进迭时空 V8 RISC-V 后端优化

2025年8月12日浏览：15 作者：进迭时空

进迭时空 V8 RISC-V 后端优化

前言

V8 是 Google 开发及开源的 JavaScript 和 WebAssembly 语言编译引擎，是 Chromium 项目的一部分，主要应用于 Chrome 浏览器和 Node.js 等项目，在浏览器生态中发挥着至关重要的作用。自 2020 年起，中科院软件所 PLCT 实验室等团队开始为 V8 引擎开发 RISC-V 后端，并持续推动 V8 对 RISC-V 架构的支持，不断完善功能完整性，持续优化性能表现。目前，V8 引擎的 RISC-V 后端已经完成了解释器和 JIT 编译器的开发，实现了基本功能的完整支持。全球 RISC-V 生态共建者正在积极推动更多高级特性的开发与完善，持续优化 V8 在 RISC-V 平台上的性能与兼容性。

RISC-V 作为新兴的架构，其后端仍有不少优化机会。本文将介绍一些进迭时空在 V8 JavaScript 引擎 RISC-V 后端的优化工作，并说明这些优化如何提升 JavaScript 在 RISC-V 架构上的执行效率和整体性能表现。

RISC-V 后端优化

▶ Load/Store 地址计算优化

V8 的 LoadStoreSimplificationReducer Pass 会将 LoadOp（Load Operation）和 StoreOp（Store Operation）的地址计算规约为 Base + Index 的形式，Base 表示基地址，Index 表示索引偏移，比如指令 ld t3, 8(t1) 中 Base 为 t1，Index 为 8，加载地址为 t1 + 8。

· 使用 Shift And Add 指令计算 Base

RISC-V Zba Extension 提供了 shift and add 系列指令来快速完成地址计算，使用该系列指令可在地址计算过程省去 1 条指令。以如下代码为例，在计算 Base 过程中使用了 slli + add 来完成对 Base 的计算，可被 shift and add 指令替换。

· Index 立即数参数融合进 Load/Store 指令

有时候 Index 并不一定是立即数，而是一个通过 WordBinopOp::Add 节点计算得到的寄存器值，并且该 WordBinopOp::Add 节点的参数中存在符合 RISC-V Load/Store 指令索引偏移范围 [-2048, 2047] 的立即数，则可以将 Index 中的立即数参数融合进 Load/Store 指令中，从而节省 1 条指令。

更进一步地，如果上述两种优化方法的条件都符合，则可以同时使用两种优化方法，从而节省 2 条指令。

▶ Comparison + Branch 优化

Comparison + Branch 一般位于 BasicBlock 结束处，用于条件分支跳转。


MERGE B3<- B2，B1
  21:Phi(#16，#19)[Tagged]
  22:Constant()[heap object: 0x00ec00000011 <undefined>
  23:Comparison(#4，#22)[Equal, Tagged]
  24:Branch(#23)[B319，B4，False]

如果 ComparisonOp 的 RegisterRepresentation 是 Tagged 类型，则可以将 Tagged 类型映射为 Word32 或者 Word64 类型，如此便可在对 Branch 节点做指令选择时，选择 kRiscvCmp 虚拟指令而不是选择 kRiscvCmpZero 虚拟指令，同时会将 ComparisonOp 的参数和 FlagsCondition（表示判断条件）融合进 kRiscvCmp 虚拟指令中。因此 ComparisonOp 节点计算结果不再被直接使用，所以不会对 ComparisonOp 生成指令，从而达到节省指令的目的。

原来使用 kRiscvCmpZero 节点时，需要使用 xor + slt 指令来计算 ComparisonOp 的结果然后再传给 Branch 指令。切换为 kRiscvCmp 节点后，可以将 ComparisonOp 操作融合进 Branch 指令中，从而省去 xor 和 slt 指令。

▶ Load + ChangeUint32ToUint64 优化

在 Load + ChangeUint32ToUint64 匹配模式下，ChangeUint32ToUint64 用于将 LoadOp 加载出来的 uint32 类型数据转化为 uint64 类型。

但当 LoadOp 需要加载的数据其符号类型为 unsigned，MachineRepresentation 类型为 Word32 时，会选择 lwu 指令来进行加载，该指令加载数据时自身会进行零扩展，故不需要再额外使用 zext.w 指令来进行零扩展，从而省去 zext.w 指令。

▶ IsNumeric 优化

IsNumeric(value) 用于判断给定的 JavaScript 值是否是一个 Number 类型或 BigInt 类型:

Number：表示浮点数和整数（如 42，3.14）
BigInt：表示任意精度的大整数（如 123456789012345678901234567890n）

在 IsNumberic 函数实现中，需要对 IsHeapNumber 和 IsBigInt 函数返回值进行 or 运算，而因为 IsBigInt 函数需要数条指令完成，所以如果 IsHeapNumber 返回值为 1，则两者 or 运算的结果可以直接用 1 来表示，避免通过 IsBigInt 函数引入较多的指令。

同理，IsSharedStringInstanceType 函数也可以照此修改优化。

▶ DecompressTagged 优化

RISC-V Zba Extension 中提供了 zext.w 伪指令可用于零扩展。当使能 V8 Compress pointer 机制时，需要通过DecompressTagged 函数对 Tagged 类型数据进行解压缩。DecompressTagged 函数实现中，存在对 source register 上的数据执行 And 0xFFFFFFFF 的操作，而 0xFFFFFFFF 需要使用 3 条 RISC-V 基础指令来构造。当存在 RISC-V Zba Extension 时，可以使用 zext.w 指令来替换 And 0xFFFFFFFF 操作，从而节省 3 条指令。

▶ AssembleReturn 优化

V8 中 AssembleReturn 用于对 ArchRet 节点生成指令，当符合下列条件时：

frame_access_state()->has_frame()，即表示当前是否正在使用栈帧。
call_descriptor->IsJSFunctionCall()，即表示当前是否为 JavaScript 函数调用。
parameter_slots != 0，即表示当前被调用函数的函数定义中参数数量不为 0

则需要将 JavaScript 函数参数从栈帧中移出。因实际传入参数的数量和函数定义中参数的数量不一定相同，因此需要取两者之中较大值来进行栈帧调整。

RISC-V Zbb Extension 提供了 max 指令来获取两个参数的较大值，既减少 1 条指令，又能避免产生分支指令导致分支预测失败时需要清空流水线。

▶ TaggedIsSmi 优化

在 V8 中，为了提高性能和减少内存使用，小整数被直接编码到 Tagged 类型值中，这种编码方式使得小整数无需分配额外的内存即可存储，并且可以直接在寄存器中传递，从而提高了运算速度。

TaggedIsSmi 函数用于判断 Tagged 类型值是否为 Smi（Small Integer）数据，在 V8 中属于高频使用函数。对于 Smi 类型，最低位通常设置为 0；而对于指向堆对象的 Tagged 类型值，最低位则设置为 1。TaggedIsSmi 源码如下：

TNode<BoolT> CodeStubAssembler::TaggedIsSmi(TNode<Maybe0bject> a) {
    static assert(kSmiTagMask< kMaxUInt32);
    return Word32Equal(
    Word32And(TruncateIntPtrToInt32(BitcastTaggedToWordForTagAndsmiBits(a)),
              Int32Constant(kSmiTagMask)),
    Int32Constant(0));
}

对应的 IR 节点则如下图所示：

25:TaggedBitcast(#0)[Compressed, Word32, TagAndsmiBits]
26:Constant()[word32:1]
27:Change(#25)[Truncate, NoAssumption, Word64, Word32]
28:WordBinop(#27，#26)[BitwiseAnd,Word32]
29:Branch(#28)[B5，B4,None]

此处的 BitwiseAnd 运算是与常数 1 进行 And 运算，必然是在 Word32 数据表示范围内，故并不需要进行扩展操作。经过优化后，TaggedIsSmi 函数生成的指令序列可节省 2 条指令。

▶ SwitchTable 二分查找优化

AssembleArchBinarySearchSwitch 是用于为 switch-case 语句（特别是 case 值为整数时）生成高效汇编代码的方法。它通过使用二分查找算法来优化 switch-case 结构的执行效率，从而减少条件分支的数量，提高性能。当使能 Compress pointer 时，会在二分查找比较时将输入值进行符号扩展操作，然而实际上，输入值在整个二分查找阶段并不会发生变化，可以对其做循环不变量提升，减少符号扩展操作的数量。

▶ CompareTaggedAndBranch 优化

CompareTaggedAndBranch 是用于比较两个值，并根据比较结果执行条件跳转的函数。当使能 Compress pointer 时，两个值需要进行符号扩展之后才能比较。但是如果一个参数为立即数并在 [0, 0x7FFFFFFF] 范围内，实际上并不需要进行符号扩展。

性能测试

经过进迭时空的多项优化，包括但不限于上述改进，V8 基准性能测试的各项指标均取得了不同程度的提升。

结束语

秉承着以 RISC-V 架构数智未来的使命，进迭时空将持续关注和支持 RISC-V 生态的发展，下一步会陆续将优化成果向 V8 开源社区贡献，并与开源社区伙伴一起继续努力，共建 RISC-V 生态。

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