WebAssembly 编译流程

WebAssembly 是一种二进制格式，允许您在 Web 上高效安全地运行来自 JavaScript 以外的编程语言的代码。本文档深入探讨了 V8 中的 WebAssembly 编译流程，并解释了我们如何使用不同的编译器来提供良好的性能。

Liftoff #

最初，V8 不会编译 WebAssembly 模块中的任何函数。相反，函数在第一次被调用时会使用基线编译器 Liftoff 延迟编译。Liftoff 是一个 单遍编译器，这意味着它只遍历一次 WebAssembly 代码，并立即为每个 WebAssembly 指令生成机器代码。单遍编译器擅长快速代码生成，但只能应用一小部分优化。实际上，Liftoff 可以非常快地编译 WebAssembly 代码，每秒数十兆字节。

Liftoff 编译完成后，生成的机器代码将与 WebAssembly 模块注册，以便在将来调用该函数时可以立即使用编译后的代码。

TurboFan #

Liftoff 在很短的时间内生成了相当快的机器代码。但是，由于它独立地为每个 WebAssembly 指令生成代码，因此几乎没有优化空间，例如改进寄存器分配或常见的编译器优化，例如冗余加载消除、强度削弱或函数内联。

这就是为什么热函数（经常执行的函数）会使用 TurboFan（V8 中用于 WebAssembly 和 JavaScript 的优化编译器）重新编译的原因。TurboFan 是一个 多遍编译器，这意味着它在生成机器代码之前会构建编译代码的多个内部表示。这些额外的内部表示允许优化和更好的寄存器分配，从而产生明显更快的代码。

V8 监控 WebAssembly 函数被调用的频率。一旦函数达到某个阈值，该函数就被认为是热的，并且重新编译将在后台线程上触发。编译完成后，新代码将与 WebAssembly 模块注册，替换现有的 Liftoff 代码。任何对该函数的新调用将使用 TurboFan 生成的新的优化代码，而不是 Liftoff 代码。但请注意，我们不会进行栈上替换。这意味着如果 TurboFan 代码在函数被调用后可用，函数调用将使用 Liftoff 代码完成执行。

代码缓存 #

如果 WebAssembly 模块是用 WebAssembly.compileStreaming 编译的，那么 TurboFan 生成的机器代码也将被缓存。当从同一个 URL 再次获取同一个 WebAssembly 模块时，可以立即使用缓存的代码，无需额外编译。有关代码缓存的更多信息，请参阅 单独的博客文章。

只要生成的 TurboFan 代码量达到某个阈值，就会触发代码缓存。这意味着对于大型 WebAssembly 模块，TurboFan 代码会增量缓存，而对于小型 WebAssembly 模块，TurboFan 代码可能永远不会被缓存。Liftoff 代码不会被缓存，因为 Liftoff 编译几乎与从缓存加载代码一样快。

调试 #

如前所述，TurboFan 应用优化，其中许多优化涉及重新排序代码、消除变量甚至跳过整个代码段。这意味着如果您想在特定指令处设置断点，可能不清楚程序执行应该实际停止的位置。换句话说，TurboFan 代码不适合调试。因此，当通过打开 DevTools 启动调试时，所有 TurboFan 代码将再次被 Liftoff 代码替换（“降级”），因为每个 WebAssembly 指令都映射到机器代码的单个部分，并且所有局部和全局变量都保持不变。

性能分析 #

为了使事情更加混乱，在 DevTools 中，当打开“性能”选项卡并单击“记录”按钮时，所有代码将再次升级（使用 TurboFan 重新编译）。“记录”按钮启动性能分析。分析 Liftoff 代码将不具有代表性，因为它仅在 TurboFan 未完成时使用，并且可能比 TurboFan 的输出慢得多，而 TurboFan 的输出将在大多数时间运行。

实验标志 #

为了进行实验，V8 和 Chrome 可以配置为仅使用 Liftoff 或仅使用 TurboFan 编译 WebAssembly 代码。甚至可以尝试延迟编译，其中函数仅在第一次被调用时才被编译。以下标志启用这些实验模式

• 仅 Liftoff

  • 在 V8 中，设置 --liftoff --no-wasm-tier-up 标志。
  • 在 Chrome 中，禁用 WebAssembly 分层（chrome://flags/#enable-webassembly-tiering）并启用 WebAssembly 基线编译器（chrome://flags/#enable-webassembly-baseline）。

• 仅 TurboFan

  • 在 V8 中，设置 --no-liftoff --no-wasm-tier-up 标志。
  • 在 Chrome 中，禁用 WebAssembly 分层（chrome://flags/#enable-webassembly-tiering）并禁用 WebAssembly 基线编译器（chrome://flags/#enable-webassembly-baseline）。

• 延迟编译

  • 延迟编译是一种编译模式，其中函数仅在第一次被调用时才被编译。与生产配置类似，该函数首先使用 Liftoff 编译（阻塞执行）。Liftoff 编译完成后，该函数将在后台使用 TurboFan 重新编译。
  • 在 V8 中，设置 --wasm-lazy-compilation 标志。
  • 在 Chrome 中，启用 WebAssembly 延迟编译（chrome://flags/#enable-webassembly-lazy-compilation）。

编译时间 #

有不同的方法可以衡量 Liftoff 和 TurboFan 的编译时间。在 V8 的生产配置中，Liftoff 的编译时间可以通过 JavaScript 测量，方法是测量 new WebAssembly.Module() 完成所需的时间，或者测量 WebAssembly.compile() 解析 Promise 所需的时间。要测量 TurboFan 的编译时间，可以在仅 TurboFan 的配置中执行相同的操作。

还可以通过在 chrome://tracing/ 中启用 v8.wasm 类别来更详细地测量编译。Liftoff 编译是从开始编译到 wasm.BaselineFinished 事件所花费的时间，TurboFan 编译在 wasm.TopTierFinished 事件结束。编译本身从 WebAssembly.compileStreaming() 的 wasm.StartStreamingCompilation 事件开始，从 new WebAssembly.Module() 的 wasm.SyncCompile 事件开始，以及从 WebAssembly.compile() 的 wasm.AsyncCompile 事件开始，分别。Liftoff 编译用 wasm.BaselineCompilation 事件表示，TurboFan 编译用 wasm.TopTierCompilation 事件表示。上图显示了为 Google Earth 记录的跟踪，突出显示了关键事件。

使用 v8.wasm.detailed 类别可以获得更详细的跟踪数据，该类别除了其他信息外，还提供单个函数的编译时间。