通过代码缓存加速 Node.js 的启动

前言：之前的文章介绍了通过快照的方式加速 Node.js 的启动，除了快照，V8 还提供了另一种技术加速代码的执行，那就是代码缓存。通过 V8 第一次执行 JS 的时候，V8 需要即时进行解析和编译 JS代码，这个是需要一定时间的，代码缓存可以把这个过程的一些信息保存下来，下次执行的时候，通过这个缓存的信息就可以加速 JS 代码的执行。本文介绍在 Node.js 里如何利用代码缓存技术加速 Node.js 的启动。

首先看一下 Node.js 的编译配置。

'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)',
    ],
  },
],

通过这个配置，在编译 Node.js 的时候，会执行 js2c.py，并且把输入写到 node_javascript.cc 文件。我们看一下生成的内容。

里面定义了一个函数，这个函数里面往 source_ 字段里不断追加一系列的内容，其中 key 是 Node.js 中的原生 JS 模块信息，值是模块的内容，我们随便看一个模块 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'))

输出如下。

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

通过 js2c.py 脚本，Node.js 把原生 JS 模块的内容写到了文件中，并且编译进 Node.js 的可执行文件里，这样在 Node.js 启动时就不需要从硬盘里读取对应的文件，否则无论是启动还是运行时动态加载原生 JS 模块，都需要更多的耗时，因为内存的速度远快于硬盘。这是 Node.js 做的第一个优化，接下来看代码缓存，因为代码缓存是在这个基础上实现的。首先看一下编译配置。

['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'
  ],
}],

如果编译 Node.js 时 node_use_node_code_cache 为 true 则生成代码缓存。如果我们不需要可以关掉，具体执行 ./configure --without-node-code-cache。如果我们关闭代码缓存， Node.js 关于这部分的实现是空，具体在 node_code_cache_stub.cc。

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

也就是什么都不做。如果我们开启了代码缓存，就会执行 mkcodecache.cc 生成代码缓存。

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;
}

首先打开文件，然后是 V8 的常用初始化逻辑，最后通过 Generate 生成代码缓存。

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);
}

首先新建一个 NativeModuleLoader。

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

NativeModuleLoader 初始化时会执行 LoadJavaScriptSource，这个函数就是通过 python 脚本生成的 node_javascript.cc 文件里的函数，初始化完成后 NativeModuleLoader 对象的 source_ 字段就保存了原生 JS 模块的代码。接着遍历这些原生 JS 模块，通过 CompileAsModule 进行编译。

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);
}

接着看 LookupAndCompile

MaybeLocal NativeModuleLoader::LookupAndCompile(
    Local context,
    const char* id,
    std::vector>* parameters,
    NativeModuleLoader::Result* result) {
  Isolate* isolate = context->GetIsolate();
  EscapableHandleScope scope(isolate);
  Local source;
  // 根据 key 从 source_ 字段找到模块内容
  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_);
    // 判断是否有代码缓存
    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;
  // 如果有代码缓存则传入             
  ScriptCompiler::Source script_source(source, origin, cached_data);
  // 进行编译
  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;
  // 生成代码缓存保存下来，最后写入文件，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);
}

第一次执行的时候，也就是编译 Node.js 时，LookupAndCompile 会生成代码缓存写到文件 node_code_cache.cc 中，并编译进可执行文件，内容大致如下。

除了这个函数还有一系列的代码缓存数据，这里就不贴出来了。在 Node.js 第一次执行的初始化阶段，就会执行上面的函数，在 code_cache 字段里保存了每个模块和对应的代码缓存。初始化完毕后，后面加载原生 JS 模块时，Node.js 再次执行 LookupAndCompile，就个时候就有代码缓存了。当开启代码缓存时，我的电脑上 Node.js 启动时间大概为 40 毫秒，当去掉代码缓存的逻辑重新编译后，Node.js 的启动时间大概是 60 毫秒，速度有了很大的提升。

总结：Node.js 在编译时首先把原生 JS 模块的代码写入到文件并，接着执行 mkcodecache.cc 把原生 JS 模块进行编译和获取对应的代码缓存，然后写到文件中，同时编译进 Node.js 的可执行文件中，在 Node.js 初始化时会把他们收集起来，这样后续加载原生 JS 模块时就可以使用这些代码缓存加速代码的执行。

网页标题：通过代码缓存加速 Node.js 的启动
URL标题：http://www.shufengxianlan.com/qtweb/news15/384365.html

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