TurboFan 编译器：激进的优化策略 ​

// TurboFan架构概览
class TurboFanOverview {
  static demonstratePipeline() {
    console.log('=== TurboFan 编译流程 ===\n');
    
    const pipeline = [
      {
        stage: '字节码',
        description: 'Ignition生成的字节码',
        input: 'JavaScript源码',
        output: '字节码序列'
      },
      {
        stage: '图构建',
        description: '从字节码构建Sea-of-Nodes图',
        input: '字节码 + 类型反馈',
        output: '初始IR图'
      },
      {
        stage: '类型化',
        description: '根据类型反馈进行类型特化',
        input: 'IR图 + 类型信息',
        output: '类型化的IR图'
      },
      {
        stage: '优化',
        description: '应用各种优化Pass',
        input: '类型化的IR图',
        output: '优化后的IR图'
      },
      {
        stage: '指令选择',
        description: '选择目标架构的指令',
        input: '优化后的IR图',
        output: '指令序列'
      },
      {
        stage: '寄存器分配',
        description: '分配物理寄存器',
        input: '指令序列',
        output: '寄存器分配后的代码'
      },
      {
        stage: '代码生成',
        description: '生成最终机器码',
        input: '寄存器分配后的代码',
        output: '机器码'
      }
    ];
    
    pipeline.forEach((phase, index) => {
      console.log(`${index + 1}. ${phase.stage}`);
      console.log(`   说明: ${phase.description}`);
      console.log(`   输入: ${phase.input}`);
      console.log(`   输出: ${phase.output}\n`);
    });
  }
  
  static demonstrateTriggerConditions() {
    console.log('=== TurboFan 触发条件 ===\n');
    
    console.log('触发条件：');
    console.log('  • 函数被调用足够多次（热点检测）');
    console.log('  • 循环执行足够多次');
    console.log('  • 收集了足够的类型反馈\n');
    
    console.log('默认阈值（可调）：');
    console.log('  • --interrupt-budget: 解释器中断预算');
    console.log('  • --invocation-count-for-turbofan: 调用次数阈值\n');
    
    console.log('示例：');
    console.log(`
    function add(a, b) {
      return a + b;
    }
    
    // 多次调用后，TurboFan介入
    for (let i = 0; i < 10000; i++) {
      add(i, i + 1);  // 收集类型反馈
    }
    // add函数被TurboFan优化
    `);
  }
  
  static runAll() {
    this.demonstratePipeline();
    this.demonstrateTriggerConditions();
  }
}

TurboFanOverview.runAll();

// 类型特化优化
class TypeSpecialization {
  static demonstrate() {
    console.log('=== 类型特化优化 ===\n');
    
    console.log('问题：JavaScript是动态类型语言');
    console.log(`
    function add(a, b) {
      return a + b;  // +可能是：数字加法、字符串拼接、对象转换...
    }
    `);
    
    console.log('未优化的伪代码：');
    console.log(`
    function add_unoptimized(a, b) {
      if (typeof a === 'number' && typeof b === 'number') {
        return number_add(a, b);
      } else if (typeof a === 'string' || typeof b === 'string') {
        return string_concat(ToString(a), ToString(b));
      } else {
        return ToPrimitive(a) + ToPrimitive(b);
      }
    }
    `);
    
    console.log('类型特化后（假设都是Smi）：');
    console.log(`
    function add_optimized(a, b) {
      // 类型检查（guard）
      if (!IsSmi(a) || !IsSmi(b)) {
        return deoptimize();  // 去优化
      }
      
      // 直接进行整数加法
      return smi_add(a, b);  // 单条机器指令
    }
    `);
    
    console.log('性能提升：');
    console.log('  • 消除了类型检查分支');
    console.log('  • 使用专门的CPU指令');
    console.log('  • 可能内联到调用点\n');
  }
  
  static demonstrateTypeFeedback() {
    console.log('=== 类型反馈收集 ===\n');
    
    function add(a, b) {
      return a + b;
    }
    
    console.log('模拟类型反馈收集：\n');
    
    // 模拟Ignition收集的类型反馈
    const typeFeedback = {
      slot: 0,
      operation: 'Add',
      observed: []
    };
    
    // 执行并收集反馈
    const testCases = [
      [1, 2],
      [10, 20],
      [100, 200]
    ];
    
    testCases.forEach(([a, b]) => {
      const result = add(a, b);
      typeFeedback.observed.push({
        leftType: typeof a === 'number' && Number.isInteger(a) ? 'Smi' : typeof a,
        rightType: typeof b === 'number' && Number.isInteger(b) ? 'Smi' : typeof b,
        result
      });
      console.log(`  add(${a}, ${b}) = ${result}`);
    });
    
    console.log('\n收集的类型反馈：');
    console.log(`  操作: ${typeFeedback.operation}`);
    console.log(`  左操作数类型: Smi（所有调用）`);
    console.log(`  右操作数类型: Smi（所有调用）`);
    console.log('  结论: 可以特化为Smi加法\n');
  }
  
  static runAll() {
    this.demonstrate();
    this.demonstrateTypeFeedback();
  }
}

TypeSpecialization.runAll();

// 内联优化
class InliningOptimization {
  static demonstrate() {
    console.log('=== 函数内联优化 ===\n');
    
    console.log('原始代码：');
    console.log(`
    function square(x) {
      return x * x;
    }
    
    function sumOfSquares(a, b) {
      return square(a) + square(b);
    }
    `);
    
    console.log('内联后：');
    console.log(`
    function sumOfSquares_inlined(a, b) {
      // square(a) 被内联
      const sq_a = a * a;
      // square(b) 被内联
      const sq_b = b * b;
      return sq_a + sq_b;
    }
    `);
    
    console.log('内联的好处：');
    console.log('  • 消除函数调用开销（参数传递、栈帧创建）');
    console.log('  • 启用更多优化（常量折叠、死代码消除）');
    console.log('  • 减少间接跳转\n');
  }
  
  static demonstrateInliningDecision() {
    console.log('=== 内联决策因素 ===\n');
    
    console.log('TurboFan考虑的因素：');
    console.log('');
    console.log('  1. 函数大小');
    console.log('     • 小函数优先内联');
    console.log('     • 大函数可能不内联（代码膨胀）');
    console.log('');
    console.log('  2. 调用频率');
    console.log('     • 热点调用优先内联');
    console.log('     • 冷路径可能不内联');
    console.log('');
    console.log('  3. 类型稳定性');
    console.log('     • 单态调用点优先内联');
    console.log('     • 多态/超态调用可能不内联');
    console.log('');
    console.log('  4. 递归');
    console.log('     • 一般不内联递归调用');
    console.log('     • 可能展开固定次数');
    console.log('');
    console.log('  5. 预算限制');
    console.log('     • 内联有代码大小预算');
    console.log('     • 超出预算后停止内联\n');
  }
  
  static demonstrateInliningExample() {
    console.log('=== 内联示例 ===\n');
    
    // 简单的可内联函数
    function double(x) { return x * 2; }
    function addOne(x) { return x + 1; }
    
    function process(value) {
      return double(addOne(value));
    }
    
    console.log('原始调用链：');
    console.log('  process(5)');
    console.log('  → addOne(5)');
    console.log('  → double(6)');
    console.log('  → 12\n');
    
    console.log('内联后等价于：');
    console.log(`
    function process_inlined(value) {
      return (value + 1) * 2;
    }
    `);
    
    // 验证
    console.log(`process(5) = ${process(5)}`);
    console.log(`(5 + 1) * 2 = ${(5 + 1) * 2}\n`);
  }
  
  static runAll() {
    this.demonstrate();
    this.demonstrateInliningDecision();
    this.demonstrateInliningExample();
  }
}

InliningOptimization.runAll();

// 逃逸分析
class EscapeAnalysis {
  static demonstrate() {
    console.log('=== 逃逸分析 ===\n');
    
    console.log('什么是逃逸？');
    console.log('  对象被函数外部引用，就是"逃逸"\n');
    
    console.log('不逃逸的例子：');
    console.log(`
    function sumPoint(x, y) {
      const point = { x, y };  // 只在函数内使用
      return point.x + point.y;
    }
    `);
    
    console.log('逃逸的例子：');
    console.log(`
    function createPoint(x, y) {
      const point = { x, y };
      return point;  // 返回给外部，逃逸
    }
    
    let globalPoint;
    function storePoint(x, y) {
      const point = { x, y };
      globalPoint = point;  // 存储到全局，逃逸
    }
    `);
  }
  
  static demonstrateOptimization() {
    console.log('=== 逃逸分析优化 ===\n');
    
    console.log('原始代码：');
    console.log(`
    function distance(x1, y1, x2, y2) {
      const p1 = { x: x1, y: y1 };
      const p2 = { x: x2, y: y2 };
      const dx = p2.x - p1.x;
      const dy = p2.y - p1.y;
      return Math.sqrt(dx * dx + dy * dy);
    }
    `);
    
    console.log('逃逸分析后，标量替换：');
    console.log(`
    function distance_optimized(x1, y1, x2, y2) {
      // 对象被消除，属性变成局部变量
      // const p1_x = x1, p1_y = y1;  // 直接使用参数
      // const p2_x = x2, p2_y = y2;
      const dx = x2 - x1;
      const dy = y2 - y1;
      return Math.sqrt(dx * dx + dy * dy);
    }
    `);
    
    console.log('优化效果：');
    console.log('  • 消除堆分配');
    console.log('  • 消除对象创建开销');
    console.log('  • 变量可能存储在寄存器中');
    console.log('  • 减少GC压力\n');
  }
  
  static demonstrateBenchmark() {
    console.log('=== 逃逸分析性能测试 ===\n');
    
    // 对象不逃逸的版本
    function distanceWithObjects(x1, y1, x2, y2) {
      const p1 = { x: x1, y: y1 };
      const p2 = { x: x2, y: y2 };
      return Math.sqrt(
        (p2.x - p1.x) ** 2 + 
        (p2.y - p1.y) ** 2
      );
    }
    
    // 直接使用参数的版本
    function distanceDirect(x1, y1, x2, y2) {
      return Math.sqrt(
        (x2 - x1) ** 2 + 
        (y2 - y1) ** 2
      );
    }
    
    const iterations = 1000000;
    
    // 预热
    for (let i = 0; i < 1000; i++) {
      distanceWithObjects(0, 0, i, i);
      distanceDirect(0, 0, i, i);
    }
    
    // 测试
    console.time('带对象版本');
    for (let i = 0; i < iterations; i++) {
      distanceWithObjects(0, 0, i, i);
    }
    console.timeEnd('带对象版本');
    
    console.time('直接参数版本');
    for (let i = 0; i < iterations; i++) {
      distanceDirect(0, 0, i, i);
    }
    console.timeEnd('直接参数版本');
    
    console.log('\n说明：如果TurboFan成功应用逃逸分析，');
    console.log('两个版本的性能应该接近\n');
  }
  
  static runAll() {
    this.demonstrate();
    this.demonstrateOptimization();
    this.demonstrateBenchmark();
  }
}

EscapeAnalysis.runAll();

// 循环优化
class LoopOptimization {
  static demonstrateLoopInvariantCodeMotion() {
    console.log('=== 循环不变量外提 ===\n');
    
    console.log('原始代码：');
    console.log(`
    function sum(arr, multiplier) {
      let total = 0;
      for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
        total += arr[i] * multiplier;  // multiplier是循环不变量
      }
      return total;
    }
    `);
    
    console.log('优化后（概念）：');
    console.log(`
    function sum_optimized(arr, multiplier) {
      let total = 0;
      const len = arr.length;  // 外提数组长度
      // multiplier已经是参数，无需外提
      for (let i = 0; i < len; i++) {
        total += arr[i] * multiplier;
      }
      return total;
    }
    `);
    
    console.log('优化效果：');
    console.log('  • 避免重复计算arr.length');
    console.log('  • 减少内存访问\n');
  }
  
  static demonstrateLoopUnrolling() {
    console.log('=== 循环展开 ===\n');
    
    console.log('原始循环：');
    console.log(`
    for (let i = 0; i < 4; i++) {
      sum += arr[i];
    }
    `);
    
    console.log('展开后：');
    console.log(`
    sum += arr[0];
    sum += arr[1];
    sum += arr[2];
    sum += arr[3];
    `);
    
    console.log('优化效果：');
    console.log('  • 减少循环控制开销');
    console.log('  • 启用更多指令级并行');
    console.log('  • 减少分支预测失败\n');
  }
  
  static demonstrateBoundsCheckElimination() {
    console.log('=== 边界检查消除 ===\n');
    
    console.log('原始代码（每次访问都有边界检查）：');
    console.log(`
    function sum(arr) {
      let total = 0;
      for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
        // 隐式边界检查：if (i >= arr.length) throw RangeError;
        total += arr[i];
      }
      return total;
    }
    `);
    
    console.log('优化后：');
    console.log(`
    function sum_optimized(arr) {
      let total = 0;
      const len = arr.length;
      for (let i = 0; i < len; i++) {
        // 边界检查被消除
        // TurboFan证明了 0 <= i < len，所以arr[i]是安全的
        total += arr[i];
      }
      return total;
    }
    `);
    
    console.log('优化条件：');
    console.log('  • 循环变量有明确的范围');
    console.log('  • 数组长度在循环中不变');
    console.log('  • 访问模式是单调递增的\n');
  }
  
  static runAll() {
    this.demonstrateLoopInvariantCodeMotion();
    this.demonstrateLoopUnrolling();
    this.demonstrateBoundsCheckElimination();
  }
}

LoopOptimization.runAll();

// 常量折叠与死代码消除
class ConstantFoldingAndDCE {
  static demonstrateConstantFolding() {
    console.log('=== 常量折叠 ===\n');
    
    console.log('原始代码：');
    console.log(`
    function calculate() {
      const a = 10;
      const b = 20;
      const c = a + b;      // 30
      const d = c * 2;      // 60
      const e = d / 3;      // 20
      return e + 5;         // 25
    }
    `);
    
    console.log('常量折叠后：');
    console.log(`
    function calculate_folded() {
      return 25;  // 编译时计算完成
    }
    `);
    
    console.log('适用场景：');
    console.log('  • 常量表达式');
    console.log('  • 数学运算');
    console.log('  • 字符串拼接');
    console.log('  • 条件表达式\n');
  }
  
  static demonstrateDeadCodeElimination() {
    console.log('=== 死代码消除 ===\n');
    
    console.log('原始代码：');
    console.log(`
    function process(x) {
      const result = x * 2;
      
      // 死代码：永远不会执行
      if (false) {
        console.log('这行不会执行');
      }
      
      // 死代码：计算结果未使用
      const unused = x * x * x;
      
      return result;
    }
    `);
    
    console.log('死代码消除后：');
    console.log(`
    function process_dce(x) {
      return x * 2;
    }
    `);
    
    console.log('消除的代码类型：');
    console.log('  • 不可达代码（if(false)块）');
    console.log('  • 未使用的计算结果');
    console.log('  • 未使用的变量');
    console.log('  • 空循环\n');
  }
  
  static demonstrateCombined() {
    console.log('=== 组合优化示例 ===\n');
    
    console.log('原始代码：');
    console.log(`
    function example(arr) {
      const multiplier = 2 * 3;  // 常量折叠 → 6
      let sum = 0;
      
      for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
        sum += arr[i] * multiplier;
      }
      
      // 死代码
      const debug = false;
      if (debug) {
        console.log(sum);
      }
      
      return sum;
    }
    `);
    
    console.log('完全优化后：');
    console.log(`
    function example_optimized(arr) {
      let sum = 0;
      const len = arr.length;
      for (let i = 0; i < len; i++) {
        sum += arr[i] * 6;  // multiplier被折叠
      }
      return sum;
      // debug相关代码被消除
    }
    `);
  }
  
  static runAll() {
    this.demonstrateConstantFolding();
    this.demonstrateDeadCodeElimination();
    this.demonstrateCombined();
  }
}

ConstantFoldingAndDCE.runAll();

// 检查点与类型守卫
class CheckpointsAndGuards {
  static demonstrate() {
    console.log('=== 类型守卫 ===\n');
    
    console.log('优化代码依赖类型假设：');
    console.log(`
    // TurboFan假设 a 和 b 都是 Smi
    function add(a, b) {
      // 插入类型守卫
      CheckIsSmi(a);  // 如果不是Smi，去优化
      CheckIsSmi(b);
      return SmiAdd(a, b);  // 直接Smi加法
    }
    `);
    
    console.log('守卫类型：');
    console.log('  • CheckSmi: 检查是否为小整数');
    console.log('  • CheckHeapNumber: 检查是否为堆数字');
    console.log('  • CheckMap: 检查隐藏类');
    console.log('  • CheckBounds: 检查数组边界');
    console.log('  • CheckNonSmi: 检查不是Smi\n');
  }
  
  static demonstrateMapCheck() {
    console.log('=== Map检查（形状检查）===\n');
    
    console.log('属性访问的优化：');
    console.log(`
    function getX(point) {
      // 原始：查找"x"属性
      // 优化后：假设point是Point形状
      
      CheckMap(point, PointMap);  // 检查隐藏类
      return LoadField(point, offset_of_x);  // 直接偏移访问
    }
    `);
    
    console.log('如果检查失败：');
    console.log('  1. 触发去优化');
    console.log('  2. 回退到解释执行');
    console.log('  3. 可能重新收集类型反馈');
    console.log('  4. 可能重新优化\n');
  }
  
  static demonstrateCheckpointFrame() {
    console.log('=== 检查点帧 ===\n');
    
    console.log('去优化需要重建解释器状态：');
    console.log('');
    console.log('  优化代码中的检查点包含：');
    console.log('    • 字节码偏移量');
    console.log('    • 寄存器映射');
    console.log('    • 栈帧信息');
    console.log('    • 局部变量值');
    console.log('');
    console.log('  当守卫失败时：');
    console.log('    1. 使用检查点信息');
    console.log('    2. 重建解释器栈帧');
    console.log('    3. 从对应字节码位置继续执行\n');
  }
  
  static runAll() {
    this.demonstrate();
    this.demonstrateMapCheck();
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