V8 TurboFan 生成图简析

2021-04-30

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一、简介

v8 turbolizer 有助于我们分析 JIT turbofan 的优化方式以及优化过程。但我们常常对于 turbolizer 生成的 IR 图一知半解，不清楚具体符号所代表的意思。以下为笔者阅读相关代码后所做的笔记。

二、TurboFan Json 格式

--trace-turbo 参数将会生成一个 JSON 格式的数据。通过在 turbolizer 上加载该 JSON，可以得到一个这样的IR图：

其中，该 JSON 的格式如下：

{
    "function": "opt_me",
    "sourcePosition": 109,
    "source": [js source],
    "phases": [
        {
            "name": "Typed",
            "type": "graph",
            "data": {
                "nodes": [
                    [...],
                    {
                        "id": 20,
                        "label": "FrameState[INTERPRETED_FRAME, 11, Ignore, 0x1a5acd4aa5e9 <SharedFunctionInfo opt_me>]",
                        "title": "FrameState[INTERPRETED_FRAME, 11, Ignore, 0x1a5acd4aa5e9 <SharedFunctionInfo opt_me>]",
                        "live": true,
                        "properties": "Idempotent, NoRead, NoWrite, NoThrow, NoDeopt",
                        "pos": 178,
                        "opcode": "FrameState",
                        "control": false,
                        "opinfo": "5 v 0 eff 0 ctrl in, 1 v 0 eff 0 ctrl out",
                        "type": "Internal"
                    },
                    [...]
                ],
                "edges": [
                    {
                        "source": 100,
                        "target": 101,
                        "index": 0,
                        "type": "control"
                    },
                    [...]
                ]
            }
        },
        [...]
    ],
    "nodePositions": {
        [...]
    }
}

简单的概括一下，就是：

function：函数名称
sourcePosition：代码的起始位置。
source：当前 turboFan 优化的 JS 代码
phases： turboFan 的各个优化阶段
- 优化阶段1
  - name：当前优化阶段的名称
  - type：显示的形式，是 graph IR 图还是文本。
  - data：当前阶段真正存放的结点与边的数据。
    - nodes：结点数据
      - 结点1
        
        id: 结点ID，通常是一个数字
        
        label：结点标签
        
        title：结点主题
        
        live：当前结点是否是活结点，为 true / false
        
        properties：当前结点的属性
        
        pos：暂且不说
        
        opcode：当前结点的操作码，例如End
        
        control：当前是否是控制结点，为 true / false
        
        opinfo：具体的结点信息，通常表示当前结点的ValueInputCount、EffectInputCount、ControlInputCount、ValueOutputCount、EffectOutputCount、ControlOutputCount。
        
        表示方式如下：
        
        “<ValueInputCount> v
        <EffectInputCount> eff
        <ControlInputCount> ctrl in,
        <ValueOutputCount> v
        <EffectOutputCount> eff
        <ControlOutputCount> ctrl out”
        
        例如：“0 v 1 eff 1 ctrl in, 0 v 1 eff 0 ctrl out”
      - [其他结点]
    - edges：边的数据
      - 边1
        
        source：边的源节点 ID
        
        target：边的目标节点ID
        
        index：当前边连接到目标节点的哪个输入
        
        type：当前边的类型，例如 control、value、effect等等
      - [其他边]
- [其他优化阶段]
nodePositions：每个结点在 JS 源码中所对应的代码位置

三、Node

a. 属性说明

以下是截取出的一个 Node 示例：

{
    "id": 128,
    "label": "LoadField[+16]",
    "title": "LoadField[tagged base, 16, Internal, kRepTaggedPointer|kTypeAny, PointerWriteBarrier]",
    "live": true,
    "properties": "NoWrite, NoThrow, NoDeopt",
    "pos": 388,
    "opcode": "LoadField",
    "control": false,
    "opinfo": "1 v 1 eff 1 ctrl in, 1 v 1 eff 0 ctrl out",
    "type": "Internal"
}

对应的结点如下：

一一对应以下便可以看出，其中的 id、label、title、properties、opinfo 以及 type 均显现在图中。

而 live、pos、opcode 以及 control 字段则是给 turbolizer.js 使用的。

注意到上图中的 “Inplace update in phase: Typed”，其中的 phase 则是 turbolizer.js 动态分析出的，不在 JSON 中记录。

b. 颜色

我们可以注意到，IR图中的结点都有颜色，其中颜色貌似符合某种规律。

通过查阅 turbolizer.js 以及在线 turbolizer 的 css 代码，turbolizer 将结点分为了以下几种结点，并设置了不同的颜色加以区分：

Control 结点：对于那些控制结点，即 JSON 数据中 control 字段为 true 的结点，其颜色为黄色。
Input 结点：那些 opcode 为 Parameter 或 Constant 结点，其颜色为浅蓝色。
Live 结点（这其实不能算一类结点）：即 live 字段为 true 的结点。其反向结点——DeadNode——的颜色会在原先颜色的基础上进行浅色化处理，例如以下图片。图片中的两个结点其类型相同，所不同的是左边的结点是 Dead，右边结点是 Live。
JavaScript结点：那些 opcode 以 JS 开头的结点，其颜色为橙红色。
Simplified 结点：那些 opcode 包含 Phi、Boolean、Number、String、Change、Object、Reference、Any、ToNumber、AnyToBoolean、Load、Store，但不是 JavaScript类型的结点。其颜色如下所示：
Machine 结点：除了上述四种结点以外，剩余的结点。颜色如下所示：

四、Edge

Edge 中的 Type 共有五种，分别是 value、context、frame-state、effect、control 以及最后一个 unknown。

以下是这些边的一些例子：

a. value 边

对于该边：

{
    "source": 80,
    "target": 83,
    "index": 4,
    "type": "value"
}

其边的视觉效果如下：

可以看到，对于 Value 边来说，是一条实线。

b. context 边

对于该边：

{
    "source": 4,
    "target": 49,
    "index": 3,
    "type": "context"
}

视觉效果如下：

可以看到，Context边也是一条实线。但在当前这个例子中，由于 Context 边只会由 Parameter[%context#4]结点发出，因此不会与 Value 边混淆。

这里需要注意一下，Context 边只会存在于某个 Context 结点发出的所有边，即不会出现结点既发出 Context 边又发出 Value 边的情况。

如果有还请指正。

c. frame-state 边

例子：

{
    "source": 50,
    "target": 49,
    "index": 4,
    "type": "frame-state"
}

视觉效果：

可以看到，对于一条 frame-state 边，其视觉效果是一条 疏虚线。

frame-state 边一定是由一个 FrameState 结点发出的。

上图的另一条虚线是密虚线，所不同的是虚线的疏密程度。

d. effect 边

例子：

{
    "source": 114,
    "target": 49,
    "index": 5,
    "type": "effect"
}

视觉效果：

即 effect 边的显示效果是 密虚线。

e. control 边

例子：

{
    "source": 31,
    "target": 49,
    "index": 6,
    "type": "control"
}

视觉效果：

注意：与 value 边相同，control 边的显示效果也是一条实线。这意味着单单只看 IR 图的话，是无法将 Control 边和 Value 边区分开的。

五、参考的源码

v8/tools/turbolizer/build/turbolizer.js
v8/src/compiler/graph-visualizer.cc

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