新技能（通过代码缓存加速 Node.js 的启动）

【新技能（通过代码缓存加速 Node.js 的启动）】得意犹堪夸世俗，诏黄新湿字如鸦。这篇文章主要讲述新技能：通过代码缓存加速 Node.js 的启动相关的知识，希望能为你提供帮助。

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。

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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。

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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 = https://www.songbingjia.com/android/[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 = https://www.songbingjia.com/android/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 = https://www.songbingjia.com/android/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 = https://www.songbingjia.com/android/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。

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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。