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porffor

从零构建的JavaScript到WebAssembly编译器和运行时

PorfforJavaScript编译器WebAssemblyAOT编译性能优化Github开源项目

Porffor是一个从零开始构建的JavaScript到WebAssembly/C编译器和运行时。它采用全AOT编译，无常量运行时代码，最少化Wasm导入。Porffor支持部分JavaScript功能，包括基本语言特性、内置函数和一些提案。项目还包含Wasm引擎Asur、正则表达式引擎Rhemyn和Wasm到C编译器2c。Porffor在支持的功能范围内性能表现优异，尤其是编译为原生二进制文件时。

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介绍相关项目

Porffor  /ˈpɔrfɔr/  (poor-for)

一个从零开始的实验性 AOT 优化 JS/TS -> Wasm/C 引擎/编译器/运行时，用 JS 编写。研究项目，目前尚不适合严肃使用。

终端截图显示 Porffor 运行和编译 hello world

设计

Porffor 是一个非常独特的 JS 引擎，采用了许多完全不同的方法。它有严重的限制，但它能做的事情，做得相当不错。主要区别：

  • 100% AOT 编译（无 JIT）
  • 无常量运行时/前置代码
  • 尽可能少的 Wasm 导入（仅 I/O）

Porffor 主要是从零开始构建的，唯一不是的部分是解析器（使用 Acorn）。不使用 Binaryen 等，我们自己制作最终的 wasm 二进制文件。你可以将其想象成编译一种是 JavaScript 的子集（某些功能不支持）和超集（新的/自定义 API）的语言。不基于任何特定的规范版本。

使用

不要期望一切都能正常工作！目前仅支持非常有限的 JS。请参见 bench 文件夹中的示例。

安装

npm install -g porffor@latest。就是这么简单（希望如此）:)

尝试 REPL

porf。直接运行，不带脚本文件参数。

运行 JS 文件

porf path/to/script.js

编译为 Wasm

porf wasm path/to/script.js out.wasm。目前它不使用像 WASI 这样的导入标准，所以单独使用基本上是不可用的。

编译为原生二进制文件

[!警告] 编译为原生二进制文件使用 2c，Porffor 自己的 Wasm -> C 编译器，这是实验性的。

porf native path/to/script.js out(.exe)。你可以用 --compiler=clang|gcc|zig 指定编译器（默认为 clang），用 --cO=Ofast|O3|O2|O1|O0 指定使用的优化级别（默认为 Ofast）。输出的二进制文件默认也会被剥离。

编译为 C

[!警告] 编译为 C 使用 2c，Porffor 自己的 Wasm -> C 编译器，这是实验性的。

porf c path/to/script.js (out.c)。当不包含输出文件时，将会打印到标准输出。

分析 JS 文件

[!警告] 非常实验性的进行中功能！

porf profile path/to/script.js

调试 JS 文件

[!警告] 非常实验性的进行中功能！

porf debug path/to/script.js

调试 JS 文件编译后的 Wasm

[!警告] 非常实验性的进行中功能！

porf debug-wasm path/to/script.js

选项

  • --parser=acorn|@babel/parser|meriyah|hermes-parser（默认：acorn）设置使用哪个解析器
  • --parse-types 启用解析类型注解/typescript。如果未设置 -parser，默认更改为 @babel/parser。不进行类型检查
  • --opt-types 使用类型注解作为编译器提示进行优化。不进行类型检查
  • --valtype=i32|i64|f64（默认：f64）设置值类型
  • -O0 禁用优化
  • -O1（默认）启用基本优化（简化指令，树摇 wasm 导入）
  • -O2 启用高级优化（部分求值）。不稳定！

当前限制

  • 有限的异步支持
  • 作用域之间没有变量（除了参数和全局变量）
  • 不支持 eval()/Function() 等（因为是 AOT）

子引擎

Asur

Asur 是 Porffor 自己的 Wasm 引擎；它是一个用 JS 编写的有意简化的解释器。它还在开发中。更多详情请参见其自述文件。

Rhemyn

Rhemyn 是 Porffor 自己的正则表达式引擎；它将字面正则表达式 AOT 编译为 Wasm 字节码（想起什么了吗？）。它相当基础且还在开发中。更多详情请参见其自述文件。

2c

2c 是 Porffor 自己的 Wasm -> C 编译器，使用生成的 Wasm 字节码和内部信息来生成特定且高效/快速的 C 代码。很少的样板/前置代码或所需的外部文件，仅用于 CLI 二进制文件（与 wasm2c 非常不同）。

支持的功能

有关已实现/支持的优化，请参见优化部分。

提案

这些包括一些早期（阶段 1/0）和/或已停止（最后提交已多年）的提案，但我认为它们相当不错，所以。

Math 提案（阶段 1/0）

  • Math.clamp 提案：Math.clamp（阶段 0 - 最后提交于 2023 年 4 月）
  • Math 扩展提案：Math.scale、Math.radians、Math.degrees、Math.RAD_PER_DEG、Math.DEG_PER_RAD（阶段 1 - 最后提交于 2020 年 9 月）
  • Math.signbit 提案：Math.signbit（阶段 1 - 最后提交于 2020 年 2 月）

语言

  • 数字字面量
  • 声明函数
  • 调用函数
  • return
  • 基本声明（let/const/var）
  • 一些基本的整数运算符（+-/*%）
  • 一些基本的整数位运算符（&|）
  • 相等运算符（==、!=等）
  • 大于/小于运算符（>、<、>=等）
  • 一些一元运算符（!、+、-）
  • 逻辑运算符（&&、||）
  • 一次声明多个变量（let a, b = 0）
  • 数组解构（let [a, ...b] = foo）
  • 全局变量（顶层作用域中的var/无修饰符）
  • 布尔值
  • if和if ... else
  • 匿名函数
  • 使用变量设置函数（const foo = function() { ... }）
  • 箭头函数
  • undefined/null
  • 更新表达式（a++、++b、c--等）
  • for循环（for (let i = 0; i < N; i++)等）
  • 基本对象（无原型）
  • console.log
  • while循环
  • break和continue
  • 命名导出函数
  • IIFE支持
  • 赋值运算符（+=、-=、>>=、&&=等）
  • 条件/三元运算符（cond ? a : b）
  • 递归函数
  • 裸返回（return）
  • throw（仅支持字面量，用于new Error的hack）
  • 基本的try { ... } catch { ... }（不提供错误信息）
  • 调用参数不匹配的函数（如f(a, b); f(0); f(1, 2, 3);）
  • typeof
  • 未声明变量的运行时错误（ReferenceError），非函数的运行时错误（TypeError）
  • 通过[]创建数组（如let arr = [ 1, 2, 3 ]）
  • 通过arr[ind]访问数组成员（如arr[0]）
  • 字符串字面量（'hello world'）
  • 通过str[ind]访问字符串成员（字符）（如str[0]）
  • 字符串拼接（+）（如'a' + 'b'）
  • 真值/假值（如!'' == true）
  • 字符串比较（如'a' == 'a'、'a' != 'b'）
  • 空值合并运算符（??）
  • for...of（数组和字符串）
  • for...in
  • 数组成员赋值（arr[0] = 2、arr[0] += 2等）
  • 数组构造函数（Array(5)、new Array(1, 2, 3)）
  • 标签语句（foo: while (...)）
  • do...while循环
  • 可选参数（(foo = 'bar') => { ... }）
  • 剩余参数（(...foo) => { ... }）
  • this
  • 构造函数（new Foo）
  • 类（class A {}）
  • Await（await promise）

内置功能

  • NaN和Infinity
  • isNaN()和isFinite()
  • Number的大部分功能（MAX_VALUE、MIN_VALUE、MAX_SAFE_INTEGER、MIN_SAFE_INTEGER、POSITIVE_INFINITY、NEGATIVE_INFINITY、EPSILON、NaN、isNaN、isFinite、isInteger、isSafeInteger）
  • 大多数Math函数（sqrt、abs、floor、sign、round、trunc、clz32、fround、random、exp、log、log2、log10、pow、expm1、log1p、sqrt、cbrt、hypot、sin、cos、tan、sinh、cosh、tanh、asinh、acosh、atanh、asin、acos、atan、atan2）
  • 基本的globalThis支持
  • 基本的Boolean和Number
  • 基本的eval用于字面量
  • 使用自制的xorshift128+ PRNG实现Math.random()
  • performance的部分功能（now()、timeOrigin）
  • Array.prototype的大部分方法（at、push、pop、shift、fill、slice、indexOf、lastIndexOf、includes、with、reverse、toReversed、forEach、filter、map、find、findLast、findIndex、findLastIndex、every、some、reduce、reduceRight、join、toString）
  • Array的大部分方法（of、isArray）
  • String.prototype的大部分方法（at、charAt、charCodeAt、toUpperCase、toLowerCase、startsWith、endsWith、indexOf、lastIndexOf、includes、padStart、padEnd、substring、substr、slice、trimStart、trimEnd、trim、toString、big、blink、bold、fixed、italics、small、strike、sub、sup、trimLeft、trimRight、trim）
  • crypto的部分功能（randomUUID）
  • escape
  • btoa
  • Number.prototype的大部分方法（toString、toFixed、toExponential）
  • parseInt
  • 符合规范的Date
  • 正在开发的类型化数组（Uint8Array、Int32Array等）
  • 同步Promise

自定义功能

  • 支持i32、i64和f64作为值类型
  • 内部函数（见下文）
  • 通过``asm`...```"宏"内联wasm

版本控制

Porffor使用独特的版本控制系统，示例如下：0.18.2+2aa3f0589。让我们来分解一下：

  1. 0 - 主版本号，始终为0，因为Porffor还未准备就绪
  2. 18 - 次版本号，总Test262通过百分比（向下取整到最接近的整数）
  3. 2 - 微版本号，该次版本的构建编号（每次发布/git推送时递增）
  4. 2aa3f0589 - 提交哈希值

性能

对于大多数支持的功能，Porffor与大多数解释器和常见引擎（在不使用JIT的情况下）相比速度极快。对于那些使用JIT的引擎，默认情况下通常较慢，但可以通过编译器参数和类型化输入赶上，在编译为本机二进制文件时更是如此。

优化

主要用于减小体积。我不太关心编译器性能/时间，只要合理即可。我们不使用/依赖外部优化工具（如wasm-opt等），而是在编译器内部进行优化，创建比wasm-opt本身产生的代码体积更小的代码，因为我们拥有更多内部信息。

传统优化

  • 内联函数（正在开发中，有限支持）
  • 内联常量数学运算
  • 尾调用（在--tail-call标志后面）

Wasm 转换

  • local.set、local.get -> local.tee
  • i32.const 0、i32.eq -> i32.eqz
  • i64.extend_i32_s、i32.wrap_i64 -> ``
  • f64.convert_i32_u、i32.trunc_sat_f64_s -> ``
  • return、end -> end
  • 更改常量，转换为转换后的值类型的常量（例如 f64.const、i32.trunc_sat_f64_s -> i32.const）
  • 移除一些冗余的设置/获取操作
  • 移除不需要的仅使用一次的变量
  • 移除不需要的块（内部没有 br 指令）
  • 移除未使用的导入
  • 使用数据段初始化数组/字符串
  • （可能还有更多未记录的转换，待完成）

Wasm 模块

  • 类型缓存/索引（无重复类型）
  • 如果主函数为空则不包含（以及其他导出）
  • 如果未使用或已优化掉，则不包含标签

Test262

Porffor 可以通过一些技巧/转换来运行 Test262，这些技巧/转换移除了不支持的特性，同时仍然执行相同的断言（例如使用仅包含字面量的简化错误消息）。目前通过率超过 14%（具体数据和详情请查看最新提交描述）。使用 node test262 进行测试，它还会显示上次提交和当前结果之间的整体差异。

图片

代码库

  • compiler：包含编译器本身

    • 2c.js：porffor 的自定义 wasm-to-c 引擎
    • allocators.js：支持各种语言特性的静态和动态分配器
    • assemble.js：将 wasm 操作和元数据组装成 wasm 模块/文件
    • builtins.js：引擎的所有手动编写的内置功能（规范、自定义、变量、函数）
    • builtins_object.js：所有各种内置对象（如 String、globalThis 等）
    • builtins_precompiled.js：从 builtins/ 文件夹动态生成的内置功能
    • codegen.js：代码（wasm）生成，ast -> wasm。主要工作量在此
    • cyclone.js：wasm 部分常量求值器（快速且危险，因此称为"cyclone"）
    • decompile.js：用于调试信息的基本 wasm 反编译器
    • diagram.js：生成 Mermaid 图表
    • embedding.js：嵌入常量的工具
    • encoding.js：将内容编码为 wasm 所需字节的工具
    • expression.js：将大多数运算符映射到操作码（高级运算符作为内置功能，如 f64_%）
    • havoc.js：wasm 重写库（它对 wasm 字节码造成破坏，因此称为"havoc"）
    • index.js：执行所有编译器步骤，输入代码，输出 wasm
    • opt.js：自制的 wasm 字节码优化器
    • parse.js：简单封装 acorn 的解析器
    • pgo.js：基于概要引导的优化器
    • precompile.js：生成 builtins_precompied.js 的工具
    • prefs.js：读取命令行参数的工具
    • prototype.js：一些内置原型函数
    • types.js：每个内置类型的定义
    • wasmSpec.js：来自 wasm 规范的"枚举"/信息
    • wrap.js：编译器的包装器，实例化并生成友好的导出

  • runner：包含使用编译器运行 JS 的工具

    • index.js：主文件，您可能想使用这个
    • info.js：运行时打印额外信息
    • repl.js：基本的 repl（使用 node:repl）

  • rhemyn：包含 Rhemyn - 我们的正则表达式引擎（由 Porffor 使用）

    • compile.js：将正则表达式 ast 编译为 wasm 字节码
    • parse.js：自己的正则表达式解析器

  • test：包含许多测试文件，用于测试大多数支持的功能

  • test262：test262 运行器和工具

用途

目前，Porffor 在功能和特性上有严重限制，但它有一些关键优势：

  • 安全性。由于 Porffor 是用 JS 编写的，JS 是一种内存安全的语言*，并将 JS 编译为 Wasm，Wasm 是一个完全沙箱化的环境*，因此它相当安全。（* 这些依赖于底层实现的安全性。您也可以使用解释器而不是 JIT 来运行 Wasm，甚至是 Porffor 本身，以获得额外的安全性。）
  • 将 JS 编译为本机二进制文件。这仍处于非常早期的阶段！
  • 内联 Wasm，用于当您想在性能上超越编译器，或只是想要精细的功能时。
  • SIMD 操作和其他低级概念的潜力。
  • 未来可能会有更多用途？

待办事项

没有特定顺序，也不做保证，只是可能很快发生的事情™

VSCode 扩展

vscode-ext 中有一个 vscode 扩展，它调整了 JS 语法高亮，使其更适合 porffor 特性（例如，在内联汇编中高亮 wasm）。

使用的 Wasm 提案

Porffor 有意不使用尚未广泛实现的 Wasm 提案（例如 GC），以便它可以在尽可能多的地方使用。

  • 多值返回 （必需）
  • 非陷阱浮点数到整数的转换 （必需）
  • 批量内存操作（可选，有时可以不使用）
  • 异常处理（可选，仅用于错误）
  • 尾调用（可选，默认关闭）

常见问题

1. 为什么叫这个名字？

威尔士语中的"紫色"是 porffor。为什么选择紫色？

  • 没有其他 JS 引擎使用紫色
  • 紫色很酷
  • 据说紫色代表"雄心"，这是描述这个项目的一个词

2. 为什么要做这个项目？

是的！

3. 这与AssemblyScript或其他Wasm语言不是一样的吗？

不，它们在内部完全不同，并且有着非常不同的目标和理念：

  • Porffor是作为一个通用的JS引擎开发的，并不专门针对Wasm
  • Porffor主要处理JS
  • Porffor是用纯JS编写的，并且能自我编译，不使用Binaryen等工具
  • （而且说实话，我开始做这个项目时都不知道它的存在，哈哈）
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