JavaScriptコアとV8 エンジンアーキテクチャとパフォーマンスの徹底解説

はじめに

ウェブ開発とその先の進化し続ける状況において、JavaScriptはインタラクティブな体験のための主要言語として君臨しています。JavaScriptコードのすべての行の後ろで、洗練されたエンジンが人間が読める命令を機械実行可能なコマンドに変換するために、休むことなく動作しています。無数のJavaScriptエンジンのうち、JavaScriptCoreとV8は、最も影響力があり広く採用されている2つとして際立っています。それらの基盤となるアーキテクチャとパフォーマンス特性を理解することは、単なる学術的な演習ではありません。最適化され効率的なコードを書くことを目指す開発者、および重要なテクノロジースタックの決定を行うアーキテクトにとって、貴重な洞察を提供します。この探求は、これらの強力なエンジンのレイヤーを剥がし、それらの明確な哲学とJavaScript実行への影響を明らかにします。

JavaScriptエンジンのコアコンセプト

JavaScriptCoreとV8の具体​​的な内容に入る前に、ほとんどの最新JavaScriptエンジンに共通するいくつかの基本的な概念を理解することが重要です。

• パーサー: 最初のステップ。パーサーはJavaScriptソースコードを読み込み、抽象構文木（AST）に変換します。ASTは、構文の詳細を排除したコード構造のツリーのような表現です。
• インタプリタ: インタプリタは、ASTを直接、一行ずつ実行します。よりシンプルで起動が速いですが、同じコードを繰り返し解釈するため、長時間実行されるコードでは一般的に遅くなります。
• バイトコードジェネレータ: 一部のエンジンは、解析後にASTをバイトコードと呼ばれる中間表現に変換します。バイトコードは、生のASTよりもコンパクトで効率的に実行できます。
• JITコンパイラ（Just-In-Time Compiler）: パフォーマンスのマジックが起こるところです。JITコンパイラは、実行中に頻繁に実行されるバイトコード（または場合によってはAST）を動的にコンパイルして、高度に最適化されたマシンコードを生成します。
  • ベースラインコンパイラ: ウォームな関数に対して、まともなマシンコードを迅速に生成する、高速で低レベルのコンパイラです。その主な目標は、ピー​​クパフォーマンスではなく、コンパイル速度です。
  • 最適化コンパイラ: ホットな関数（何度も実行される関数）を分析し、しばしば投機的な最適化を使用して、高度に最適化されたマシンコードを生成する、遅い上位レベルのコンパイラです。
• ガベージコレクタ（GC）: JavaScriptはガベージコレクション言語であり、開発者はメモリを手動で管理する必要がありません。GCは、到達不能になったメモリを自動的に再利用します。さまざまなエンジンがさまざまなGCアルゴリズム（例：マークアンドスイープ、世代別）を採用しています。

JavaScriptCore SafariとWebKitの基盤

JavaScriptCore（JSC）は、AppleのSafariウェブブラウザおよびその他のWebKitベースのアプリケーションで主に利用されているJavaScriptエンジンです。そのアーキテクチャは、起動パフォーマンスとピーク実行速度のバランスをとるために、マルチティアコンパイルパイプラインを採用して、長年にわたり大幅に進化してきました。

V8における最適化の例（JSCにおける概念）：

function sumArray(arr) {
  let total = 0;
  for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
    total += arr[i];
  }
  return total;
}

// 繰り返し呼び出され、「ホット」になる
for (let j = 0; j < 100000; j++) {
  sumArray([1, 2, 3, 4, 5]);
}

最初は、sumArrayはインタプリタまたはベースラインJITによって実行されます。一貫して数値の配列を受信する場合、DFG JITはそれをnumber[]に特化させ、ループ内の型チェックを排除する可能性があります。FTL JITが呼び出された場合、LLVMの機能を利用して、特定の配列サイズに対してベクトル化操作やループのアンローリングを行うことで、さらに最適化できる可能性があります。

JavaScriptCoreのパフォーマンス特性：

• メモリ効率が高い: JSCは比較的メモリ使用量が少ないことで知られており、Safariが普及しているモバイルデバイスに不可欠です。
• 優れたピークパフォーマンス: FTL JITがLLVMを活用することにより、JSCは高度に最適化されたコードに対して非常に高いピークパフォーマンスを達成できます。
• 良好な起動パフォーマンス: LLIntとベースラインJITは、応答性の高いユーザーエクスペリエンスを保証します。
• 電力効率への注力: 主にAppleデバイスをターゲットにしているため、消費電力はその設計における重要な考慮事項です。

V8 ChromeとNode.jsの原動力

V8は、GoogleのオープンソースJavaScriptおよびWebAssemblyエンジンであり、その驚異的なパフォーマンスとChrome、Node.js、Electronの推進における役割で有名です。V8は、攻撃的で高度に動的な戦略で最適化に取り組みます。

V8の洗練されたパイプラインは次のとおりです。

1. Ignition（インタプリタ）: V8は、初期実行のために完全なJITコンパイルを放棄し、Ignitionを導入しました。バイトコードを生成して実行します。Ignitionは非常に効率的で、メモリフットプリントを削減し、以前のV8バージョンと比較して起動時間を改善します。
2. TurboFan（最適化コンパイラ）: これがV8の主要な最適化コンパイラです。TurboFanは、Ignitionからのバイトコード（プロファイリングにより関数が「ホット」であると示された後）を取得し、高度に最適化されたマシンコードにコンパイルします。次のようないくつかの広範な最適化を実行します。
   • インライン化: 関数呼び出しを関数の本体に置き換えます。
   • 型特化: Ignitionからの型フィードバックを使用して、観測された型に固有のコードを生成します。
   • 隠れクラス（またはマップ）: V8は、オブジェクトレイアウトを効率的に表現し、高速なプロパティアクセスと多態的な操作を可能にするために隠れクラスを使用します。
   • 投機的最適化と脱最適化: TurboFanは、観測された型に基づいて仮定を立てます。仮定が侵害された場合（例：関数が突然異なる型を受信した場合）、TurboFanはそのコードを脱最適化し、インタプリタまたは最適化の低いバージョンに戻して再コンパイルします。

V8における最適化の例：

同じsumArray関数を検討してください。

function sumArray(arr) {
  let total = 0;
  for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
    total += arr[i];
  }
  return total;
}

// 繰り返し呼び出され、「ホット」になる
for (let j = 0; j < 100000; j++) {
  sumArray([1, 2, 3, 4, 5]);
}

sumArrayが頻繁に呼び出されると、Ignitionは型フィードバック（例：arrは常に数値の配列）を提供します。次にTurboFanは、例えば次のような最適化されたsumArrayバージョンをコンパイルします。

• arr[i]が常に数値であることを知っている。
• 配列サイズが小さく予測可能であれば、ループをアンロールする可能性がある。
• 高価な実行時型チェックを回避する。

後でsumArray(['a', 'b'])が呼び出された場合、TurboFanはその特定のsumArrayコンパイル済みコードパスを脱最適化し、Ignitionを介して実行し、新しい型フィードバックを収集し、新しい型パターンが安定している場合は再コンパイルする可能性があります。

V8のパフォーマンス特性：

• 卓越したピークパフォーマンス: TurboFanの攻撃的な最適化と動的な脱最適化により、V8はホットコードに対して非常に高い実行速度を達成できます。
• Ignitionによる高速起動: Ignitionは、パフォーマンスとメモリのバランスを取りながら、迅速な初期解析と実行を提供します。
• 積極的なメモリ使用: 歴史的に、V8は絶対的なメモリ効率よりも速度を優先してきましたが、この改善のために継続的な努力が行われています。
• スループット向けに最適化: サーバーサイド環境（Node.js）および複雑なクライアントサイドアプリケーション（Chrome）向けに設計されており、持続的な高パフォーマンスが重要です。

アーキテクチャとパフォーマンスの違い

比較概要：

LLVMを活用したFTL JITで最高潮に達するマルチティアJITパイプラインを備えたJSCは、バランスの取れたアプローチを目指しています。起動パフォーマンス、モバイルに適した優れたメモリ効率、そして最終的にはホットコードに対する非常に高いピークパフォーマンスを実現しようとしています。LLVMへの依存により、非常に成熟した強力なコンパイラインフラストラクチャを活用できます。

一方、IgnitionとTurboFanを備えたV8は、より攻撃的でデュアルコンパイラのアプローチを取っています。複雑なアプリケーションの生の実行速度とスループットを最優先します。その投機的最適化と堅牢な脱最適化メカニズムにより、一貫して高度にパフォーマンスの高いマシンコードを生成でき、サーバーサイドNode.jsアプリケーションやChromeでの要求の厳しいウェブアプリケーションのようなシナリオの強力なエンジンとなっています。

どちらを選択するかは、しばしば環境次第です。Appleのエコシステムでは、JSCはネイティブで最適化された選択肢です。クロスプラットフォームデスクトップアプリケーション（Electron）またはサーバーサイドJavaScript（Node.js）の場合、V8のパフォーマンス特性により、それが主要なエンジンとなっています。

結論

JavaScriptCoreとV8の両方とも、JavaScript実行の領域におけるエンジニアリングの頂点であり、それぞれが言語から最大限のパフォーマンスを引き出すために細心の注意を払って設計されています。JavaScriptCoreは、そのバランスの取れたアプローチとメモリ効率、そしてモバイルおよびデスクトップに適した信じられないほど高いピークパフォーマンスを実現するLLVMで最高潮に達するマルチティアシステムを活用することに優れています。一方、V8は、攻撃的で投機的な最適化と動的な脱最適化によって際立ち、現代のウェブおよびサーバーサイドJavaScriptを駆動する生の スループットとピークパフォーマンスを提供します。最終的に、両方のエンジンは、JavaScriptで可能なことの限界を継続的に押し広げ、言語の驚異的な汎用性と広範な採用を推進しています。