So funktioniert die JavaScript-Kompilierung

JavaScript ist eine der am weitesten verbreiteten Programmiersprachen, vor allem aufgrund seiner Rolle in der Webentwicklung. Ursprünglich handelte es sich um eine interpretierte Sprache, was bedeutete, dass der Browser den JavaScript-Code Zeile für Zeile las und ausführte. Mit der Entwicklung moderner JavaScript-Engines hat sich der Prozess jedoch in Richtung Kompilierung und Optimierung verlagert. In diesem Artikel untersuchen wir die Funktionsweise von JavaScript-Compilern und konzentrieren uns dabei auf die Konzepte hinter dem Kompilierungsprozess.

Interpretierte vs. kompilierte Sprachen
Bevor wir uns mit den Details der JavaScript-Kompilierung befassen, ist es wichtig, den Unterschied zwischen interpretierten und kompilierten Sprachen zu verstehen:

Interpretierte Sprachen: Code wird Zeile für Zeile von einem Interpreter ausgeführt, ohne ihn vorher in Maschinencode umzuwandeln. Dies ermöglicht dynamisches Verhalten, führt jedoch oft zu einer langsameren Ausführung.
Kompilierte Sprachen: Code wird vor der Ausführung in Maschinencode übersetzt. Dies führt im Allgemeinen zu einer schnelleren Ausführung, da die CPU den Maschinencode direkt verstehen kann.

JavaScript steht im Mittelfeld. In der Vergangenheit wurde es von Browsern interpretiert, aber moderne Engines wie Googles V8 (verwendet in Chrome und Node.js) haben die Just-In-Time-Kompilierung (JIT) eingeführt, um die Leistung zu verbessern.

JavaScript Engine: Der Kern der Kompilierung
JavaScript-Compiler sind Teil einer sogenannten JavaScript-Engine. Jeder Browser verfügt über eine eigene JavaScript-Engine:

V8: Google Chrome und Node.js
SpiderMonkey: Mozilla Firefox
Chakra: Microsoft Edge (vor dem Wechsel zu Chromium)
JavaScriptCore: Safari

Alle diese Engines implementieren den ECMAScript-Standard, der definiert, wie sich JavaScript verhalten soll. Schauen wir uns die Schritte an, die eine typische JavaScript-Engine benötigt, um Code auszuführen.

So funktioniert die JavaScript-Kompilierung
Den Quellcode analysieren Der erste Schritt im Kompilierungsprozess ist das Parsen. Die Engine zerlegt den JavaScript-Code in zwei Phasen in einen Abstract Syntax Tree (AST).

Lexikalische Analyse (Tokenisierung): Der JavaScript-Code wird in kleine Teile, sogenannte Token, aufgeteilt. Jedes Token repräsentiert grundlegende Elemente wie Schlüsselwörter, Variablennamen, Operatoren usw.
Syntaxanalyse: Die Token werden dann in einer baumartigen Struktur namens Abstract Syntax Tree (AST) organisiert. Dieser Baum stellt die hierarchische Struktur des Programms dar.

sei x = 10;

Der obige Code würde in Token wie let, x, = und 10 zerlegt und dann im AST angeordnet, um zu verstehen, wie der Variablen x der Wert 10 zugewiesen wird.

1. Intermediate Representation (IR) Nach dem Erstellen des AST wandelt die Engine ihn in eine Intermediate Representation (IR) um. Dabei handelt es sich um einen abstrakten Code auf Maschinenebene, der für die Engine einfacher zu optimieren ist. Die IR dient als Brücke zwischen dem Quellcode und dem Maschinencode und hilft dabei, verschiedene Optimierungen vor der endgültigen Ausführung anzuwenden.

3.Just-In-Time-Kompilierung (JIT) Moderne JavaScript-Engines verwenden eine Technik namens Just-In-Time-Kompilierung (JIT), um die Leistung zu optimieren. JIT-Compiler übernehmen Teile des Codes und kompilieren sie in Maschinencode, kurz bevor sie benötigt werden. Dies bietet die Vorteile sowohl interpretierter als auch kompilierter Sprachen.

Baseline-Compiler: Ein Baseline-JIT-Compiler kompiliert den JavaScript-Code zunächst schnell und ohne große Optimierung in Maschinencode. Dies ermöglicht eine schnelle Ausführung, ist jedoch möglicherweise nicht die effizienteste.
Optimierung und Deoptimierung: Die Engine überwacht dann die Leistung des Codes während der Laufzeit. Wenn es häufig ausgeführten Code (auch „heißer“ Code genannt) erkennt, optimiert es diesen Teil weiter, indem es fortschrittliche Techniken wie Inlining-Funktionen oder die Reduzierung redundanter Vorgänge anwendet.
Deoptimierung: Wenn sich die bei der Optimierung getroffenen Annahmen als falsch erweisen (z. B. wurde angenommen, dass eine Variable immer eine Zahl ist, später aber zu einer Zeichenfolge wird), kann die Engine den Code deoptimieren und ihn auf eine weniger optimierte Version zurücksetzen.

1. Garbage Collection JavaScript-Engines verwalten den Speicher automatisch durch einen Prozess, der als Garbage Collection bezeichnet wird. Dieser Prozess identifiziert Objekte, die nicht mehr verwendet werden, und gibt Speicher frei. Moderne Engines nutzen Strategien wie Mark-and-Sweep und Generational Garbage Collection, um den Speicher effizient zu verwalten und sicherzustellen, dass die Anwendung reibungslos und ohne Speicherverluste läuft.

Beispiel: V8-Motor
Werfen wir einen Blick darauf, wie die V8-Engine von Google diesen Prozess implementiert.

Ignition: V8 verwendet eine Komponente namens Ignition, um Bytecode aus JavaScript zu generieren. Bytecode ist eine Darstellung des Quellcodes auf niedrigerer Ebene, die immer noch abstrakt, aber einfacher auszuführen ist als reines JavaScript.
Turbofan: Wenn ein Teil des Bytecodes häufig ausgeführt wird, verwendet die V8-Engine ihren optimierenden Compiler Turbofan, um diesen Bytecode weiter in hochoptimierten Maschinencode zu kompilieren.
Inline-Caching: Eine weitere Technik, die V8 verwendet, ist das Inline-Caching, das sich die Objekttypen und Operationen in häufig ausgeführten Funktionen merkt. Dies hilft bei der Optimierung des Codes, indem weniger Annahmen über das Verhalten des Codes getroffen werden, was zu einer schnelleren Ausführung führt.

Wichtige Optimierungen bei der JavaScript-Kompilierung

Inlining: Ersetzen von Funktionsaufrufen durch den Funktionskörper, um den Overhead zu reduzieren.
Typspezialisierung: Annahmen über Variablentypen treffen, um effizienteren Code zu generieren.
Eliminierung von totem Code: Entfernen von Code, der nie ausgeführt wird.
Lazy Compilation: Kompilieren nur der Teile des Codes, die tatsächlich verwendet werden.

Fazit
Der Wandel von JavaScript von einer rein interpretierten Sprache zu einer Sprache, die stark auf der JIT-Kompilierung basiert, hat seine Leistung erheblich verbessert. Moderne JavaScript-Engines wie V8 kombinieren mehrere Techniken, um Code effizient zu analysieren, zu optimieren und auszuführen, sodass JavaScript komplexe Anwendungen in Browsern und Serverumgebungen ausführen kann. Wenn Entwickler verstehen, wie diese Engines funktionieren, erhalten sie Einblicke in das Schreiben von effizienterem, optimiertem Code, der die Fähigkeiten der Engine optimal nutzt.

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