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Prepack——让JavaScript代码运行更快速

原文:https://prepack.io/
翻译:Aladdin

Prepack是一个JavaScript源代码优化工具:实际上它是一个JavaScript的部分求值器(Partial Evaluator),可在编译时执行原本在运行时的计算过程,并通过重写JavaScript代码来提高其执行效率。Prepack用简单的赋值序列来等效替换JavaScript代码包中的全局代码,从而消除了中间计算过程以及对象分配的操作。对于重初始化的代码,Prepack可以有效缓存JavaScript解析的结果,使得优化效果最佳。

Prepack目前还处于开发初期,尚未完全投入生产使用。请诸位尝试并提供反馈,帮助我们修复bug。

入门:https://prepack.io/getting-started.html

试用:https://prepack.io/repl.html

几个优化小例子

Hello,World

优化前:
(function () {
  function hello() { return 'hello'; }
  function world() { return 'world'; }
  global.s = hello() + ' ' + world();
})();
优化后:
(function () {
  s = "hello world";
})();

消除抽象税

 优化前:
(function () {
  var self = this;
  ['A', 'B', 42].forEach(function(x) {
    var name = '_' + x.toString()[0].toLowerCase();
    var y = parseInt(x);
    self[name] = y ? y : x;
  });
})();
优化后:
(function () {
  _a = "A";
  _b = "B";
  _4 = 42;
})();

斐波那契数列

优化前:
(function () {
  function fibonacci(x) {
    return x <= 1 ? x : fibonacci(x - 1) + fibonacci(x - 2);
  }
  global.x = fibonacci(23);
})();
优化后:
(function () {
  x = 28657;
})();

模块初始化

优化前:
(function () {
  let moduleTable = {};
  function define(id, f) { moduleTable[id] = f; }
  function require(id) {
    let x = moduleTable[id];
    return x instanceof Function ? (moduleTable[id] = x()) : x;
  }
  global.require = require;
  define("one", function() { return 1; });
  define("two", function() { return require("one") + require("one"); });
  define("three", function() { return require("two") + require("one"); });
  define("four", function() { return require("three") + require("one"); });
})();
three = require("three");
优化后:
(function () {
  function _2() {
    return 3 + 1;
  }

  var _1 = {
    one: 1,
    two: 2,
    three: 3,
    four: _2
  };

  function _0(id) {
    let x = _1[id];
    return x instanceof Function ? _1[id] = x() : x;
  }

  require = _0;
  three = 3;
})();

请注意大多数计算是如何预先初始化的。然而,计算four( _2)的函数保留在剩余程序中,因为它在初始化时没有被调用。

环境相互作用和分支

 优化前:
(function(){
  function fib(x) { return x <= 1 ? x : fib(x - 1) + fib(x - 2); }
  let x = Date.now();
  if (x === 0) x = fib(10);
  global.result = x;
})();
优化后:
(function () {
  var _0 = Date.now();
  if (typeof _0 !== "number") {
    throw new Error("Prepack model invariant violation");
  }
  result = _0 === 0 ? 55 : _0;
})();

它是如何工作的?

以下五个概念可以帮助你更好地理解Prepack的运行机制:
- 抽象语法树(AST)

Prepack在AST级别运行,使用Babel解析并生成JavaScript源代码。

  • 具体执行(Concrete Execution)

    Prepack的核心是一个JavaScript解释器,它与ECMAScript 5几乎完全兼容,而且紧密地保持与ECMAScript 2016语言规范的一致性,你可以将Prepack中的解释器视为完全参照JavaScript实现的。

    解释器能够跟踪并撤销包括所有对象Mutation在内的结果,从而能够进行推测优化(Speculative Optimization)。

  • 符号执行(Symbolic Execution)
    除了对具体值进行计算外,Prepack的解释器还可以操作受环境相互作用影响的抽象值。例如Date.now可以返回一个抽象值,你可以通过helper辅助函数(如__abstract())手动注入抽象值。Prepack会跟踪所有在抽象值上执行的操作,在遇到分支时,Prepack会执行并探索所有可能性。所以,Prepack实现了一套JavaScript的符号执行引擎。

  • 抽象释义(Abstract Interpretation)

    符号执行在遇到抽象值的分支时会分叉(fork),Prepack会在控制流合并点加入分歧执行(Diverged Execution)来实现抽象释义的形式。连接变量和堆属性可能会得到条件抽象值,Prepack会跟踪有关抽象值和型域(Type Domain)的信息。

  • 堆序列化(Heap Serialization)

    当全局代码返回,初始化阶段结束时,Prepack捕获最终的堆并按顺序排列堆栈,生成直观的JavaScript新代码,创建并链接初始化堆中可访问的所有对象。堆中的一些值可能是抽象值的计算结果,对于这些值,Prepack将生成原始程序完成计算所执行的代码。

环境很重要!

开箱即用,Prepack并没有完全建模浏览器或node.js环境:Prepack没有内置documentwindow。实际上,在编写引用这些属性的代码的时候,它们会评估undefined。您将必须在要优化的代码的开头插入相关功能模块。

以下帮助函数有助于编写功能模块。

// Assume that a certain property has a simple known value.
__assumeDataProperty(global, "obscure", undefined);
// Assume that a certain property has a simple unknown value.
__assumeDataProperty(global, "notSoObscure", __abstract());
// Assume that a richly structured value exists
__assumeDataProperty(global, "rich", __abstract({
  x: __abstract("number"),
  y: __abstract("boolean"),
  z: __abstract("string"),
  nested: __abstract({
    x: __abstract()
  })
}));
// Forbid any accesses to an object except at known positions
__makePartial(global);
// At this point, accessing global.obscure, global.notSoObscure, global.rich.nested.x is okay,
// but accessing global.unknown or global.rich.unknown would cause an introspection error.

// The following tells Prepack to embed and call some code in the residual program.
// The code must not have any side effects on the reachable JavaScript heap.
__residual("object", function(delay) {
  return global.pushSelfDestructButton(delay);
}, "5 minutes");

未来规划

短期

  • 稳定现有功能集,用于预优化(Prepack)React Native代码包
  • 集成React Native工具链
  • 根据React Native使用的模块系统的假设来构建优化

中期

  • 进一步优化序列化(Serialization),包括
    • 消除不暴露identity的对象,
    • 消除未使用的导出属性,
  • 预优化每个函数、基本代码块、语句、表达式
  • 与ES6保持完全一致
  • 支持广泛的模块系统
  • 假设ES6支持某些功能,延迟完成或直接忽略Polyfill应用
  • 进一步实现Web和Node.js环境中的兼容性目标
  • 深入集成JavaScript虚拟机,改进堆反序列化过程,包括
    • 暴露“对象懒初始化”的概念 - 以一种JavaScript无感知的方式,在首次使用对象时对其进行初始化
    • 通过专门的字节码对普通对象的创建进行高效编码
    • 将代码分为两个阶段:1) 非环境依赖阶段,虚拟机可以安全地捕获并恢复生成的堆;2)环境依赖阶段,通过从环境中获得的值执行所有剩余的计算过程来拼凑具体的堆
  • 总结循环和递归

长期 - 利用Prepack作为平台

  • JavaScript Playground - 通过调整JavaScript引擎体验JavaScript特性,这些引擎由JavaScript所编写,托管在浏览器中;你可以把它想象成一个“Babel虚拟机”,实现了不能被编译的JavaScript新特性
  • 错误查找 - 查找异常崩溃,执行性能问题…
  • 效果分析,例如用于检测模块工厂功能的可能副作用或强制纯净注释
  • 类型分析
  • 信息流分析
  • 调用图推理,允许内联和代码索引
  • 自动测试生成,利用符号执行的特性与约束求解器(Constraint Solver)结合来计算执行不同执行路径的输入
  • 智能模糊(Smart Fuzzing)
  • JavaScript沙盒 - 以不可观察的方式有效地测试JavaScript代码

相关技术

Closure Compiler也能压缩优化JavaScript代码。而Prepack则在运行全局代码时,通过展开循环和递归的方式来完成代码的初始化。另外,Prepack专注于优化后代码运行时的性能,而Closure Compiler则侧重于压缩后JavaScript代码的大小。

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