[Linux] 新技能：通过代码缓存加速 Node.js 的启动

'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。

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 = [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  ，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_ptrplatform = 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::Localcontext = 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(Localcontext) {   NativeModuleLoader* loader = NativeModuleLoader::GetInstance();   std::vectorids = loader->GetModuleIds();   std::mapdata;   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 = 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  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。

MaybeLocalNativeModuleLoader::CompileAsModule(   Localcontext,   const char* id,   NativeModuleLoader::Result* result) {   Isolate* isolate = context->GetIsolate();   std::vector<1local> 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

MaybeLocalNativeModuleLoader::LookupAndCompile(   Localcontext,   const char* id,   std::vector<1local>* parameters,   NativeModuleLoader::Result* result) {   Isolate* isolate = context->GetIsolate();   EscapableHandleScope scope(isolate);   Localsource;   // 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;   Localfilename =     OneByteString(isolate, filename_s.c_str(), filename_s.size());   ScriptOrigin origin(isolate, filename, 0, 0, true);   ScriptCompiler::CachedData* cached_data = 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 = 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   MaybeLocalmaybe_fun =     ScriptCompiler::CompileFunctionInContext(context,                          &script_source,                          parameters->size(),                          parameters->data(),                          0,                          nullptr,                          options);   Localfun;   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_ptrnew_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。

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。