalität der V8 Engine macht sie zu einer leistungsstarken und vielseitigen Komponente, die nicht nur eigenständig arbeiten kann, sondern auch nahtlos in bestehende C++-Anwendungen integriert werden kann.

V8 Engine: Ein Open Source Projekt

Ein entscheidender Aspekt der V8 Engine ist ihre Open Source Natur. Dies bedeutet, dass der Quellcode für jeden zugänglich ist und frei verwendet, modifiziert und verbreitet werden kann. Diese Offenheit ermöglicht es Entwicklern weltweit, zur Verbesserung und Weiterentwicklung der Engine beizutragen.

Die V8 Engine wird von einem lebendigen und engagierten Entwickler-Community unterstützt, die ständig an der Optimierung der Leistung, der Einführung neuer Funktionen und der Behebung von Fehlern arbeitet. Diese Kollaboration trägt dazu bei, dass die V8 Engine nicht nur leistungsstark, sondern auch zuverlässig und sicher ist.

Die Lizenz der V8 Engine steht allen Entwicklern zur Verfügung und verdeutlicht das Engagement für Transparenz und Freiheit in der Softwareentwicklung.

Die Dynamik von JavaScript

JavaScript zeichnet sich durch seine dynamische Natur aus, wobei der Quellcode nicht vor der Ausführung kompiliert wird. Im Gegensatz zu statisch kompilierten Sprachen wie C++ oder Rust gehört JavaScript zu den interpretierten Sprachen, ähnlich wie Python.

Das Starten einer JavaScript-Applikation in Node.js bedeutet, dass ein neuer Prozess gestartet wird. Hierbei kommt die V8 Engine ins Spiel und führt die erste Optimierung durch. Der programmierte JavaScript-Code wird nicht direkt ausgeführt, sondern zuerst in Maschinencode umgewandelt. Dieser Prozess wird als JIT-Kompilierung bezeichnet, wobei JIT für “Just in Time” steht.

Es ist wichtig zu verstehen, dass diese Optimierungen beim Einrichten des Prozesses stattfinden. Das bedeutet, dass Änderungen im Code zunächst keine Auswirkungen haben, bis der Prozess neu gestartet wird. In der Entwicklerumgebung helfen Werkzeuge wie nodemon, um ein schnelles Feedback während der Programmierung zu erhalten. Dieser Ansatz ermöglicht es Entwicklern, effizienter zu arbeiten und ihre Anwendungen iterativ zu verbessern.

Das Memory-Modell

JavaScript-Engines haben das Ziel, effizienten und optimierten Code auszuführen. Dies erfordert auch ein speziell angepasstes Memory-Modell, das auf die Charakteristiken von JavaScript abgestimmt ist.

Das Memory-Modell der V8 Engine optimiert die Verwaltung des Arbeitsspeichers, um die Ausführung von JavaScript-Code zu beschleunigen. Dabei werden verschiedene Techniken angewendet, um die Allokation und Freigabe von Speicherplatz für Objekte zu optimieren. Die V8 Engine übernimmt die Verantwortung für die Memory-Allokation, um eine effiziente Nutzung des Arbeitsspeichers sicherzustellen.

In einfachen Worten bedeutet dies, dass die V8 Engine Strategien implementiert, um den Speicherbedarf von JavaScript-Programmen zu optimieren. Dadurch wird eine bessere Leistung und Effizienz während der Ausführung von JavaScript-Anwendungen erreicht.

Die interne Struktur von Objekten in der V8 Engine

In der V8 Engine sind alle Objekte 4-Byte aligned, was bedeutet, dass ihre Speicheradressen immer durch 4 teilbar sind. Dieses Alignment von Objekten auf 4 Bytes ist eine gängige Praxis in vielen Systemen und Architekturen.

“4-Byte aligned” zu sein, bedeutet, dass die Speicheradresse eines Objekts durch 4 teilbar ist. Zum Beispiel wird die Adresse 0x1000 als 4-Byte aligned betrachtet, da sie durch 4 teilbar ist (0x1000, 0x1004, 0x1008, usw.).

Ein Pointer ist eine Variable, die die Speicheradresse eines anderen Objekts im Speicher enthält. Pointer sind wichtig für die effiziente Arbeit mit Speicher in Programmiersprachen wie C++ oder in Situationen, in denen direkter Speicherzugriff erforderlich ist.

Das Konzept der “three data words” bezieht sich auf die Art und Weise, wie Objekte in der V8 Engine intern dargestellt werden. Ein Objekt hat drei Teile, die als “data words” bezeichnet werden:

  1. Map Word: Enthält Metadaten über das Objekt, wie beispielsweise seinen Typ und seine Struktur.
  2. Properties Word: Zeigt auf den Bereich im Speicher, in dem die Eigenschaften des Objekts gespeichert sind.
  3. Elements Word: Zeigt auf den Bereich im Speicher, in dem die Elemente des Objekts gespeichert sind. Dies ist besonders relevant für Arrays.

Diese interne Darstellung ermöglicht es der V8 Engine, effizient auf Objekte zuzugreifen und Operationen durchzuführen.

Hidden Classes

Hidden Classes sind interne Datenstrukturen, die von der V8-Engine verwendet werden, um die Struktur von JavaScript-Objekten zu repräsentieren. Jedes Objekt in JavaScript wird einer bestimmten Hidden Class zugeordnet.

Durch die Verwendung von Hidden Classes kann die V8-Engine effizienten Maschinencode generieren, um auf Eigenschaften von Objekten zuzugreifen. Diese Optimierung ist entscheidend für die Performance von JavaScript, da sie den Zugriff auf Eigenschaften beschleunigt.

Wenn neue Eigenschaften zu einem Objekt hinzugefügt werden, kann sich die Hidden Class ändern. Dies wird als “Transition” bezeichnet. Die Engine passt sich dynamisch an, um die Änderungen zu berücksichtigen.

// Beispiel 1
function Point(x, y) {
  this.x = x;
  this.y = y;
}

const point1 = new Point(1, 2);

// Ein neues Objekt mit denselben Eigenschaften, aber in anderer Reihenfolge
const point2 = new Point(2, 1);

// Beispiel 2
function Circle(radius) {
  this.radius = radius;
}

const circle1 = new Circle(5);

// Ein neues Objekt mit einer zusätzlichen Eigenschaft
const circle2 = new Circle(10);
circle2.color = "red";

In Beispiel 1 haben point1 und point2 dieselben Eigenschaften, aber in unterschiedlicher Reihenfolge. Dies führt dazu, dass die Hidden Class für point1 und point2 unterschiedlich ist.

In Beispiel 2 haben circle1 und circle2 beide die Eigenschaft radius, aber circle2 hat auch die zusätzliche Eigenschaft color. Dies führt zu einer Änderung der Hidden Class für circle2.

Die V8-Engine passt sich dynamisch an diese Änderungen an, indem sie Hidden Classes aktualisiert, um die neuen Eigenschaften zu berücksichtigen. Dieser Prozess ermöglicht es der Engine, effizienten Maschinencode für den Zugriff auf Eigenschaften zu generieren und die Leistung zu optimieren.

Transition Trees

Transition Trees sind Bäume von Hidden Classes, die den Übergang von einer Hidden Class zu einer anderen darstellen. Sie helfen bei der Optimierung von JavaScript-Code, wenn sich die Struktur von Objekten ändert.

Optimierung durch Inline-Caching: Die V8-Engine verwendet Transition Trees, um den Zugriff auf Objekteigenschaften zu beschleunigen. Beim ersten Zugriff auf eine Eigenschaft wird ein sogenanntes “Inline-Cache” erstellt. Dieses Cache enthält Informationen über die Hidden Class und den Offsets für den Zugriff auf die Eigenschaft. Bei wiederholtem Zugriff wird der Inline-Cache verwendet, um direkt auf die Eigenschaft zuzugreifen, ohne erneut nach der Hidden Class zu suchen.

Die Verwendung von Hidden Classes und Transition Trees ermöglicht es der V8-Engine, den JavaScript-Code effizient zu optimieren und die Ausführung zu beschleunigen. Es ist eine der raffinierten Techniken, die hinter den Kulissen arbeiten, um die Leistung von JavaScript-Anwendungen zu verbessern.

Generierung von Maschinencode in der V8 Engine

Wie wir bereits erfahren haben ist die V8 Engine ist darauf ausgelegt, JavaScript-Code effizient auszuführen, indem sie diesen in optimierten Maschinencode umwandelt. Dieser Prozess wird als Just-In-Time (JIT)-Kompilierung bezeichnet und spielt eine entscheidende Rolle für die Leistung von JavaScript-Anwendungen. Doch was passiert da genau?

JIT-Kompilierung in der V8

Bei der JIT-Kompilierung wird der JavaScript-Code nicht im Voraus in Maschinencode übersetzt. Stattdessen wird der Code während der Laufzeit des Programms direkt in Maschinencode umgewandelt. Dies ermöglicht eine dynamische Anpassung an die Ausführungsumgebung und führt zu einer verbesserten Leistung.

Die JIT-Kompilierung in der V8 Engine erfolgt in mehreren Schritten:

  1. Parsing: Der JavaScript-Code wird zunächst geparst, um die syntaktische Struktur zu verstehen. Beim Parsing wird der vom Anwender geschriebene JavaScript-Code analysiert und in eine Struktur umgewandelt, die für die weitere Verarbeitung durch die Engine geeignet ist. Der Parsing-Prozess zerlegt den Code in sogenannte Tokens und erstellt daraus einen abstrakten Syntaxbaum (AST), der die hierarchische Struktur des Codes repräsentiert.

  2. Optimierung: Die V8 Engine führt nun die Optimierungen auf dem abstrakten Syntaxbaum (AST) des Codes durch. Dies umfasst unter anderem die Identifizierung von Hot Paths, also häufig durchlaufene Codeabschnitte, die besonders effizient ausgeführt werden müssen. Hierbei kommen verschiedene Optimierungstechniken zum Einsatz, wie beispielsweise Inlining von Funktionen, Entfernen von nicht benötigten Teilen des Codes (Dead Code Elimination) und die Optimierung von Schleifen. Um die Optimierungen zu steuern und gezielter anwenden zu können, verwendet die V8 Engine Statistiken und Profiling-Informationen. Durch die Analyse von Laufzeitdaten kann die Engine besser entscheiden, welche Teile des Codes besonders häufig oder intensiv genutzt werden, und kann ihre Optimierungen darauf ausrichten.

  3. Übersetzung: Der optimierte Code wird schließlich in Maschinencode übersetzt. Dieser Maschinencode wird direkt vom Prozessor ausgeführt und ist daher wesentlich schneller als die Ausführung von interpretiertem JavaScript-Code.

Etwas vereinfacht, kann man sich das wie folgt vorstellen. Wir starten mit einem simplen JavaScript Code

for (let i = 0; i < 5; i++) {
  console.log(i);
}

Und die V8 erzeugt ein Assembly ähnliches Format, was stark vereinfacht so aussehen könnte.

MOV ecx, 0        ; Initialisiere den Loop-Zähler auf 0
LOOP_START:
  CMP ecx, 5      ; Vergleiche den Zähler mit 5
  JGE LOOP_END    ; Wenn der Zähler größer oder gleich 5 ist, beende den Loop
  ; Hier folgen die Anweisungen im Loop, z.B., console.log(i);
  CALL console.log ; Beispielhafter Aufruf von console.log
  INC ecx          ; Inkrementiere den Loop-Zähler
  JMP LOOP_START   ; Gehe zurück zum Anfang des Loops
LOOP_END:

Hot Paths und Crankshaft

Ein Schlüsselaspekt der JIT-Kompilierung in der V8 Engine ist die Identifizierung von Hot Paths. Crankshaft, der JIT-Compiler der V8, ist darauf spezialisiert, diese stark frequentierten Codepfade zu erkennen und besonders effizienten Maschinencode dafür zu generieren.

Die Idee ist, dass Code, der häufig ausgeführt wird, optimiert werden kann, um die Ausführungsgeschwindigkeit zu maximieren. Durch die dynamische Anpassung an das tatsächliche Ausführungsverhalten der Anwendung kann die V8 Engine eine hohe Leistung für unterschiedliche Arten von JavaScript-Code bieten.

Inline-Caching und Code-Optimierungen

Die V8 Engine verwendet Inline-Caching-Techniken, um den Zugriff auf Eigenschaften von Objekten zu beschleunigen. Beim ersten Zugriff auf eine Eigenschaft erstellt die Engine ein Inline-Cache, das Informationen über die Hidden Class und die Offsets für den Zugriff auf die Eigenschaft enthält. Bei wiederholtem Zugriff wird der Inline-Cache verwendet, um direkt auf die Eigenschaft zuzugreifen, ohne erneut nach der Hidden Class suchen zu müssen.

Zusätzlich zu Inline-Caching implementiert die V8 Engine eine Vielzahl von Code-Optimierungen, um die Leistung von JavaScript-Anwendungen zu maximieren. Diese Optimierungen sind darauf ausgerichtet, häufig durchlaufene Codeabschnitte effizienter zu gestalten.

Die Kombination aus JIT-Kompilierung, Hot Paths-Erkennung, Inline-Caching und Code-Optimierungen macht die V8 Engine zu einer leistungsstarken Plattform für die Ausführung von JavaScript in unterschiedlichen Anwendungsdomänen.

Garbage Collection in der V8 Engine

Die Garbage Collection (GC) ist ein entscheidender Aspekt jeder modernen Laufzeitumgebung, und die V8 Engine bildet hier keine Ausnahme. Ihr Garbage-Collector ist darauf ausgelegt, nicht mehr benötigten Speicher zu identifizieren und freizugeben, um eine effiziente Resourcennutzung zu gewährleisten.

Funktionsweise der Garbage Collection:

  1. Mark-and-Sweep:

    • Bei der Mark-and-Sweep-Methode wird der gesamte Heap durchsucht.
    • Alle erreichbaren Objekte werden markiert.
    • Nicht markierte Objekte gelten als nicht mehr benötigt und ihr Speicher wird freigegeben.
  2. Generational Approach:

    • Die V8 Engine verwendet einen generativen Ansatz für die Garbage Collection.
    • Der Heap (Bereich des Seichers, in dem dynamisch erstellte Objekte während der Laufzeit abgelegt werden) ist in zwei Generationen unterteilt: die “Junge” Generation und die “Alte” Generation.
    • Die meisten Objekte werden in der jungen Generation erstellt.
    • Durch wiederholte Überlebensprüfungen werden Objekte, die länger überleben, in die alte Generation verschoben.
    • Die Garbage Collection wird häufiger auf die junge Generation angewendet, um die Effizienz zu erhöhen.

Besonderheiten von JavaScript und Mark-and-Sweep:

  • Automatische Speicherverwaltung: Entwickler müssen sich nicht manuell um die Freigabe von Speicher kümmern. Die Garbage Collection erledigt dies automatisch, was die Entwicklung erleichtert.

  • Reduzierung von Speicherlecks: Durch das automatische Erkennen und Freigeben nicht mehr benötigten Speichers trägt die Garbage Collection dazu bei, Speicherlecks zu vermeiden.

  • Mark-and-Sweep-Konzept:

    • Beim Mark-and-Sweep-Algorithmus werden alle erreichbaren Objekte markiert, und nicht markierte Objekte werden freigegeben.
    • Dieses Konzept ermöglicht die automatische Identifizierung und Bereinigung nicht mehr benötigten Speichers.
  • Optimierte Leistung: Die V8 Engine setzt verschiedene Techniken ein, um die Auswirkungen der Garbage Collection auf die Anwendungsleistung zu minimieren. Dazu gehört die Verwendung von Hintergrundthreads, um die Ausführung der Anwendung während der Garbage Collection fortzusetzen.

Die Garbage Collection ist ein unsichtbarer, aber entscheidender Bestandteil der V8 Engine, der zur Stabilität und Effizienz von JavaScript-Anwendungen beiträgt.

Fazit

Die V8 Engine, als essenzieller Bestandteil der Node.js Plattform, spielt eine zentrale Rolle bei der Ausführung von JavaScript-Code. Ihr Verständnis ist von großer Bedeutung, wenn es darum geht, die Leistung und Effizienz deiner Anwendungen zu optimieren. Im Vergleich zu anderen JavaScript-Engines wie Mozillas JaegerMonkey oder Apples Nitro hebt sich die V8 Engine durch ihre Geschwindigkeit und Effizienz hervor.

Die Engine nutzt fortschrittliche Techniken wie Hidden Classes und Transition Trees, um die Struktur von JavaScript-Objekten zu optimieren. Ihr Memory-Modell und die speziellen Optimierungsprozesse, einschließlich der Generierung von Maschinencode, tragen dazu bei, JavaScript-Anwendungen schnell und effizient auszuführen.

Die V8 Engine, als Open-Source-Projekt, bietet Entwicklern eine leistungsstarke Plattform für die Umsetzung ihrer Projekte. Ihr Beitrag zur JavaScript-Entwicklung und ihre Rolle in der Web-Entwicklung machen sie zu einem Schlüsselelement in der Welt der Softwareentwicklung. Bei der Wahl deiner Technologie für zukünftige Projekte ist die V8 Engine definitiv eine Überlegung wert. Probier es aus und entdecke, wie diese Engine die Grundlage für leistungsstarke JavaScript-Anwendungen bildet!

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