JavaScript引擎为何用C语言编写？

JavaScript引擎是使用C语言（以及少量C++）编写的高性能程序，它的核心任务就是执行JavaScript代码。

下面我们从几个层面来深入理解这个关系。

核心关系：为什么用C语言写JavaScript引擎？

要理解这个问题,首先要明白C语言的特点和JavaScript引擎的需求。

C语言的优势：

1. 性能接近硬件：C语言是“贴近系统”的语言，它允许开发者直接操作内存（指针）、管理CPU资源，这使得用C语言编写的程序运行速度极快，非常接近机器码的效率。
2. 可移植性：C语言有“一次编写，到处编译”的特性，你可以将JavaScript引擎的核心代码（比如V8的源码）编译成在Windows、Linux、macOS、Android、iOS等不同操作系统上运行的二进制文件，这就是为什么同一个Node.js或Chrome浏览器可以在不同平台上运行。
3. 对内存的精细控制：JavaScript引擎需要管理大量的内存，
   • 垃圾回收：自动回收不再使用的JavaScript对象，这是引擎最核心、最耗时的任务之一，用C语言可以手动实现极其高效、低延迟的垃圾回收算法。
   • 内存分配：为JavaScript对象在内存中分配空间。
4. 成熟和稳定：C语言是系统编程的基石，拥有数十年的发展历史，工具链（编译器、调试器）非常成熟稳定，适合编写对稳定性和性能要求极高的底层系统。

JavaScript引擎的需求：

1. 极致的速度：JavaScript最初是为简单脚本设计的，但如今被用于复杂的Web应用、服务器端、桌面应用等，引擎必须能以接近原生应用的速度执行代码。
2. 实时性：尤其是在浏览器中，用户交互需要即时响应，长时间的“卡顿”（比如垃圾回收暂停）是不可接受的。
3. 平台无关性：JavaScript本身就是一门跨平台的语言，它的执行引擎也必须是跨平台的。

C语言凭借其无与伦比的性能、对内存的控制能力和优秀的可移植性，成为了编写JavaScript引擎这种高性能、底层系统的不二之选。

JavaScript引擎是如何工作的？（以V8为例）

V8是Google开源的JavaScript引擎,被广泛用于Chrome浏览器和Node.js，我们以它为例，看看它如何将JavaScript代码变成机器指令，其中每一步都离不开C++（C语言的超集，增加了面向对象等特性）。

V8的内部结构（简化版）：

1. 解析器：

   • 功能：读取你的JavaScript代码，将其解析成抽象语法树。
   • 实现：这部分代码是用C++编写的，它需要高效地处理文本、构建树状数据结构。

2. 解释器：

   • 功能：直接将AST转换成字节码，并立即执行字节码，这使得JavaScript代码可以快速运行，无需等待复杂的编译过程。
   • 实现：字节码解释器是一个关键的C++程序，它在一个循环中读取每一条字节码指令，并执行对应的操作（如加法、函数调用等）。

3. 分析器 & 优化编译器：

   • 功能：这是V8实现“JIT（Just-In-Time，即时编译）”的关键，解释器在执行字节码的同时，会分析代码的运行模式（比如哪个函数被频繁调用，变量类型是什么等），当发现一段代码是“热点代码”（Hot Code）时，分析器会将这些信息传递给优化编译器。
   • 优化编译器：它接收AST和性能分析数据，生成高度优化的机器码，如果它发现一个变量在运行时一直是数字类型，它就会生成专门处理数字的机器码，这比通用的字节码快得多。
   • 实现：这部分是V8最复杂、最核心的部分，几乎完全用C++编写，因为它需要根据运行时信息动态生成和优化机器码，这对性能要求极高。

4. 垃圾回收器：

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 功能：自动管理内存，找出不再使用的对象并回收其内存，防止内存泄漏。
   • 实现：V8的垃圾回收器（如分代回收器、增量标记器等）是一个极其复杂的系统，用C++编写，因为它需要精确地控制内存、暂停时间，并确保在垃圾回收过程中不影响JavaScript主线程的运行。

5. 接口层：

   • 功能：作为JavaScript引擎和宿主环境（如Chrome的渲染引擎、Node.js的I/O系统）之间的桥梁，它允许JavaScript调用宿主环境提供的API（如document.getElementById、fs.readFile）。
   • 实现：这部分也是用C++编写的，它定义了如何将JavaScript的调用转换为对底层C++函数的调用。

一个具体的例子：2 + 3

让我们追踪一下这个简单表达式在V8中的旅程：

1. 解析：V8的C++解析器将 2 + 3; 解析成AST。
2. 解释：V8的字节码解释器（C++程序）将AST转换成类似 ADD_CONSTANT R1, R2 这样的字节码指令，并立即执行它，得到结果 5。
3. 优化：如果这段代码在一个循环里被执行了上千次，V8的分析器（C++程序）会注意到它是一个“热点”。
4. 编译：V8的优化编译器（C++程序）会介入，它假设 2 和 3 永远是数字类型，于是生成直接对应CPU加法指令的机器码（add eax, ebx）。
5. 执行：之后，当再次执行这段代码时，V8会直接跳转到这些高度优化的机器码来执行，速度极快。
6. 反优化：如果后来代码变成了 2 + "3"，打破了之前的假设，V8会丢弃之前生成的机器码，回退到字节码解释器执行。

整个过程都是由C++代码驱动的。

核心要点：

• JavaScript引擎不是JavaScript解释器：它是一个极其复杂的软件系统，集了解析、解释、编译、优化、垃圾回收等多种技术。
• C/C++是实现高性能的关键：正是因为底层是用C/C++写的，JavaScript才能在性能上与原生应用一较高下，支撑起现代互联网的复杂应用。
• 跨平台的基础：用C/C++编写引擎，使得JavaScript代码可以在任何有对应编译目标平台的系统上运行，实现了“一次编写，到处运行”的愿景。