基于C实现的JavaScript引擎-QuickJS
2023-07-31 10:00:47 
阿炯
QuickJS 是一个轻量且可嵌入的 JavaScript 引擎，它支持 ES2019 规范，包括 ES module、异步生成器以及 proxies。除此之外，还支持可选的数学扩展，例如大整数 (BigInt)、大浮点数 (BigFloat) 和运算符重载。采用C语言编写开发并在MIT协议下授权使用。
特点
轻量且方便嵌入：其只包含一些 C 语言文件，没有额外的依赖，运行一个简单的 hello world 只需要 190 KiB 的 x86 代码；
拥有启动时间极短的快速解释器：在单核的台式 PC 上，运行 ECMAScript 测试套件的 56000 个测试大约在 100 秒内完成。一个 runtime 实例的完整生命周期在不到 300ms 内完成；
几乎完整的 ES2019 支持，包括 ES module、异步生成器和完整的 Annex B 支持（传统的 Web 兼容性）；
完全通过了 ECMAScript 测试套件的测试；
可将 JavaScript 源码编译为没有外部依赖的可执行文件；
基于引用计数的 GC（以减少内存使用并具有确定性行为）；
数学扩展：BigInt、BigFloat、运算符重载、bigint mode 和 math mode；
使用 Javascript 实现的具有上下文着色功能（contextual colorization）的命令行解释器；
包含使用 C 语言库封装的轻量级内置标准库。
功能
小而易于嵌入：引擎由几个C文件组成，并且没有任何外部依赖性。
快速解释器：解释器通过在100秒内从ECMAScript Test Suite1运行56,000次测试，并且在单核CPU上运行，显示出令人印象深刻的速度。运行时实例在不到300微秒的时间内完成其整个过程。
支持ES2019：几乎囊括全部对ES2019规范的支持，包括模块、异步生成器和完整的附件B支持（传统Web兼容性）。目前它并不支持逻辑子域和尾部调用。
没有外部依赖：它可以在没有任何外部支持的情况下将JavaScript源代码编译为可执行文件。
命令行解释器：命令行解释器带有在Javascript中实现语境着色并完善的功能。
垃圾收集：它使用引用计数和循环删除来自动和确定地释放对象。这减少了内存使用并确保了JavaScript引擎的确定性行为。
数学扩展：可以在'qjsbn'版本中找到所有数学扩展，它们与标准Javascript完全向下兼容。它支持大整数（BigInt）、大浮点数（BigFloat）、运算符重载，同时也附带'bigint'和'math'模式。
内部实现
1、Bytecode
编译器直接生成字节码，没有中间表示（如解析树），因此非常快速。在生成的字节码上进行了多个优化步骤。选择了基于堆栈的字节码，因为它简单且生成的代码紧凑。对于每个函数，编译时计算最大堆栈大小，因此不需要运行时堆栈溢出测试。为调试信息维护了一个单独的压缩行号表。对闭包变量的访问进行了优化，并且几乎与局部变量一样快。对严格模式下的直接eval进行了优化。
2、Executable generation
2.1 qjsc 编译器
qjsc编译器从Javascript文件生成C源代码。默认情况下，C源代码使用系统编译器（gcc或clang）进行编译。生成的C源代码包含已编译函数或模块的字节码。如果需要完整的可执行文件，它还包含一个main()函数，其中包含必要的C代码来初始化Javascript引擎，并加载和执行已编译的函数和模块。
可以将Javascript代码与C模块混合使用。为了生成更小的可执行文件，可以禁用特定的Javascript功能，特别是eval或正则表达式。代码删除依赖于系统编译器的链接时优化。
2.2 二进制 JSON
qjsc通过编译脚本或模块，然后将它们序列化为二进制格式来工作。该格式的一个子集（不包括函数或模块）可以用作二进制JSON。示例test_bjson.js展示了如何使用它。
警告：二进制JSON格式可能会在不经通知的情况下更改，因此不应将其用于存储持久数据。test_bjson.js示例仅用于测试二进制对象格式的函数。
运行时
1、Strings
字符串存储为8位或16位字符数组。因此，随机访问字符总是很快。C API提供将Javascript字符串转换为C UTF-8编码字符串的函数。最常见情况是 Javascript字符串仅包含ASCII 字符串不涉及复制。
2、Objects
对象形状（对象原型、属性名称和标志）在对象之间共享，以节省内存。优化了没有洞（除了数组末尾）的数组。TypedArray访问已优化。
3、Atoms
对象属性名称和一些字符串被存储为原子（唯一字符串），以节省内存并允许快速比较。原子表示为32位整数。原子范围的一半保留给从 0 到 2^{31}-1 的立即整数字面值。
4、Numbers
数字可以表示为32位有符号整数或64位IEEE-754浮点数值。大多数操作都针对32位整数情况有快速路径。
5、垃圾回收
引用计数用于自动和准确地释放对象。当分配的内存变得过大时，会进行单独的循环移除操作。循环移除算法仅使用引用计数和对象内容，因此在C代码中不需要显式操作垃圾收集根。
6、JSValue
JSValue是一个Javascript值，可以是原始类型（例如Number、String等）或对象。在32位版本中，使用NaN装箱来存储64位浮点数。表示形式经过优化，可以高效地测试32位整数和引用计数值。
在64位代码中，JSValue的大小为128位，并且不使用NaN装箱。原因是在64位代码中，内存使用不那么关键。在两种情况下（32位或64位），JSValue恰好适应两个CPU寄存器，因此可以通过C函数高效地返回。
7、函数调用
引擎已经过优化，因此函数调用很快。系统堆栈包含Javascript参数和局部变量。
RegExp
开发了一个特定的正则表达式引擎。它既小又高效，并支持所有ES2019功能，包括Unicode属性。作为Javascript编译器，它直接生成没有解析树的字节码。使用显式堆栈的回溯使得系统堆栈上没有递归。简单的量化器经过专门优化，以避免递归。来自具有空项的量化器的无限递归被避免。完整的正则表达式文件库的权重约为15 KiB（x86代码），不包括Unicode库。
Unicode
开发了一个特定的Unicode库，因此不依赖于外部大型Unicode库，例如ICU。压缩所有Unicode表，同时保持合理的访问速度。该库支持大小写转换，Unicode规范化，Unicode脚本查询，Unicode常规类别查询和所有Unicode二进制属性。完整的Unicode库大约重量为45 KiB（x86代码）。
BigInt 和 BigFloat
BigInt 和 BigFloat 是用libbf 库 libbf 库实现的4。它大概有60 KiB (x86 代码) 并提供任意精度的IEEE 754 浮点运算和具有精确舍入的超越函数。
其作者是 Fabrice Bellard，知名开源项目 FFMPEG 和 QEMU 创建人。
最新版本：250426
移除了大数扩展和 qjscalc。
针对小数字优化了新的 BigInt 实现。
添加了 WeakRef、FinalizationRegistry，并将符号作为弱引用。
添加了内置的 float64 打印和解析函数，以提高准确性。
重复字符串拼接速度更快。
qjs：默认情况下，未处理的 Promise 拒绝是致命错误。
在调试信息中添加了列号。
移除了 “use strip” 扩展。
qjs：添加了 -s 和 --strip-source 选项。
qjsc：添加了 -s 和 --keep-source 选项。
添加了 JS_GetAnyOpaque() 函数。
在 JSClassExoticMethods 中为奇异对象添加了更多回调函数。
修复了一些杂项错误。
官方站点：https://bellard.org/quickjs/
中文站点：https://github.com/quickjs-zh/
特点
轻量且方便嵌入：其只包含一些 C 语言文件，没有额外的依赖，运行一个简单的 hello world 只需要 190 KiB 的 x86 代码；
拥有启动时间极短的快速解释器：在单核的台式 PC 上，运行 ECMAScript 测试套件的 56000 个测试大约在 100 秒内完成。一个 runtime 实例的完整生命周期在不到 300ms 内完成；
几乎完整的 ES2019 支持，包括 ES module、异步生成器和完整的 Annex B 支持（传统的 Web 兼容性）；
完全通过了 ECMAScript 测试套件的测试；
可将 JavaScript 源码编译为没有外部依赖的可执行文件；
基于引用计数的 GC（以减少内存使用并具有确定性行为）；
数学扩展：BigInt、BigFloat、运算符重载、bigint mode 和 math mode；
使用 Javascript 实现的具有上下文着色功能（contextual colorization）的命令行解释器；
包含使用 C 语言库封装的轻量级内置标准库。
功能
小而易于嵌入：引擎由几个C文件组成，并且没有任何外部依赖性。
快速解释器：解释器通过在100秒内从ECMAScript Test Suite1运行56,000次测试，并且在单核CPU上运行，显示出令人印象深刻的速度。运行时实例在不到300微秒的时间内完成其整个过程。
支持ES2019：几乎囊括全部对ES2019规范的支持，包括模块、异步生成器和完整的附件B支持（传统Web兼容性）。目前它并不支持逻辑子域和尾部调用。
没有外部依赖：它可以在没有任何外部支持的情况下将JavaScript源代码编译为可执行文件。
命令行解释器：命令行解释器带有在Javascript中实现语境着色并完善的功能。
垃圾收集：它使用引用计数和循环删除来自动和确定地释放对象。这减少了内存使用并确保了JavaScript引擎的确定性行为。
数学扩展：可以在'qjsbn'版本中找到所有数学扩展，它们与标准Javascript完全向下兼容。它支持大整数（BigInt）、大浮点数（BigFloat）、运算符重载，同时也附带'bigint'和'math'模式。
内部实现
1、Bytecode
编译器直接生成字节码，没有中间表示（如解析树），因此非常快速。在生成的字节码上进行了多个优化步骤。选择了基于堆栈的字节码，因为它简单且生成的代码紧凑。对于每个函数，编译时计算最大堆栈大小，因此不需要运行时堆栈溢出测试。为调试信息维护了一个单独的压缩行号表。对闭包变量的访问进行了优化，并且几乎与局部变量一样快。对严格模式下的直接eval进行了优化。
2、Executable generation
2.1 qjsc 编译器
qjsc编译器从Javascript文件生成C源代码。默认情况下，C源代码使用系统编译器（gcc或clang）进行编译。生成的C源代码包含已编译函数或模块的字节码。如果需要完整的可执行文件，它还包含一个main()函数，其中包含必要的C代码来初始化Javascript引擎，并加载和执行已编译的函数和模块。
可以将Javascript代码与C模块混合使用。为了生成更小的可执行文件，可以禁用特定的Javascript功能，特别是eval或正则表达式。代码删除依赖于系统编译器的链接时优化。
2.2 二进制 JSON
qjsc通过编译脚本或模块，然后将它们序列化为二进制格式来工作。该格式的一个子集（不包括函数或模块）可以用作二进制JSON。示例test_bjson.js展示了如何使用它。
警告：二进制JSON格式可能会在不经通知的情况下更改，因此不应将其用于存储持久数据。test_bjson.js示例仅用于测试二进制对象格式的函数。
运行时
1、Strings
字符串存储为8位或16位字符数组。因此，随机访问字符总是很快。C API提供将Javascript字符串转换为C UTF-8编码字符串的函数。最常见情况是 Javascript字符串仅包含ASCII 字符串不涉及复制。
2、Objects
对象形状（对象原型、属性名称和标志）在对象之间共享，以节省内存。优化了没有洞（除了数组末尾）的数组。TypedArray访问已优化。
3、Atoms
对象属性名称和一些字符串被存储为原子（唯一字符串），以节省内存并允许快速比较。原子表示为32位整数。原子范围的一半保留给从 0 到 2^{31}-1 的立即整数字面值。
4、Numbers
数字可以表示为32位有符号整数或64位IEEE-754浮点数值。大多数操作都针对32位整数情况有快速路径。
5、垃圾回收
引用计数用于自动和准确地释放对象。当分配的内存变得过大时，会进行单独的循环移除操作。循环移除算法仅使用引用计数和对象内容，因此在C代码中不需要显式操作垃圾收集根。
6、JSValue
JSValue是一个Javascript值，可以是原始类型（例如Number、String等）或对象。在32位版本中，使用NaN装箱来存储64位浮点数。表示形式经过优化，可以高效地测试32位整数和引用计数值。
在64位代码中，JSValue的大小为128位，并且不使用NaN装箱。原因是在64位代码中，内存使用不那么关键。在两种情况下（32位或64位），JSValue恰好适应两个CPU寄存器，因此可以通过C函数高效地返回。
7、函数调用
引擎已经过优化，因此函数调用很快。系统堆栈包含Javascript参数和局部变量。
RegExp
开发了一个特定的正则表达式引擎。它既小又高效，并支持所有ES2019功能，包括Unicode属性。作为Javascript编译器，它直接生成没有解析树的字节码。使用显式堆栈的回溯使得系统堆栈上没有递归。简单的量化器经过专门优化，以避免递归。来自具有空项的量化器的无限递归被避免。完整的正则表达式文件库的权重约为15 KiB（x86代码），不包括Unicode库。
Unicode
开发了一个特定的Unicode库，因此不依赖于外部大型Unicode库，例如ICU。压缩所有Unicode表，同时保持合理的访问速度。该库支持大小写转换，Unicode规范化，Unicode脚本查询，Unicode常规类别查询和所有Unicode二进制属性。完整的Unicode库大约重量为45 KiB（x86代码）。
BigInt 和 BigFloat
BigInt 和 BigFloat 是用libbf 库 libbf 库实现的4。它大概有60 KiB (x86 代码) 并提供任意精度的IEEE 754 浮点运算和具有精确舍入的超越函数。
其作者是 Fabrice Bellard，知名开源项目 FFMPEG 和 QEMU 创建人。
最新版本：250426
移除了大数扩展和 qjscalc。
针对小数字优化了新的 BigInt 实现。
添加了 WeakRef、FinalizationRegistry，并将符号作为弱引用。
添加了内置的 float64 打印和解析函数，以提高准确性。
重复字符串拼接速度更快。
qjs：默认情况下，未处理的 Promise 拒绝是致命错误。
在调试信息中添加了列号。
移除了 “use strip” 扩展。
qjs：添加了 -s 和 --strip-source 选项。
qjsc：添加了 -s 和 --keep-source 选项。
添加了 JS_GetAnyOpaque() 函数。
在 JSClassExoticMethods 中为奇异对象添加了更多回调函数。
修复了一些杂项错误。
官方站点：https://bellard.org/quickjs/
中文站点：https://github.com/quickjs-zh/