V8 引擎概览

 
Google V8 引擎使用 C++ 代码编写,实现了 ECMAScript 规范的第五版,可以运行在所有的主流
 
操作系统中,甚至可以运行在移动终端 ( 基于 ARM 的处理器,如 HTC G7 等 )。V8 最早被开发用以嵌入到 Google 的开源浏览器 Chrome 中,但是 V8 是一个可以独立的模块,完全可以嵌入您自己的应用,著名的 Node.js( 一个异步的服务器框架,可以在服务端使用 JavaScript 写出搞笑的网络服务器 ) 就是基于 V8 引擎的。
 
和其他 JavaScript 引擎一样,V8 会编译 / 执行 JavaScript 代码,管理内存,负责垃圾回收,与宿主语言的交互等。V8 的垃圾回收器采用了众多技术,使得其运行效率大大提高。通过暴露宿主对象 ( 变量,函数等 ) 到 JavaScript,JavaScript 可以访问宿主环境中的对象,并在脚本中完成对宿主对象的操作。
 
V8 引擎基本概念
 
图 1. V8 引擎基本概念关系图 ( 根据 Google V8 官方文档 ) 
handle
 
handle 是指向对象的指针,在 V8 中,所有的对象都通过 handle 来引用,handle 主要用于 V8 的垃圾回收机制。
 
在 V8 中,handle 分为两种:持久化 (Persistent)handle 和本地 (Local)handle,持久化 handle 存放在堆上,而本地 handle 存放在栈上。这个与 C/C++ 中的堆和栈的意义相同 ( 简而言之,堆上的空间需要开发人员自己申请,使用完成之后显式的释放;而栈上的为自动变量,在退出函数 / 方法之后自动被释放 )。持久化 handle 与本地 handle 都是 Handle 的子类。在 V8 中,所有数据访问均需要通过 handle。需要注意的是,使用持久化 handle 之后,需要显式的调用 Dispose() 来通知垃圾回收机制。
 
作用域 (scope)
 
scope 是 handle 的集合,可以包含若干个 handle,这样就无需将每个 handle 逐次释放,而是直接释放整个 scope。
 
在使用本地 handle 时,需要声明一个 HandleScope 的实例,scope 是 handle 的容器,使用 scope,则无需依次释放 handle。
 
 HandleScope handle_scope; 
 Local<ObjectTemplate> temp; 
 
上下文 (context)
 
context 是一个执行器环境,使用 context 可以将相互分离的 JavaScript 脚本在同一个 V8 实例中运行,而互不干涉。在运行 JavaScript 脚本是,需要显式的指定 context 对象。
 
数据及模板
 
由于 C++ 原生数据类型与 JavaScript 中数据类型有很大差异,因此 V8 提供了 Data 类,从 JavaScript 到 C++,从 C++ 到 JavaScrpt 都会用到这个类及其子类,比如:
 
 Handle<Value> Add(const Arguments& args){ 
   int a = args[0]->Uint32Value(); 
   int b = args[1]->Uint32Value(); 
 
   return Integer::New(a+b); 
 } 
 
Integer 即为 Data 的一个子类。
 
V8 中,有两个模板 (Template) 类 ( 并非 C++ 中的模板类 ):对象模板 (ObjectTempalte) 和函数模板 (FunctionTemplate),这两个模板类用以定义 JavaScript 对象和 JavaScript 函数。我们在后续的小节部分将会接触到模板类的实例。通过使用 ObjectTemplate,可以将 C++ 中的对象暴露给脚本环境,类似的,FunctionTemplate 用以将 C++ 函数暴露给脚本环境,以供脚本使用。
 
初始化 context 是使用 V8 引擎所必需的过程,代码非常简单:
 
 Persistent<Context> context = Context::New(); 
V8 引擎使用示例
 
有了上面所述的基本概念之后,我们来看一下一个使用 V8 引擎的应用程序的基本流程:
 
创建 HandleScope 实例
创建一个持久化的 Context
进入 Context
创建脚本字符串
创建 Script 对象,通过 Script::Compile()
执行脚本对象的 Run 方法
获取 / 处理结果
显式的调用 Context 的 Dispose 方法
基本代码模板
 
 
清单 1. 代码模块 
        
 #include <v8.h> 
 
 using namespace v8; 
 
 int main(int argc, char *argv[]) { 
   // 创建一个句柄作用域 ( 在栈上 ) 
   HandleScope handle_scope; 
 
   // 创建一个新的上下文对象
   Persistent<Context> context = Context::New(); 
 
   // 进入上一步创建的上下文,用于编译执行 helloworld 
   Context::Scope context_scope(context); 
 
   // 创建一个字符串对象,值为'Hello, Wrold!', 字符串对象被 JS 引擎
   // 求值后,结果为'Hello, World!'
   Handle<String> source = String::New("'Hello' + ', World!'"); 
 
   // 编译字符串对象为脚本对象
   Handle<Script> script = Script::Compile(source); 
 
   // 执行脚本,获取结果
   Handle <Value> result = script->Run(); 
 
   // 释放上下文资源
   context.Dispose(); 
 
   // 转换结果为字符串
   String::AsciiValue ascii(result); 
 
   printf("%s\n", *ascii); 
 
   return 0; 
 } 
 
以上代码为一个使用 V8 引擎来运行脚本的基本模板,可以看到,开发人员可以很容易的在自己的代码中嵌入 V8 来处理 JavaScript 脚本。我们在下面小节中详细讨论如何在脚本中访问 C++ 资源。
 
使用 C++ 变量
 
在 JavaScript 与 V8 间共享变量事实上是非常容易的,基本模板如下:
 
 
清单 2. 共享变量 
        
 static type xxx; 
 
 static Handle<Value> xxxGetter( 
   Local<String> name, 
   const AccessorInfo& info){ 
 
   //code about get xxx 
 } 
 
 static void xxxSetter( 
   Local<String> name, 
   Local<Value> value, 
   const AccessorInfo& info){ 
 
   //code about set xxx 
 } 
 
首先在 C++ 中定义数据,并以约定的方式定义 getter/setter 函数,然后需要将 getter/setter 通过下列机制公开给脚本:
 
 global->SetAccessor(String::New("xxx"), xxxGetter, xxxSetter); 
 
其中,global 对象为一个全局对象的模板:
 
 Handle<ObjectTemplate> global = ObjectTemplate::New(); 
 
下面我们来看一个实例:
 
 
清单 3. 实例 1 
        
 static char sname[512] = {0}; 
 
 static Handle<Value> NameGetter(Local<String> name, 
     const AccessorInfo& info) { 
   return String::New((char*)&sname,strlen((char*)&sname)); 
 } 
 
 static void NameSetter(Local<String> name, 
     Local<Value> value, 
     const AccessorInfo& info) { 
   Local<String> str = value->ToString(); 
   str->WriteAscii((char*)&sname); 
 } 
 
定义了 NameGetter, NameSetter 之后,在 main 函数中,将其注册在 global 上:
 
 // Create a template for the global object. 
 Handle<ObjectTemplate> global = ObjectTemplate::New(); 
 
 //public the name variable to script 
 global->SetAccessor(String::New("name"), NameGetter, NameSetter); 
 
在 C++ 中,将 sname 的值设置为”cpp”:
 
 //set sname to "cpp" in cpp program 
 strncpy(sname, "cpp", sizeof(sname)); 
 
然后在 JavaScript 中访问该变量,并修改:
 
 print(name); 
 
 //set the variable `name` to "js"
 name='js'; 
 print(name); 
 
运行结果如下:
 
 cpp 
 js 
 
运行脚本,第一个 print 调用会打印在 C++ 代码中设置的 name 变量的值:cpp,然后我们在脚本中修改 name 值为:js,再次调用 print 函数则打印出设置后的值:js。
 
调用 C++ 函数
 
在 JavaScript 中调用 C++ 函数是脚本化最常见的方式,通过使用 C++ 函数,可以极大程度的增强 JavaScript 脚本的能力,如文件读写,网络 / 数据库访问,图形 / 图像处理等等,而在 V8 中,调用 C++ 函数也非常的方便。
 
在 C++ 代码中,定义以下原型的函数:
 
 Handle<Value> function(constArguments& args){ 
   //return something 
 } 
 
然后,再将其公开给脚本:
 
 global->Set(String::New("function"),FunctionTemplate::New(function)); 
 
同样,我们来看两个示例:
 
 
清单 4. 实例 2 
        
 Handle<Value> Add(const Arguments& args){ 
   int a = args[0]->Uint32Value(); 
   int b = args[1]->Uint32Value(); 
 
   return Integer::New(a+b); 
 } 
 
 Handle<Value> Print(const Arguments& args) { 
   bool first = true; 
   for (int i = 0; i < args.Length(); i++) { 
     HandleScope handle_scope; 
     if (first) { 
       first = false; 
     } else { 
       printf(" "); 
    
     String::Utf8Value str(args[i]); 
     const char* cstr = ToCString(str); 
     printf("%s", cstr); 
  
   printf("\n"); 
   fflush(stdout); 
   return Undefined(); 
 } 
 
函数 Add 将两个参数相加,并返回和。函数 Print 接受任意多个参数,然后将参数转换为字符串输出,最后输出换行。
 
 global->Set(String::New("print"), FunctionTemplate::New(Print)); 
 global->Set(String::New("add"), FunctionTemplate::New(Add)); 
 
我们定义以下脚本:
 
 var x = (function(a, b){ 
   return a + b;   
 })(12, 7); 
 
 print(x); 
 
 //invoke function add defined in cpp 
 var y = add(43, 9); 
 print(y); 
 
运行结果如下:
 
 19 
 52 
 
使用 C++ 类
 
如果从面向对象的视角来分析,最合理的方式是将 C++ 类公开给 JavaScript,这样可以将 JavaScript 内置的对象数量大大增加,从而尽可能少的使用宿主语言,而更大的利用动态语言的灵活性和扩展性。事实上,C++ 语言概念众多,内容繁复,学习曲线较 JavaScript 远为陡峭。最好的应用场景是:既有脚本语言的灵活性,又有 C/C++ 等系统语言的效率。使用 V8 引擎,可以很方便的将 C++ 类”包装”成可供 JavaScript 使用的资源。
 
我们这里举一个较为简单的例子,定义一个 Person 类,然后将这个类包装并暴露给 JavaScript 脚本,在脚本中新建 Person 类的对象,使用 Person 对象的方法。
 
首先,我们在 C++ 中定义好类 Person:
 
 
清单 5. 定义类 
        
 class Person { 
 private: 
   unsigned int age; 
   char name[512]; 
 
 public: 
   Person(unsigned int age, char *name) { 
     this->age = age; 
     strncpy(this->name, name, sizeof(this->name)); 
  
 
   unsigned int getAge() { 
     return this->age; 
  
 
   void setAge(unsigned int nage) { 
     this->age = nage; 
  
 
   char *getName() { 
     return this->name; 
  
 
   void setName(char *nname) { 
     strncpy(this->name, nname, sizeof(this->name)); 
  
 }; 
 
Person 类的结构很简单,只包含两个字段 age 和 name,并定义了各自的 getter/setter. 然后我们来定义构造器的包装:
 
 Handle<Value> PersonConstructor(const Arguments& args){ 
   Handle<Object> object = args.This(); 
   HandleScope handle_scope; 
   int age = args[0]->Uint32Value(); 
 
   String::Utf8Value str(args[1]); 
   char* name = ToCString(str); 
 
   Person *person = new Person(age, name); 
   object->SetInternalField(0, External::New(person)); 
   return object; 
 } 
 
从函数原型上可以看出,构造器的包装与上一小节中,函数的包装是一致的,因为构造函数在 V8 看来,也是一个函数。需要注意的是,从 args 中获取参数并转换为合适的类型之后,我们根据此参数来调用 Person 类实际的构造函数,并将其设置在 object 的内部字段中。紧接着,我们需要包装 Person 类的 getter/setter:
 
 Handle<Value> PersonGetAge(const Arguments& args){ 
   Local<Object> self = args.Holder(); 
   Local<External> wrap = Local<External>::Cast(self->GetInternalField(0)); 
 
   void *ptr = wrap->Value(); 
 
   return Integer::New(static_cast<Person*>(ptr)->getAge()); 
 } 
 
 Handle<Value> PersonSetAge(const Arguments& args) 
 { 
   Local<Object> self = args.Holder(); 
   Local<External> wrap = Local<External>::Cast(self->GetInternalField(0)); 
 
   void* ptr = wrap->Value(); 
 
   static_cast<Person*>(ptr)->setAge(args[0]->Uint32Value()); 
   return Undefined(); 
 } 
 
而 getName 和 setName 的与上例类似。在对函数包装完成之后,需要将 Person 类暴露给脚本环境:
 
首先,创建一个新的函数模板,将其与字符串”Person”绑定,并放入 global:
 
 Handle<FunctionTemplate> person_template = FunctionTemplate::New(PersonConstructor); 
 person_template->SetClassName(String::New("Person")); 
 global->Set(String::New("Person"), person_template); 
 
然后定义原型模板:
 
 Handle<ObjectTemplate> person_proto = person_template->PrototypeTemplate(); 
 
 person_proto->Set("getAge", FunctionTemplate::New(PersonGetAge)); 
 person_proto->Set("setAge", FunctionTemplate::New(PersonSetAge)); 
 
 person_proto->Set("getName", FunctionTemplate::New(PersonGetName)); 
 person_proto->Set("setName", FunctionTemplate::New(PersonSetName)); 
 
最后设置实例模板:
 
 Handle<ObjectTemplate> person_inst = person_template->InstanceTemplate(); 
 person_inst->SetInternalFieldCount(1); 
 
随后,创建一个用以测试的脚本:
 
 //global function to print out detail info of person 
 function printPerson(person){ 
    print(person.getAge()+":"+person.getName()); 
 } 
 
 //new a person object 
 var person = new Person(26, "juntao"); 
 
 //print it out 
 printPerson(person); 
 
 //set new value 
 person.setAge(28); 
 person.setName("juntao.qiu"); 
 
 //print it out 
 printPerson(person); 
 
运行得到以下结果:
 
 26:juntao 
 28:juntao.qiu 
简单示例
 
在这一小节中,我们将编写一个简单的桌面计算器:表达式求值部分通过 V8 引擎来进行,而流程控制部分则放在 C++ 代码中,这样可以将表达式解析等复杂细节绕开。同时,我们还得到了一个额外的好处,用户在脚本中可以自定义函数,从而可以在计算器中定义自己的运算规则。
 
桌上计算器
 
计算器程序首先进入一个 MainLoop,从标准输入读取一行命令,然后调用 V8 引擎去求值,然后将结果打印到控制台,然后再进入循环:
 
 
清单 6. 桌面计算器示例 
        
 void MainLoop(Handle<Context> context) { 
   while(true) { 
     char buffer[1024] = {0}; 
     printf("$ "); 
     char *str = fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin); 
     if(str == NULL) { 
       break; 
    
     HandleScope handle_scope; 
     ExecuteString(String::New(str), String::New("calc"), true); 
  
 } 
 
在 main 函数中设置全局对象,创建上下文对象,并进入 MainLoop:
 
 int main(int argc, char *argv[]){ 
   HandleScope handle_scope; 
 
   // Create a template for the global object. 
   Handle<ObjectTemplate> global = ObjectTemplate::New(); 
 
   // Expose the local functions to script 
   global->Set(String::New("load"), FunctionTemplate::New(Load)); 
   global->Set(String::New("print"), FunctionTemplate::New(Print)); 
   global->Set(String::New("quit"), FunctionTemplate::New(Quit)); 
 
   // Create a new execution environment containing the built-in 
   // functions 
   Handle<Context> context = Context::New(NULL, global); 
 
   // Enter the newly created execution environment. 
   Context::Scope context_scope(context); 
 
   // Enter main loop 
   MainLoop(context); 
 
   V8::Dispose(); 
 
 
   return 0; 
 } 
 
在 main 函数中,为脚本提供了三个函数,load 函数用以将用户指定的脚本加载进来,并放入全局的上下文中一边引用,print 函数用以打印结果,而 quit 提供用户退出计算器的功能。
 
测试一下:
 
 $ 1+2 
 3 
 
 $ (10+3)/(9.0-5) 
 3.25 
 
 $ typeof print 
 function 
 
 $ typeof non 
 undefined 
 
 // 自定义函数
 $ function add(a, b){return a+b;} 
 $ add(999, 2323) 
 3322 
 
 // 查看 print 标识符的内容
 $ print 
 function print() { [native code] } 
 
load 函数提供了用户自定义函数的功能,将脚本文件作为一个字符串加载到内存,然后对该字符串编译,求值,并将处理过的脚本对象放入当前 context 中,以便用户使用。
 
 Handle<Value> Load(const Arguments& args){ 
   if(args.Length() != 1){ 
     return Undefined(); 
  
 
   HandleScope handle_scope; 
   String::Utf8Value file(args[0]); 
 
   Handle<String> source = ReadFile(*file); 
   ExecuteString(source, String::New(*file), false); 
 
   return Undefined(); 
 } 
 
而 ExecuteString 函数,负责将字符串编译运行:
 
 bool ExecuteString(Handle<String> source, 
           Handle<Value> name, 
           bool print_result) 
 { 
   HandleScope handle_scope; 
   TryCatch try_catch; 
   Handle<Script> script = Script::Compile(source, name); 
   if (script.IsEmpty()) { 
     return false; 
   } else { 
     Handle<Value> result = script->Run(); 
     if (result.IsEmpty()) { 
       return false; 
     } else { 
       if (print_result && !result->IsUndefined()) { 
         String::Utf8Value str(result); 
         const char* cstr = ToCString(str); 
         printf("%s\n", cstr); 
      
       return true; 
    
  
 } 
 
将下列内容存入一个文本文件,并命令为 calc.js:
 
 function sum(){ 
   var s = 0; 
   for(var i = 0; i < arguments.length; i++){ 
     s += arguments[i]; 
  
   return s; 
 } 
 
 function avg(){ 
   var args = arguments; 
   var count = args.length; 
   var sum = 0; 
   for(var i = 0; i < count; i++){ 
     sum += args[i]; 
  
   return sum/count; 
 } 
 
然后在计算器中测试:
 
 // 此时 sum 符号位定义
 $ typeof sum 
 undefined 
 
 // 加载文件,并求值
 $ load("calc.js") 
 
 // 可以看到,sum 的类型为函数
 $ typeof sum 
 function 
 
 $ sum(1,2,3,4,5,6,7,8,9) 
 45 
结束语
 
使用 V8 引擎,可以轻松的将脚本的好处带进 C++ 应用,使得 C++ 应用更具灵活性,扩展性。我们在文中讨论了基本的模板,如何使用 C++ 变量,函数,以及类。最后的实例中给出了一个计算器的原型。由于 V8 的设计原则,开发人员可以快速的将其嵌入到自己的应用中,并且无需太过担心脚本语言的执行效率。
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