前 言

V8 是 Google 開發(fā)及開源的 JavaScript 和 WebAssembly 語言編譯引擎，是 Chromium 項目的一部分，主要應用于 Chrome 瀏覽器 和 Node.js 等項目，在瀏覽器生態(tài)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。自 2020 年起，中科院軟件所 PLCT 實驗室等團隊開始為 V8 引擎開發(fā) RISC-V 后端，并持續(xù)推動 V8 對 RISC-V 架構(gòu)的支持，不斷完善功能完整性，持續(xù)優(yōu)化性能表現(xiàn)。目前，V8 引擎的 RISC-V 后端已經(jīng)完成了解釋器和 JIT 編譯器的開發(fā)，實現(xiàn)了基本功能的完整支持。全球 RISC-V 生態(tài)共建者正在積極推動更多高級特性的開發(fā)與完善，持續(xù)優(yōu)化 V8 在 RISC-V 平臺上的性能與兼容性。

RISC-V 作為新興的架構(gòu)，其后端仍有不少優(yōu)化機會。本文將介紹一些進迭時空在 V8 JavaScript 引擎 RISC-V 后端的優(yōu)化工作，并說明這些優(yōu)化如何提升 JavaScript 在 RISC-V 架構(gòu)上的執(zhí)行效率和整體性能表現(xiàn)。

R I S C - V 后 端 優(yōu) 化

Load/Store 地址計算優(yōu)化

V8 的 LoadStoreSimplificationReducer Pass 會將 LoadOp（Load Operation）和 StoreOp（Store Operation）的地址計算規(guī)約為 Base + Index 的形式，Base 表示基地址，Index 表示索引偏移，比如指令 ld t3, 8(t1) 中 Base 為 t1，Index 為 8，加載地址為 t1 + 8。

·使用 Shift And Add 指令計算 Base

RISC-V Zba Extension 提供了 shift and add 系列指令來快速完成地址計算，使用該系列指令可在地址計算過程省去 1 條指令。以如下代碼為例，在計算 Base 過程中使用了 slli + add 來完成對 Base 的計算，可被 shift and add 指令替換。

·Index 立即數(shù)參數(shù)融合進 Load/Store 指令

有時候 Index 并不一定是立即數(shù)，而是一個通過 WordBinopOp::Add 節(jié)點計算得到的寄存器值，并且該 WordBinopOp::Add 節(jié)點的參數(shù)中存在符合 RISC-V Load/Store 指令索引偏移范圍 [-2048, 2047] 的立即數(shù)，則可以將 Index 中的立即數(shù)參數(shù)融合進 Load/Store 指令中，從而節(jié)省 1 條指令。

更進一步地，如果上述兩種優(yōu)化方法的條件都符合，則可以同時使用兩種優(yōu)化方法，從而節(jié)省 2 條指令。

Comparison + Branch 優(yōu)化

Comparison + Branch 一般位于 BasicBlock 結(jié)束處，用于條件分支跳轉(zhuǎn)。

MERGEB3<-?B2，B1? 21:Phi(#16，#19)[Tagged]? 22:Constant()[heap?object:?0x00ec00000011?? 23:Comparison(#4，#22)[Equal, Tagged]? 24:Branch(#23)[B319，B4，F(xiàn)alse]

如果 ComparisonOp 的 RegisterRepresentation 是 Tagged 類型，則可以將 Tagged 類型映射為 Word32 或者 Word64 類型，如此便可在對 Branch 節(jié)點做指令選擇時，選擇 kRiscvCmp 虛擬指令而不是選擇 kRiscvCmpZero 虛擬指令，同時會將 ComparisonOp 的參數(shù)和 FlagsCondition（表示判斷條件）融合進 kRiscvCmp 虛擬指令中。因此 ComparisonOp 節(jié)點計算結(jié)果不再被直接使用，所以不會對 ComparisonOp 生成指令，從而達到節(jié)省指令的目的。

原來使用 kRiscvCmpZero 節(jié)點時，需要使用 xor + slt 指令來計算 ComparisonOp 的結(jié)果然后再傳給 Branch 指令。切換為 kRiscvCmp 節(jié)點后，可以將 ComparisonOp 操作融合進 Branch 指令中，從而省去 xor 和 slt 指令。

Load + ChangeUint32ToUint64 優(yōu)化

在 Load + ChangeUint32ToUint64 匹配模式下，ChangeUint32ToUint64 用于將 LoadOp 加載出來的 uint32 類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 uint64 類型。

但當 LoadOp 需要加載的數(shù)據(jù)其符號類型為 unsigned，MachineRepresentation 類型為 Word32 時，會選擇 lwu 指令來進行加載，該指令加載數(shù)據(jù)時自身會進行零擴展，故不需要再額外使用 zext.w 指令來進行零擴展，從而省去 zext.w 指令。

IsNumeric 優(yōu)化

IsNumeric(value) 用于判斷給定的 JavaScript 值是否是一個 Number 類型或 BigInt 類型:

Number：表示浮點數(shù)和整數(shù)（如 42，3.14）

BigInt：表示任意精度的大整數(shù)（如 123456789012345678901234567890n）

在 IsNumberic 函數(shù)實現(xiàn)中，需要對 IsHeapNumber 和 IsBigInt 函數(shù)返回值進行 or 運算，而因為 IsBigInt 函數(shù)需要數(shù)條指令完成，所以如果 IsHeapNumber 返回值為 1，則兩者 or 運算的結(jié)果可以直接用 1 來表示，避免通過 IsBigInt 函數(shù)引入較多的指令。

同理，IsSharedStringInstanceType 函數(shù)也可以照此修改優(yōu)化。

DecompressTagged 優(yōu)化

RISC-V Zba Extension 中提供了 zext.w 偽指令可用于零擴展。當使能 V8 Compress pointer 機制時，需要通過DecompressTagged 函數(shù)對 Tagged 類型數(shù)據(jù)進行解壓縮。DecompressTagged 函數(shù)實現(xiàn)中，存在對 source register 上的數(shù)據(jù)執(zhí)行 And 0xFFFFFFFF 的操作，而 0xFFFFFFFF 需要使用 3 條 RISC-V 基礎指令來構(gòu)造。當存在 RISC-V Zba Extension 時，可以使用 zext.w 指令來替換 And 0xFFFFFFFF 操作，從而節(jié)省 3 條指令。

AssembleReturn 優(yōu)化

V8 中 AssembleReturn 用于對 ArchRet 節(jié)點生成指令，當符合下列條件時：

frame_access_state()->has_frame()，即表示當前是否正在使用棧幀。

call_descriptor->IsJSFunctionCall()，即表示當前是否為 JavaScript 函數(shù)調(diào)用。

parameter_slots != 0，即表示當前被調(diào)用函數(shù)的函數(shù)定義中參數(shù)數(shù)量不為 0

則需要將 JavaScript 函數(shù)參數(shù)從棧幀中移出。因?qū)嶋H傳入?yún)?shù)的數(shù)量和函數(shù)定義中參數(shù)的數(shù)量不一定相同，因此需要取兩者之中較大值來進行棧幀調(diào)整。

RISC-V Zbb Extension 提供了 max 指令來獲取兩個參數(shù)的較大值，既減少 1 條指令，又能避免產(chǎn)生分支指令導致分支預測失敗時需要清空流水線。

TaggedIsSmi 優(yōu)化

在 V8 中，為了提高性能和減少內(nèi)存使用，小整數(shù)被直接編碼到 Tagged 類型值中，這種編碼方式使得小整數(shù)無需分配額外的內(nèi)存即可存儲，并且可以直接在寄存器中傳遞，從而提高了運算速度。

TaggedIsSmi 函數(shù)用于判斷 Tagged 類型值是否為 Smi（Small Integer）數(shù)據(jù)，在 V8 中屬于高頻使用函數(shù)。對于 Smi 類型，最低位通常設置為 0；而對于指向堆對象的 Tagged 類型值，最低位則設置為 1。TaggedIsSmi 源碼如下：

TNodeCodeStubAssembler::TaggedIsSmi(TNode a) { staticassert(kSmiTagMask

對應的 IR 節(jié)點則如下圖所示：

25:TaggedBitcast(#0)[Compressed, Word32, TagAndsmiBits]26:Constant()[word32:1]27:Change(#25)[Truncate, NoAssumption, Word64, Word32]28:WordBinop(#27，#26)[BitwiseAnd,Word32]29:Branch(#28)[B5，B4,None]

此處的 BitwiseAnd 運算是與常數(shù) 1 進行 And 運算，必然是在 Word32 數(shù)據(jù)表示范圍內(nèi)，故并不需要進行擴展操作。經(jīng)過優(yōu)化后，TaggedIsSmi 函數(shù)生成的指令序列可節(jié)省 2 條指令。

SwitchTable 二分查找優(yōu)化

AssembleArchBinarySearchSwitch 是用于為 switch-case 語句（特別是 case 值為整數(shù)時）生成高效匯編代碼的方法。它通過使用二分查找算法來優(yōu)化 switch-case 結(jié)構(gòu)的執(zhí)行效率，從而減少條件分支的數(shù)量，提高性能。當使能 Compress pointer 時，會在二分查找比較時將輸入值進行符號擴展操作，然而實際上，輸入值在整個二分查找階段并不會發(fā)生變化，可以對其做循環(huán)不變量提升，減少符號擴展操作的數(shù)量。

CompareTaggedAndBranch 優(yōu)化

CompareTaggedAndBranch 是用于比較兩個值，并根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行條件跳轉(zhuǎn)的函數(shù)。當使能 Compress pointer 時，兩個值需要進行符號擴展之后才能比較。但是如果一個參數(shù)為立即數(shù)并在 [0, 0x7FFFFFFF] 范圍內(nèi)，實際上并不需要進行符號擴展。

性 能 測 試

經(jīng)過進迭時空的多項優(yōu)化，包括但不限于上述改進，V8 基準性能測試的各項指標均取得了不同程度的提升。

結(jié) 束 語

秉承著以 RISC-V 架構(gòu)數(shù)智未來的使命，進迭時空將持續(xù)關(guān)注和支持 RISC-V 生態(tài)的發(fā)展，下一步會陸續(xù)將優(yōu)化成果向 V8 開源社區(qū)貢獻，并與開源社區(qū)伙伴一起繼續(xù)努力，共建 RISC-V 生態(tài)。