鴻蒙跨端實踐-JS虛擬機架構(gòu)實現(xiàn)

作者：京東科技 杜強強

前言

在Roma跨端方案中，JS虛擬機是框架的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行動態(tài)化的JS代碼。在Android平臺采用了基于V8的J2V8，iOS平臺則使用了系統(tǒng)自帶的JSCore，而在HarmonyOS中，由于業(yè)界無類似的框架，我們需要自行實現(xiàn)以確保核心基礎(chǔ)能力的完整。 鴻蒙虛擬機的開發(fā)經(jīng)歷了從最初 ArkTs2V8 到JSVM + Roma新架構(gòu)方案。在此過程中，我們實現(xiàn)了完整的鴻蒙版的“J2V8”和 基于系統(tǒng)JSVM的JS虛擬機框架，解決了JS引擎庫移植、多語言通信能力、多類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換等眾多挑戰(zhàn)。本文將從實現(xiàn)的各個階段過程出發(fā)，探討在實踐中遇到的問題及解決方案。

一、鴻蒙版 “J2V8”虛擬機實現(xiàn) - ArkTs2V8

ArkTs2V8框架依賴V8引擎， 鴻蒙前期交叉編譯資料少，V8官方也未有HarmonyOS端編譯方式。因此在這過程中， 我們采取初期使用QuickJS引擎(C語言開發(fā)，代碼少，移植方便)， 后期自編譯V8完成后替換QuickJS， 保證快速驗證跨端前期技術(shù)調(diào)研方案以及其他依賴項基礎(chǔ)能力的開展。 自編譯V8 通過學(xué)習(xí)交叉編譯相關(guān)技術(shù)，摸索式逐步解決編譯期間這種報錯，完成V8虛擬機移植。

ArkTs2V8 架構(gòu)借鑒了Android J2V8(動態(tài)化-J2V8文章中講述了具體原理及實踐)的實現(xiàn)原理。 J2V8為針對V8的 Java實現(xiàn)，采用最直接的方式在Java中訪問V8原始值，因此具備較高的性能。 在HarmonyOS中，采用V8作為JS引擎， JSI作為通信層完成設(shè)計。

1、引入JSI

考慮到跨端框架的未來發(fā)展，雖然通過C++ 能夠直接與V8交互，但這種方式不利于虛擬機代碼的共享和擴展。因此Roma框架引入JSI，以增強代碼的可擴展性，促進(jìn)更有效的代碼共享，并實現(xiàn)更靈活的虛擬機集成。

JSI（JavaScript Interface），輕量級，通用且同步的JavaScript接口， 通過JSI，JS代碼可以直接與C++原生代碼通信。

有了JSI層對虛擬機的封裝，Roma框架開發(fā)者無需在關(guān)心虛擬機底層能力， 同時也可以自由切換引擎，比如使用V8，QuickJS、JSVM等, 規(guī)范了數(shù)據(jù)格式，統(tǒng)一為JSIValue。

2、API與框架設(shè)計原理

接口設(shè)計采用和J2V8 類似的設(shè)計，支持多虛擬機實例方式。

實現(xiàn)原理：

1、本地接口： 使用 napi 使用創(chuàng)建橋梁， 完成本地代碼調(diào)用Quick引擎函數(shù)。

2、C++數(shù)據(jù)綁定：在C++層面 ，定義虛擬機交互操作的相關(guān)函數(shù)，完成V8引擎相關(guān)API 來執(zhí)行JS代碼、 處理JS對象和執(zhí)行虛擬機相關(guān)的操作。

3、JSIRuntime: 在C++層面引入JSI概念，通過完成JSIRuntime - QuickJSRuntime & V8Runtime， 完成虛擬機層通信能力。

4、虛擬機對象的定義及封裝：根據(jù)JS數(shù)據(jù)類型，定義ArkTS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括基本數(shù)據(jù)類型、JSObject、JSArray、JSFunction。ArkTS側(cè) 類型對象持有C++ JSIValue 對象指針，當(dāng)執(zhí)行具體能力時，通過napi 傳遞指針，完成具體功能的調(diào)用。 簡單來說，相當(dāng)于ArkTS JS對象代理C++ 虛擬機數(shù)據(jù)對象。

5、內(nèi)存管理： ArkTs2V8負(fù)責(zé)管理ArkTS與JSValue 之間的內(nèi)存交互。其中C++側(cè)完成JSValue對象的創(chuàng)建、引用持有與銷毀。 ArkTS數(shù)據(jù)對象中定義對象釋放函數(shù)， 數(shù)據(jù)使用完后，由ArkTS調(diào)用釋放內(nèi)存。

ArkTs2V8架構(gòu)設(shè)計支持虛擬機多實例， 單個虛擬機的創(chuàng)建過程時由 ArkTs通過JSEngine發(fā)起創(chuàng)建JSRuntime虛擬機實例創(chuàng)建，經(jīng)過napi，在C++環(huán)境創(chuàng)建JSRuntime引擎實例及引用， 并完成環(huán)境Context及global的初始化， 同時創(chuàng)建ArkTs JSRuntime對象，代理C++虛擬機對象JSRuntime(QuickJSRuntime or V8Runtime) 并綁定指針引用。

初始化過程：

V8Runtime實現(xiàn)

3、JS、JSI、JSRuntime 關(guān)系

JSRuntime (QuickJSRuntime or V8Runtime) 是 JS運行時環(huán)境。一個 JSRuntime 通常包括一個或多個引擎，JSI 可以看作是連接 JS 代碼和 JSRuntime 的橋梁。通過 JSI，開發(fā)者可以更直接地與 JSRuntime 交互，實現(xiàn)原生功能的調(diào)用和管理。

4、部分過程剖析

ArkTs2V8實現(xiàn)的過程中，最基礎(chǔ)的兩個功能原理：JSObject對象的創(chuàng)建與獲取、原生方法的注入， 這兩個能力的實現(xiàn)可以擴展到其他大多數(shù)API功能實現(xiàn)上。

1、JSObject對象及獲取對象數(shù)據(jù)過程。

通過JSRuntime 發(fā)起接口的調(diào)用，通過napi，根據(jù)對象類型在C++側(cè)創(chuàng)建對象的JSValue對象及象指針引用， 并將引用指針綁定至ArkTS對象，完成對象的創(chuàng)建。

2、 JS虛擬機注入原生方法

ArkTS方法到JS虛擬機中，主要實現(xiàn)原理:

將ArkTs的方法 和 目標(biāo)注冊對象指針 生成MethodDescriptor方法描述對象， 通過functionID將對象存儲在當(dāng)前JSContext環(huán)境中。 通過napi 發(fā)起在C++側(cè)代理函數(shù)HostFunction的創(chuàng)建，并綁定ArkTs的方法的引用。 進(jìn)入到JSI內(nèi)部，創(chuàng)建方法代理HostFunctionProxy 對象，綁定代理方法HostFunction及守護(hù)函數(shù)Finalizer, v8::External 將HostFunctionProxy與 JS環(huán)境對象(V8對象) 關(guān)聯(lián)起來，生成V8 Function ， 此時V8函數(shù)會與HostFunctionProxy生命周期綁定。 簡單來說相當(dāng)于ArkTS callback，傳遞至C++，C++創(chuàng)建JSI Callback并綁定ArkTS callback， JSI Callback 設(shè)置到HostFunctionProxy中，HostFunctionProxy 通過 v8::External與 JS環(huán)境綁定。

當(dāng)JS觸發(fā)該該函數(shù)時，通過v8::External綁定HostFunctionProxy這層關(guān)系，HostFunctionProxy中JSI Callback會收到JS環(huán)境的響應(yīng)消息，在通過綁定的ArkTs的方法 通過napi接口返回至ArkTS中，最終ArkTS收到方法響應(yīng)。

這種代理函數(shù)的實現(xiàn)， 初次學(xué)習(xí)可能比較復(fù)雜，但整個過程實際是多個對象間引用的持久化和不同數(shù)據(jù)對象的交換， 大致過程圖如下:

4、問題及挑戰(zhàn)

1、 數(shù)據(jù)對象的內(nèi)存管理

手動內(nèi)存管理。 ArkTs2V8 負(fù)責(zé)管理ArkTS與V8之間的內(nèi)存交互中，ArkTs發(fā)起對象的創(chuàng)建和銷毀。 整個內(nèi)存的管理是基于手動管理，需使用方用完后及時關(guān)閉，避免內(nèi)存泄露。 這種設(shè)計模式下，使用者操作不當(dāng)極為容易造成內(nèi)存泄露，并且使用也較為不便。

針對這問題，在后續(xù)的迭代設(shè)計中，將內(nèi)存管理升級為自動內(nèi)存管理的方式。 JS為單線程執(zhí)行，單方法片段或一些邏輯中，如果有了調(diào)用開始時機和結(jié)束調(diào)用時機， 通過開始時記錄當(dāng)前時刻后開始創(chuàng)建的對象，在調(diào)用結(jié)束時刻對記錄的對象進(jìn)行統(tǒng)一的內(nèi)存釋放，類似于標(biāo)記垃圾回收，完成內(nèi)存的統(tǒng)一管理。借助Roma框架中對虛擬機層的封裝，做到了內(nèi)存自動管理。

2、 跨語言性能問題

基于ArkTs2V8 的API實現(xiàn)，在原生、JS環(huán)境中，無法直接使用對方的數(shù)據(jù)類型，二者之間數(shù)據(jù)類型需要轉(zhuǎn)換。 JS到原生的過程中，ArkTs2V8中目前提供的API僅可以獲取當(dāng)前層級的JS對象數(shù)據(jù)，子對象數(shù)據(jù)需要通過遞歸遍歷從JS環(huán)境中一一獲取。因此解析的過程中需要頻繁的通過C++讀取V8，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時通常比較耗時。拿常用的網(wǎng)絡(luò)模塊來說，接口下發(fā)的業(yè)務(wù)接口數(shù)據(jù)至少都在幾K甚至幾十K，轉(zhuǎn)為JS對象在中端性能手機上 會有幾十ms的耗時，這對單線程模式的JS環(huán)境來說影響時巨大的。

ArkTS 、C++ 跨語言通信性能我們可以采取類似于Roma Android的通信次數(shù)壓縮策略，或者使用JSON序列化來減少跨語言交互的性能損耗， 但無論用哪種都僅是從行為上規(guī)避跨語言的性能，而無法徹底解決。

3、 線程管理問題

ArkTS基于TS語言，由于語言特性，ArkTS線程隔離，那么對于ArkTs2V8這種接口設(shè)計并不友好。 JS線程需要在ArkTS開啟獨立worker JS線程，收發(fā)JS消息，線程間的隔離，涉及再次序列化數(shù)據(jù)影響性能。

基于問題2、3 以及對框架未來的思考，Roma鴻蒙端決定采用新的方案： 框架C++化，框架邏輯實現(xiàn)全部放在native側(cè)， 虛擬機實現(xiàn)全部切C++，C++側(cè)完成線程管理，ArkTS不在承擔(dān)線程和邏輯任務(wù)。 這種既提升了解決了問題，提升框架性能，也為今后框架移植其他平臺打好基礎(chǔ)。

二、基于JSVM虛擬機實現(xiàn) (Roma新架構(gòu))

1、鴻蒙JSVM

在V8移植上，從短期看雖然我們初步掌握了V8交叉編譯移植技術(shù)，但從穩(wěn)定性、兼容性、維護(hù)成本、包大小等維度看， 采用系統(tǒng)內(nèi)置虛擬機有巨大的長期收益。 年初Roma框架與華為專家多次溝通交流，最終HarmonyOS將V8內(nèi)置到了操作系統(tǒng)， Q2我們實現(xiàn)了第三個JSRuntime - JSMVRuntime， 至此鴻蒙動態(tài)化架構(gòu)修改趨于穩(wěn)定。

JSVMRuntime:

2、新架構(gòu)思路 - Roma架構(gòu)C++化

新架構(gòu)的設(shè)計思路SDK核心邏輯整體C++側(cè)實現(xiàn)， 這樣在底層引擎與核心流程之間可以直接c++通信，線程間上與其他端保持相同 - 三線程模型JS線程 +UI線程 + 耗時計算線程。通過C++ PThread完成線程管理， 從而避免跨語言、ArkTS線程隔離帶來的多種性能損耗。 在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計上， JS數(shù)據(jù)采用JSI::Value， 與其他線程數(shù)據(jù)相互交互時， 統(tǒng)一使用folly完成。 另外將虛擬機層下沉，對外提供JSExecutor， 功能開發(fā)時框架開發(fā)者無需關(guān)心虛擬機層的實現(xiàn)。

虛擬機方法與對象的注入上， 通過HostObject代理對象能力的雙邊映射，原生模塊直接與JS 同步或異步交互， 從而縮短了流程鏈路。

框架大致原理:

3、過程遇到的

1、JSVM字符串引用問題

JSVMRuntime實現(xiàn)期間，字符串無法創(chuàng)建對象引用。 JSI的設(shè)計中將字符串作為 pointer 自定義指針類，通過指針地址訪問， 與其相同的還有對象，方法。 在許多語言中字符串都作為一種特殊的類型(非基本數(shù)據(jù)類型)， 例如在C++中，字符是一種基本數(shù)據(jù)類型，但是字符串不是，字符串由字符組成， V8引擎亦如此。 V8中通常使用v8::String來創(chuàng)建JS字符串， 我們可以對齊進(jìn)行持久化引用。

而JSVM中 OH_JSVM_CreateReference 無法針對字符串類型創(chuàng)建引用， 字符串的持久化需從JSVM_Value從copy出來通過智能指針或者new內(nèi)存的方式進(jìn)行存儲，這種copy持久化的方式會造成字符串內(nèi)存兩份(JSVM一份，自己存一份)， 實際開發(fā)中大量的字符串類型轉(zhuǎn)換，這樣會造成內(nèi)存占比過高。

為此， 經(jīng)過與華為專家多次交流溝通，最終將字符串歸為引用類型，可通過OH_JSVM_CreateReference持久化引用，修改后的方式如下：

2、HostObject代理對象實現(xiàn)

HostObject 是JS對象，提供與原生直接通信的方式。 相當(dāng)于 native 在 JS的代理對象，雙向映射，原生模塊直接與JS 同步或異步交互， 在一些功能實現(xiàn)上可以縮短流程鏈路， 在JS中可直接調(diào)用C++的對象。 在動態(tài)化中， 模塊的實現(xiàn)采用的就是HostObject能力， 框架層實現(xiàn)模塊代理對象及橋通信層面的雙向通信過程。 比如登錄模塊，在ArkTS側(cè)封裝模塊的API，通過C側(cè)的HostObject映射，可以在JS中直接調(diào)用登錄模塊的登錄，退出登錄等能力。 HostObject的實現(xiàn)，雖然在框架層面相比于喬通道的方式更加復(fù)雜，但對于復(fù)雜邏輯流程和交互鏈路， 基礎(chǔ)開發(fā)可以更注重于功能邏輯。

HostObject 實現(xiàn)過程較為復(fù)雜， 但我們可以將過程拆分，通過對象管理 + 代理函數(shù)的方式將過程簡化。 首先對象的管理直接JSRuntime中持久化即可，Roma中采用智能指針，那么就剩下代理函數(shù)，前面我們講了JS中注入方法里面包括了代理函數(shù)的實現(xiàn)原理，采用類似的思路來完成HostObject。

HarmonyOS提供的JSVM API最初僅支持代理函數(shù)的創(chuàng)建， 而我們需要是創(chuàng)建代理對象，對象中可以有任意方法，僅通過代理函數(shù)方式無法滿足任意方法的需求，為此通過在JS中注入代理對象腳本實現(xiàn)，通過Proxy代理的方式，將get、set等代理對象的方法通過代理函數(shù)的方式返回，這種情況下，我們的函數(shù)數(shù)量就被簡化成了get、set及一些固定的方法。 通過這些方法做代理轉(zhuǎn)接，調(diào)用到C++對象方法，借助JSI::Value的包裝，將具體結(jié)果返回。

JS代理腳本部分代碼：

大致實現(xiàn)過程：

示例 - 基于HostObject Console能力實現(xiàn)

三、總結(jié)

0到1實現(xiàn)鴻蒙版“j2v8”、“JSRuntime” 讓我們更加了解引擎實現(xiàn)中的各種細(xì)節(jié)和一些難點問題的解決。 一些方案的實現(xiàn)，也可以延展到其他(非虛擬機)場景。 Roma 框架C++， 讓Roma框架走向技術(shù)深水區(qū)， 為今后capi、未來技術(shù)做好了基礎(chǔ)，旨在帶來更優(yōu)的性能和更好的用戶體驗。

審核編輯 黃宇