如何将 DevTools的堆栈追踪速度提高10倍-devtools原理

本文转载自微信公众号「TianTianUp」，作者小弋。转载本文请联系TianTianUp公众号。

大家好，我是TianTian。

今天分享的内容是如何将Chrome DevTools的堆栈追踪速度提高了10倍。

之前听工作6年的同事说，DevTools会影响页面性能。正好逛国外社区的时候，发现这篇不错的文章，借此机会分享给大家。

正文

Web开发人员已经开始期待在调试他们的代码时几乎没有性能影响。然而，这种期望绝不是普遍的。一个C++开发人员永远不会期望他们的应用程序的调试构建能够达到生产性能，而在Chrome浏览器的早期，仅仅是打开DevTools就会大大影响页面的性能。

现在已经感觉不到这种性能下降了，这是多年来对DevTools和V8的调试能力投资的结果。尽管如此，我们永远无法将DevTools的性能开销降低到零。设置断点、踏过代码、收集堆栈痕迹、捕获性能跟踪等等，都会在不同程度上影响执行速度。毕竟，观察到的东西会改变它。

但当然，DevTools的开销--像任何调试器一样--应该是合理的。最近我们看到，在某些情况下，DevTools会拖慢应用程序的速度，以至于它不能再使用的报告数量显著增加。下面你可以看到一个来自报告chromium:1069425的并排比较，说明了仅仅打开DevTools的性能开销。

报告chromium:1069425链接点这里:

https://bugs.chromium.org/p/chromium/issues/detail?id=1069425

查看这个视频:

正如你从视频中看到的，速度降低了5-10倍，这显然是不可接受的。

第一步是要了解所有的时间都去哪儿了，是什么导致了DevTools打开时的巨大速度下降。

在Chrome渲染器进程上使用Linux perf，发现整个渲染器执行时间的分布如下。

图1

虽然我们有点期待看到与收集堆栈痕迹有关的东西，但我们不会想到，整个执行时间的大约90%都用于符号化堆栈帧。

这里的符号化是指从原始堆栈帧中解析函数名和具体的源位置--脚本中的行号和列号的行为。

方法名推断

更令人惊讶的是，几乎所有的时间都流向了V8中的JSStackFrame::GetMethodName()函数。

尽管我们从以前的调查中知道，JSStackFrame::GetMethodName()在性能问题的土地上并不陌生。

这个函数试图为那些被认为是方法调用的框架(代表obj.func()而不是func()形式的函数调用的框架)计算方法的名称。

快速查看代码发现，它的工作原理是对对象及其原型链进行全面的遍历，并寻找:

数据属性，其值是func的闭包
访问器属性，其中get或set等同于func闭包。

现在，虽然这本身听起来并不特别便宜，但它也听起来不像是能解释这种可怕的减速。

因此，我们开始挖掘chromium:1069425中报告的例子，我们发现堆栈痕迹是为异步任务以及来自classes.js的日志信息收集的，这是一个10MB的JavaScript文件。

仔细观察发现，这基本上是一个Java运行时，加上编译成JavaScript的应用程序代码。堆栈跟踪包含了几个框架，其中有一些方法被调用到一个对象A上，所以我们认为可能值得了解我们正在处理的是哪种对象。

chromium:1069425 : https://bugs.chromium.org/p/chromium/issues/detail?id=1069425

图2

显然，从Java到JavaScript的编译器产生了一个对象，上面有高达82,203个函数。

这显然开始变得有趣了。接下来我们回到V8的JSStackFrame::GetMethodName()，以了解是否有一些低垂的果实可以被我们采摘。

它的工作原理是首先将函数的 "名字 "作为对象的一个属性进行查找，如果找到了，则检查该属性的值是否与该函数相匹配。
如果函数没有名字，或者对象没有匹配的属性，它就会通过遍历对象的所有属性及其原型来进行反向查找。

在我们的示例中，所有函数都是匿名的，并且具有空的“名称”属性。

A.SDV = function() { 
   // ... 
};

最初的发现是将反向查找分为两个步骤(针对对象本身及其原型链中的每个对象执行)：

提取所有可枚举属性的名称，然后
对每个名称执行通用属性查找，测试结果属性值是否与我们要查找的闭包相匹配。

这看起来是一个低效的操作，因为提取名字需要走遍所有的属性。与其做两遍--O(N)的名字提取和O(N log(N))的测试，我们可以在单遍中完成所有工作，并直接检查属性值。这使得整个函数的速度提高了2-10倍左右。

第二个发现甚至更有趣。虽然这些函数在技术上是匿名函数，但V8引擎还是为它们记录了我们称之为推断的名称。对于以obj.foo = function() {...}形式出现在赋值右侧的函数字面，V8解析器会记住 "obj.foo "作为该函数字面的推断名称。

因此，在我们的例子中，虽然我们没有可以直接查找的正确名称，但我们确实有足够接近的东西。对于上面的A.SDV = function() {...}例子，我们有 "A.SDV "作为推断名称，我们可以通过寻找最后一个点从推断名称中得出属性名称，然后去寻找对象上的属性 "SDV"。

这几乎在所有的情况下都起到了作用，用单一的属性查找取代了昂贵的全面遍历。这两项改进是CL的一部分，大大降低了chromium:1069425中报告的例子的速度下降。

错误堆栈

我们本可以在这里收工了，但是有些事情是不对劲的，因为DevTools从来不使用堆栈框架的方法名。事实上，C++ API中的v8::StackFrame类甚至没有提供获取方法名称的方法。因此，我们最终会首先调用JSStackFrame::GetMethodName()，这似乎是错误的。

相反，我们使用(和公开)方法名称的唯一地方是在JavaScript堆栈跟踪API中。为了理解这种用法，请考虑下面这个简单的例子error-methodname.js:

function foo() { 
    console.log((new Error).stack); 
} 
 
var object = {bar: foo}; 
object.bar();

这里我们有一个函数foo，它被安装在对象的名称 "bar "下。在Chromium中运行这个片段，会产生以下输出:

Error 
    at Object.foo [as bar] (error-methodname.js:2) 
    at error-methodname.js:6

在这里，我们看到了方法名查找的作用。最上面的堆栈框架被显示为通过名为bar的方法在Object的实例上调用函数foo。所以非标准的error.stack属性大量使用了JSStackFrame::GetMethodName()，事实上，我们的性能测试也表明，我们的改变使事情大大加快。

图3

但回到Chrome DevTools的话题上，即使没有使用error.stack，方法名称也被计算出来了，这看起来不对。

这里有一些历史可以帮助我们:

传统上，V8有两种不同的机制来收集和表示上述两种不同的API(C++ v8::StackFrame API和JavaScript stack trace API)的堆栈跟踪。有两种不同的方式来做(大致)相同的事情是容易出错的，并且经常导致不一致和错误，所以在2018年底，我们启动了一个项目，以解决堆栈跟踪捕获的单一瓶颈。

这个项目非常成功，大大减少了与堆栈跟踪收集有关的问题的数量。大部分通过非标准的error.stack属性提供的信息也是懒散地计算的，只有在真正需要的时候才会计算，但作为重构的一部分，我们对v8::StackFrame对象采用了同样的技巧。

所有关于堆栈框架的信息都是在任何方法第一次被调用时计算的。

这通常会提高性能，但不幸的是，它被证明与Chromium和DevTools中使用这些C++ API对象的方式有些相反。

特别是由于我们引入了一个新的v8::internal::StackFrameInfo类，它持有关于堆栈框架的所有信息，这些信息通过v8::StackFrame或通过error.stack公开，我们总是计算两个API提供的信息的超集，这意味着对于v8::StackFrame的使用(特别是对于DevTools)，我们也将计算方法名称，只要关于堆栈框架的任何信息被请求。事实证明，DevTools总是立即请求源和脚本信息。

基于这一认识，我们能够重构并大幅简化堆栈框架的表示，并使其更加懒惰，因此整个V8和Chromium的使用现在只需要支付计算他们所要求的信息的成本。这给DevTools和其他Chromium用例带来了巨大的性能提升，它们只需要关于堆栈框架的一小部分信息(基本上只是脚本名称和以行和列偏移形式存在的源位置)，并为更多的性能改进打开了大门。

函数名称

随着上述重构的完成，符号化的开销(在v8_inspector::V8Debugger::symbolize中花费的时间)被减少到整个执行时间的15%左右，而且我们可以更清楚地看到V8在(收集和)符号化堆栈帧以便在DevTools中使用时的时间。

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图4

第一件引人注目的事情是计算行数和列数的累积成本。

这里昂贵的部分实际上是计算脚本中的字符偏移量(基于我们从V8得到的字节码偏移量)，结果发现，由于我们上面的重构，我们做了两次，一次是在计算行号时，另一次是在计算列号时。

在v8::internal::StackFrameInfo实例上缓存源位置有助于快速解决这个问题，并且完全消除了v8::internal::StackFrameInfo::GetColumnNumber的任何配置文件。

对我们来说，更有趣的发现是，v8::StackFrame::GetFunctionName在我们看的所有配置文件中都出奇地高。深入研究后我们发现，计算我们在DevTools中为堆栈框架中的函数显示的名称是不必要的，成本很高。

首先寻找非标准的 "displayName "属性，如果它产生了一个具有字符串值的数据属性，我们就会使用它。
否则就返回到寻找标准的 "name "属性，并再次检查该属性是否产生了一个值为字符串的数据属性。
并最终返回到由V8解析器推断出的、存储在函数字面上的内部调试名称。

"displayName "属性是为了解决函数实例上的 "name "属性在JavaScript中只读且不可配置的问题而添加的，但它从未被标准化，也没有被广泛使用，因为浏览器的开发工具添加了函数名称推理，在99.9%的情况下都能完成工作。

除此之外，ES2015让Function实例上的 "name "属性变得可配置，完全消除了对特殊 "displayName "属性的需求。

由于 "displayName "的负向查找成本很高，而且并不是真的需要(ES2015是在五年前发布的)，我们决定从V8(和DevTools)中删除对非标准的fn.displayName属性的支持。

随着 "displayName "的负向查找的完成，v8::StackFrame::GetFunctionName的一半成本被移除。另一半则用于通用的 "name "属性查询。幸运的是，我们已经有了一些逻辑来避免在(未触及的)Function实例上进行昂贵的 "name "属性查询，我们在不久前的V8中引入了这一逻辑，以使Function.prototype.bind()本身更快。我们移植了必要的检查，允许我们首先跳过昂贵的通用查询，结果是v8::StackFrame::GetFunctionName不再出现在我们考虑的任何配置文件中。

总结

通过上述改进，我们已经大大减少了DevTools在堆栈跟踪方面的开销。

视频

我们知道仍有各种可能的改进。

例如，使用MutationObservers时的开销仍然很明显，正如chromium:1077657所报告的那样，但就目前而言，我们已经解决了主要的痛点，而且我们将来可能会回来进一步简化调试性能。

chromium:1077657: https://bugs.chromium.org/p/chromium/issues/detail?id=1077657