V8 Engine

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V8 Engine

About

V8 엔진은 구글에서 개발한 고성능 오픈소스 C++로 작성된 JavaScript 및 WebAssembly 엔진이다.

Chrome 및 Node.js에서 사용되고 있다.
ECMAScript와 WebAssembly를 구현한다.

재밌는 점은 V8은 원래 의 종류를 의미하는 단어이기도 하다. 또한, 내부적으로 엔진 관련 용어들(Ignition 등)이 사용된다.

Flow

자바스크립트를 바이트코드로 변환하는 인터프리터인 Ignition에 AST를 넘기게 된다.
컴퓨터가 해석하기 쉬운 바이트 코드로 변환함으로써 원본 코드를 다시 파싱(Parsing)해야되는 수고를 덜고, 코드의 양도 줄이면서 코드 실행 때 차지하는 메모리 공간을 아낄 수 있다.
이후 이 바이트코드를 V8 엔진이 실행하면서 우리가 작성한 프로그램이 실행된다. 그 중에서 자주 사용되는 코드는 TurboFan으로 보내져서 최적화된 코드(Optimized Machine Code)로 다시 컴파일된다. 그러다가 사용이 덜 된다 싶으면 다시 Deoptimizing하게 된다.

Parsing (AST Generation)

위에서 말했다시피 파싱(Parsing)이란 소스코드로부터 추상 구문 트리(AST; Abstract Syntax Tree)로 변환하는 과정이다.

표현식 등에서 토큰을 추출해 + 연산자 같은 것을 만나면 Token::ADD 등으로 검사해 조건에 맞게 파싱한다.
이 과정에서 변수, 함수, 조건문 등과 같은 코드의 의미를 파악하고, 범위(Scope)를 설정한다.
이 과정을 C++로 수행한다.

Ignition (Byte Code Generation)

바이트 코드는 기계어(0101010...)이 아니라, 고급 언어(JavaScript)로 작성된 소스코드를 기계어로 바꾸기 전에 중간 코드로 한번 컴파일한 결과물이다.

V8 엔진에서는 Ignition을 통해 JavaScript 코드가 바이트코드로 변환된다.

Ignition이란 기존 V8 엔진의 Full-codegen을 대체하는 인터프리터이다.

Full-codegen은 전체 소스 코드를 한번에 컴파일해서 메모리 점유율이 높았다. 또한 JavaScript는 C++과 같은 정적 타이핑 언어가 아닌 동적 타이핑 언어라서 소스 코드가 실행되기 전까지 알 수 없는 값들이 너무 많아서 최적화하기가 어려웠다고 한다.

Ignition은 코드 한줄 한줄이 실행될 때마다 해석하는 "인터프리터" 방식을 채택하여 세 가지 이점을 가져가고자 했다.

메모리 사용량 감소 - JS -> 기계어보다 바이트코드로 컴파일하는 것이 더 편하다.
Parsing 간 오버헤드 감소 - 바이트코드는 간결하므로 다시 파싱하기 편하다.
컴파일 Pipeline 복잡성 감소 - Optimizing / Deoptimizing 둘 다 바이트코드만 신경쓰면 되므로 편하다.

node 명령어를 사용할 때 --print-bytecode 옵션을 넘겨주면 소스 코드가 어떻게 바이트코드로 인터프리팅 되었는지 확인할 수 있다.

$ node --print-bytecode some-file.js

V8 엔진은 우리가 작성한 JavaScript 코드를 바이트코드로 전부 변환해 놓기 때문에, 처음에는 시간이 걸리더라도 그 이후에는 컴파일 언어와 가까운 성능을 보일 수 있다.

TurboFan

TurboFan은 V8 엔진 v5.9부터 기존에 사용되던 CrankShaft 컴파일러를 대체하는 최적화 담당 컴파일러이다.

처음 V8이 나온 뒤로 새로운 컴퓨터 아키텍처도 등장하고 JavaScript도 지속적으로 발전해서 V8도 지원을 계속했다. V8 팀은 새로운 사양에 맞춰 V8을 지속적으로 업데이트해줘야 했는데, 결국 Crankshaft의 구조로는 지속적 확장이 어렵다고 판단하였고, 여러 레이어로 계층화하여 좀 더 확장에 용이한 TurboFan을 만들어 사용하고 있다.

Crankshaft로는 13,000~16,000줄의 코드로 작성했던 걸 TurboFan으로 옮겼더니 3,000줄 미만의 코드로 커버가 가능했다고 한다.

V8 엔진은 런타임에서 Profiler에게 함수나 변수의 호출 빈도 같은 데이터를 모으게 하고, 이렇게 모인 데이터를 TurboFan에게 가져가면 TurboFan이 최적화하도록 한다.

최적화 기법으로는 비슷한 것끼리 분류해 가져다 쓰는 히든 클래스(Hidden Class), 자주 사용되는 코드를 함수의 내용으로 바꿔버리는 인라인 캐싱(IC; Inline Caching) 등이 있다.

최적화 기준은 코드가 뜨겁고(자주 호출되고) 안정적(코드가 안 변함)이거나(kHotAndStable), 인터프리팅된 바이크 코드의 길이가 특정 임계점을 넘지 않으면 작은 함수(kSmallFunction)로 판단해 최적화를 진행한다.

이 부분은 v8/src/execution/runtime-profiler.cc에 정의되어 있었는데 지금은 흩어진 듯 하다.

node를 실행할 때 --trace-opt 옵션을 주면 TurboFan이 최적화 작업 등을 수행하는 모습을 볼 수 있다.

$ node --trace-opt some-file.js

REF