Chrome v8 pwn 前置

Chrome v8

参考

官方文档
Chrome v8 pwn
官方V8源码
浏览器入门之starctf-OOB
browser pwn入门（一
V8 Pwn Basics 2: TurboFan

V8 Pwn Basics 1: JSObject

简介

v8 是 Google 用 C++ 开发的一个开源 JavaScript 引擎. 简单来说, 就是执行 js 代码的一个程序. Chromium, Node.js 都使用 v8 解析并运行 js.

v8是chrome浏览器的JavaScript解析引擎,v8编译后二进制名称叫d8而不是v8

JavaScript 是解释语言, 需要先翻译成字节码后在 VM 上运行. V8 中实现了一个 VM. 出于性能考虑, 目前的引擎普遍采用一种叫做 Just-in-time (JIT) 的编译技术, V8 也是. JIT 的思想在于, 如果一段代码反复执行, 那么将其编译成机器代码运行, 会比每次都解释要快得多.

图片.png
V8引擎处理JavaScript代码的流程:

假设我们有以下JavaScript代码:

function add(a, b) {
  return a + b;
}

console.log(add(5, 3));

  1. 解析(Parser):
    Parser会将这段代码转换为抽象语法树(AST)。AST大致如下:

    Program
├── FunctionDeclaration (add)
│   ├── Params (a, b)
│   └── ReturnStatement
│       └── BinaryExpression (+)
│           ├── Identifier (a)
│           └── Identifier (b)
└── ExpressionStatement
   └── CallExpression (console.log)
       └── CallExpression (add)
           ├── NumberLiteral (5)
           └── NumberLiteral (3)

  2. 解释(Interpreter - Ignition):
    Ignition解释器会将AST转换为字节码。简化的字节码可能如下:

    DEFINE_FUNCTION add
GET_ARG a
GET_ARG b
ADD
RETURN

CALL add 5 3
CALL console.log

    Ignition会在VM中执行这些字节码。

  3. 非优化编译(Sparkplug):
    如果函数被多次调用,Sparkplug会将字节码快速编译成简单的机器码,以提高执行速度。

  4. 优化编译(Compiler - TurboFan):
    如果函数被频繁调用,TurboFan会对其进行更深入的分析和优化,生成高度优化的机器码。例如,它可能会将add函数内联到调用处,消除函数调用开销。

环境搭建

https://storage.googleapis.com/chrome-infra/depot_tools.zip

https://blog.csdn.net/qq_61670993/article/details/135276209?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522171940779116800184121422%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fblog.%2522%257D&request_id=171940779116800184121422&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~blog~first_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-1-135276209-null-null.nonecase&utm_term=v8&spm=1018.2226.3001.4450

depot_tools和ninja

出现找不到vpython3和python3的情况是网络问题更换下代理,重试就好了
图片.png

使用ubuntu 20.04 搭建方便些 18.04很多东西搭环境麻烦

sudo apt install bison cdbs curl flex g++ git python vim pkg-config

git clone https://chromium.googlesource.com/chromium/tools/depot_tools.git
echo 'export PATH=$PATH:"/path/to/depot_tools"' >> ~/.bashrc
cd depot_tools
git reset --hard 138bff28
export DEPOT_TOOLS_UPDATE=0
gclient   建议每次 gclient 前设置环境变量 export DEPOT_TOOLS_UPDATE=0
cd ..

git clone https://github.com/ninja-build/ninja.git
cd ninja && ./configure.py --bootstrap && cd ..
echo 'export PATH=$PATH:"/path/to/ninja"' >> ~/.bashrc

fetch v8 或者fetch --force v8

cd v8                    
gclient sync -D    git checkout  7.6.303.28 更换v8版本

./build/install-build-deps.sh 安装相关依赖，如果遇到下载字体未响应问题需要添加 --no-chromeos-fonts 参数
./tools/dev/v8gen.py x64.release 设置配置 最好选择 release 版本 因为 debug 版本可能会有很多检查 
./tools/dev/v8gen.py x64.debug 

ninja -C out.gn/x64.release 利用生成的配置来编译 
ninja -C out.gn/x64.debug

ninja编译的最后在 ./out.gn/x64.debug/ 或 ./out.gn/x64.release/ 目录下

或者

执行 ./tools/dev/gm.py x64.release 可以使用预设的选项编译 release 版本, 将 release 换成 debug 可以编译 debug 版本. 这样编译出来的文件在 ./out/x64.release 或者 ./out/x64.debug 下.

也可以自行设置编译选项, 然后编译. 用 ./tools/dev/v8gen.py $target.$version -- options 来生成 $target 架构的 $version 版本的配置文件. 如 ./tools/dev/v8gen.py x64.release. 生成的文件会在 ./out.gn/ 下的对应目录里. 更多用法可以看 官方文档.

无论是用 gm 还是 v8gen, 生成的文件中包含一个编译选项. 在 ./out/ 或者 ./out.gn/ 对应目录下的 args.gn.

turbolizer

完全卸载并重新安装 Node.js 和 npm： 首先，卸载现有的 Node.js：

然后，重新安装：

curl -fsSL https://deb.nodesource.com/setup_lts.x | sudo -E bash -
sudo apt-get install -y nodejs

检查安装：
安装完成后，检查 Node.js 和 npm 的版本：

node -v
npm -v

cd v8/tools/turbolizer
npm i
npm run-script build
python -m SimpleHTTPServer

调试

var a = [1,2,3,1.1];
%DebugPrint(a);
%SystemBreak();

在 ~/.gdbinit 内添加以下两行可使用V8附带的调试插件：

source /path/to/v8/tools/gdbinit
source /path/to/v8/tools/gdb-v8-support.py

图片.png

 jl 别名已经存在，查看 tools/gdbinit 发现：

#alias jlh = print-v8-local
alias jl = print-v8-local

gdb ./d8
set args --allow-natives-syntax ./exp.js

> d8 带 --allow-natives-syntax 启动参数的话，则可以在 js 脚本中写一些调试用的函数，这些函数通常以 % 开头，如 %DebugPrint() 显示对象信息，%DebugPrintPtr() 显示指针指向的对象信息，%SystemBreak() 下断点等。在 src/runtime/runtime.h 中可以找到所有的 natives syntax。

调试的时候可以在js文件里面使用%DebugPrint();以及%SystemBreak();其中%SystemBreak();的作用是在调试的时候会断在这条语句这里，%DebugPrint();则是用来打印对象的相关信息，在debug版本下会输出很详细的信息。

图片.png
> is_debug = true 编译选项会设置 DCHECK 宏, 它负责一些简单的安全检查, 如判断数组是否越界. 而题目往往编译的 release 版本, 如果在利用中有这种行为, 不会有什么影响. 但是用 debug 版本调试时会直接 assert. 不幸的是没有选项能够取消设置 DCHECK. 如果还需要在 debug 版本下调试以获得良好体验的话, 可以手动 patch 一下. 在 src/base/logging.h 中找到 DCHECK 定义的地方:

图片.png

turbolizer使用

function add(x, y) {
  return x + y;
}

for (let i = 0; i < 10000; i++) {
  add(i, i + 1);
}

%OptimizeFunctionOnNextCall(add);
console.log(add(1, 2));

./d8 exp.js --allow-natives-syntax --trace-turbo
  • --trace-turbo：
    这是一个 V8 标志，用于启用 TurboFan（V8 的优化编译器）的跟踪功能。
    它会生成详细的优化过程信息，包括中间表示（IR）图和各种优化阶段。
  • --trace-turbo-path=/path/to/output：
    这个标志指定了 Turbo 跟踪输出的路径。
    /path/to/output 应该替换为你想保存输出文件的实际路径。
    输出通常是一个 JSON 文件，包含了优化过程的详细信息。
  • your_script.js：
    这是你要运行和分析的 JavaScript 文件的名称。
    d8 将执行这个文件，同时生成优化跟踪信息。
  1. d8 加载并执行 your_script.js。
  2. 在执行过程中，V8 引擎会对代码进行优化。
  3. 由于启用了 --trace-turbo，V8 会记录优化过程中的各个阶段。
  4. 这些记录会被保存到 --trace-turbo-path 指定的路径中。
  5. 生成的 JSON 文件可以用 Turbolizer 工具来可视化和分析。

之后本地就会生成turbo.cfg和turbo-xxx-xx.json文件

然后启动服务提交json文件

图片.png

更多优化标志

--trace-opt 打印编译优化信息
--trace-deopt
--print-opt-code

结构

数组 Array

数组是JS最常用的class之一，它可以存放任意类型的js object。
有一个 length 属性，可以通过下标来线性访问它的每一个元素。
有许多可以修改元素的接口。
当元素为object时，只保留指针。

Array 示例:

// 创建一个数组
let fruits = ['apple', 'banana', 'orange'];

// 使用下标访问元素
console.log(fruits[1]); // 输出: 'banana'

// 使用length属性
console.log(fruits.length); // 输出: 3

// 修改元素
fruits[1] = 'grape';
console.log(fruits); // 输出: ['apple', 'grape', 'orange']

// 添加元素
fruits.push('mango');
console.log(fruits); // 输出: ['apple', 'grape', 'orange', 'mango']

// 数组可以包含不同类型的元素
let mixed = [1, 'two', {name: 'three'}, [4, 5]];
console.log(mixed); // 输出: [1, 'two', {name: 'three'}, [4, 5]]

Array的基本用法，包括创建、访问、修改、添加元素，以及数组可以包含不同类型的元素。

  • Array是JavaScript中最常用的数据结构，可以存储任意类型的数据，并提供了许多便利的方法。 ArrayBuffer

    ArrayBuffer 对象用来表示通用的、固定长度的原始二进制数据缓冲区。ArrayBuffer 不能直接操作，而是要通过类型数组对象或 DataView 对象来操作，它们会将缓冲区中的数据表示为特定的格式，并通过这些格式来读写缓冲区的内容。

ArrayBuffer 示例:

// 创建一个16字节的ArrayBuffer
let buffer = new ArrayBuffer(16); //返回值：一个指定大小的 ArrayBuffer 对象，其内容被初始化为 0 。

console.log(buffer.byteLength); // 输出: 16

// 创建一个视图来操作这个buffer
let int32View = new Int32Array(buffer);

// 写入数据
int32View[0] = 123456;

console.log(int32View); // 输出: Int32Array [123456, 0, 0, 0]

创建了一个16字节的ArrayBuffer，然后使用Int32Array视图来操作它。ArrayBuffer本身不能直接操作，需要通过类型化数组或DataView来访问。

  • ArrayBuffer代表一段原始的二进制数据缓冲区，但不能直接操作。 DataView

    DataView 是一个可以从 ArrayBuffer 对象中读写多种数值类型的底层接口，使用它时，不用考虑不同平台的字节序问题。

DataView 示例:

// 创建一个8字节的ArrayBuffer
let buffer = new ArrayBuffer(8);

// 创建一个DataView来操作这个buffer
let dataView = new DataView(buffer);

// 写入不同类型的数据
dataView.setInt16(0, 12345); // 在偏移0处写入一个16位整数
dataView.setFloat32(2, 3.1415); // 在偏移2处写入一个32位浮点数

// 读取数据
console.log(dataView.getInt16(0)); // 输出: 12345
console.log(dataView.getFloat32(2)); // 输出: 3.1415927410125732

// 使用不同的字节序读取数据
console.log(dataView.getInt16(0, true)); // 输出: -12851 (使用小端字节序读取)

创建了一个DataView来操作ArrayBuffer。DataView允许以不同的数据类型和字节序来读写数据，这在处理二进制数据时非常有用，特别是在需要处理跨平台数据时。

  • DataView提供了一个灵活的接口来读写ArrayBuffer中的数据，可以指定数据类型和字节序。

图片.png

WASM

  • 最重要的特点：可以在 Javascript Engine 的地址空间中导入一块可读可写可执行的内存页。
// 定义一个 Uint8Array,包含 WebAssembly 模块的二进制代码
let wasm_code = new Uint8Array([
    0, 97, 115, 109,  // 魔数 "\0asm"
    1, 0, 0, 0,       // 版本 1
    // ... 其他字节码 ...
]);

// 创建 WebAssembly 模块实例
let wasm_mod = new WebAssembly.Instance(
    new WebAssembly.Module(wasm_code),  // 从二进制代码创建模块
    {}  // 空导入对象
);

// 获取导出的 'main' 函数
let f = wasm_mod.exports.main;

// 触发系统断点,用于调试
%SystemBreak();

你可以通过调用 f() 来执行这个函数并获得结果。

JSObject结构

Object 的本质是一组有序的 属性property, 类似于有序字典, 即键值对有序集合. 键可以是非负整数, 也可以是字符串. 键为数字的属性称为 编号属性numbered property, 为字符串的称为 命名属性named property. 比如一个 object = {'x': 5, 1: 6};. 引用这个属性可以用 . 或者 [], 如 object.x, object[1]. 每个属性都有一系列 属性特性property attributes, 它描述了属性的状态, 比如 object.x 的值, 它是否可写, 可枚举等等.

每当创建一个对象时, V8 会在堆上分配一个 JSObject (C++ class), 来表示这个对象:

图片.png

  • Map: 这是一个指向 HiddenClass 的指针。HiddenClass 是一个用来表示对象形状的内部数据结构。它保存了对象的属性名称、类型、布局等信息。
  • Properties: 指向包含 命名属性 的对象的指针（这是一个指向另一个对象的指针,用来存储动态添加的命名属性）
  • Elements: 指向包含 编号属性 的对象的指针
  • In-Object Properties: 指向对象初始化时定义的 命名属性 的指针（这是一个指向存储初始化时定义的命名属性的内存区域）

Map 是用来确定一个 Object 的形状的, Proerties 和 Elements 都是 Object 中的属性. Properties 和 Elements 独立存储, 为两个 FixedArray (V8 定义的 C++ class), 编号属性一般也叫 元素Element, 他是可以用整数下标来访问的, 一般也就存储在连续的空间中. 而由于动态的原因, 命名属性难以使用固定的下标进行检索. V8 使用 Map Transition 的机制来动态表示命名属性

const obj = {
  name: "John",
  age: 30,
  hobbies: ["reading", "swimming"],
  1:111
};
obj.city = "New York";
%DebugPrint(obj);
%SystemBreak();

图片.png

Hidden Class

Hidden Class 也被称作 Object Map，简称 Map。位于 V8 Object 的第一个 8 字节。
任何由 v8 gc 管理的 Js Object ，它的前 8 个字节（或者在 32 位上是前四个字节）都是⼀个指向 Map 的指针。
Map 中比较重要的字段是一个指向 DescriptorArray 的指针，里面包含有关name properties的信息，例如属性名和存储属性值的位置。
具有相同 Map 的两个 JS object ，就代表具有相同的类型（即具有以相同顺序命名的相同属性），比较 Map 的地址即可确定类型是否⼀致，同理，替换掉 Map 就可以进行类型混淆。

  • 第三个字段 bit field 3: (以某些位) 存储了属性的数量.
  • Descriptor Array Pointer: 指向 描述数组Descriptor Array 的指针, 描述数组包含命名属性的信息, 如名称, 存储位置偏移等. 这里的偏移指的是值在 properties 数组的哪一个位置
  • Transition Array Pointer: 指向 Transition Array 的指针. 它相当于转换树上, 这个 Map 链接的边的集合
  • back pointer: 指向转换树父亲节点 Map 的指针 (改字段与 construtor 复用, 因为根没有父亲).

图片.png
V8 有两种方式来存储 命名属性, 对应了两种动态维护 Object 方式. 一种叫 快速属性Fast Properties, 一种叫 慢速属性Slow Properties 或 字典模式Dictionary Mode.

命名属性-快速属性Fast Properties

快速属性分两种, 一种是每个 Object 的 in-object properties（初始化时候的命名属性）, 直接访问, 非常快速, 但是没有动态支持. 另一种是存在 Map 的 Descriptor Array 中, 使用 Map Transition 来支持动态（新增会往里添加）, 也就是 JS 的 “基于原型继承”.

function Car(make) {
  this.make = make;
}

let car1 = new Car("Toyota");
car1.model = "Corolla";

let car2 = new Car("Honda");
car2.model = "Civic";
car2.year = 2022;

let car3 = new Car("Ford");
car3.color = "Red";

现在，让我们看看 Map 的演变过程和形成的树形结构：

  1. 初始状态：

    Map0 (empty)

  2. 添加 make 属性：

    Map0 (empty)
 |
 v
Map1 {make}
    • Transition Array: Map0 -> Map1 (添加 "make")
    • back pointer: Map1 -> Map0

  3. 为 car1 添加 model 属性：

    Map0 (empty)
 |
 v
Map1 {make}
 |
 v
Map2 {make, model}
    • Transition Array: Map1 -> Map2 (添加 "model")
    • back pointer: Map2 -> Map1

  4. 为 car2 添加 year 属性：

    Map0 (empty)
 |
 v
Map1 {make}
 |
 v
Map2 {make, model}
 |
 v
Map3 {make, model, year}
    • Transition Array: Map2 -> Map3 (添加 "year")
    • back pointer: Map3 -> Map2

  5. 为 car3 添加 color 属性：

    Map0 (empty)
 |
 v
Map1 {make}
/  \
v    v
Map2 {make, model}     Map4 {make, color}
 |
 v
Map3 {make, model, year}
    • Transition Array: Map1 -> Map4 (添加 "color")
    • back pointer: Map4 -> Map1

这个树形结构展示了：

  1. 对象结构的演变历史：从空对象开始，逐步添加属性。
  2. 共享结构：多个对象可以共享相同的 Map（例如，car1 和 car2 在添加 model 属性时共享 Map2）。
  3. 分支：当不同对象添加不同属性时，会形成分支（例如，Map1 到 Map2 和 Map4 的分支）。
  4. 快速属性查找：V8 可以快速遍历这个树来查找属性。
  5. 内存效率：通过共享 Map 结构，减少了内存使用。

Transition Array 和 back pointer 的作用：

  • Transition Array：允许 V8 快速找到添加新属性后应该使用的 Map。
  • back pointer：允许 V8 回溯对象的结构历史，有助于原型链查找和优化。

每次新增命名属性时, 都会基于原来的 Hidden Class 做 转换Transition, 即新建一个 Hidden Class, 并维护信息, 同时维护两条有向边 (Transition Array 里向前一条, back pointer 向后一条), 组成一个树形结构.

图片.png
Map Transition机制可以来动态表示命名属性
在添加命名属性的时候, 除了 Map 会做变换, 其中的 Discriptor Array 也会更新, 但不是每个 Map 都有独立的 Discriptor Array, 因为他们一定程度上可以复用来节省空间.

function Peak(name, height, extra) {
  this.name = name;
  this.height = height;
  if (isNaN(extra)) {
    this.experience = extra;
  } else {
    this.prominence = extra;
  }
}

m1 = new Peak("Matterhorn", 4478, 1040);
m2 = new Peak("Wendelstein", 1838, "good");

m2.cost = "one arm, one leg";

在动态添加的过程中, 如果我们看进入 if 的那个分支, Peak 的结构 (属性名以及位置) 变化应该是这样的:

Map0: {}
Map1: {name}
Map2: {name, height}
Map3: {name, height, experience}

可以发现每个 Map 重复的部分其实很多. 除了 Map0 (因为 {}) 外, 其他的 Map 共用一个 Descriptor Array, 为 {name, height, experience}, 而 Map1 的属性数量为 1, 它不使用后面两个属性; 同理 Map2 的属性数量为 2, 不使用最后一个. 这样就完成了复用.

图片.png

命名属性-慢速属性Slow Properties 或 字典模式Dictionary Mode

当一个 Object 删除命名属性删的多了, 树形结构自然不好维护, 这时 V8 会转而使用类似字典的方法, 存储在 JSObject 的 Properties 中, 然后通过哈希来访问. 使用了字典模式后, Descriptor Array 指针就空了, 也不使用 Map Transition.
图片.png

这里的 value 直接就是值, 而不是偏移了.

const obj = {
  a: 1,
  b: 2,
  c: 3,
  d: 4,
  e: 5,
  f: 6,
  g: 7,
  h: 8,
  i: 9,
  j: 10
};

for (let i = 0; i < 5; i++) {
  delete obj.a;
  delete obj.b;
  delete obj.c;
  delete obj.d;
  delete obj.e;
}

当我们删除太多属性后,V8 引擎会发现维护 Map 和 Transition Array 的开销太大,于是会切换到使用字典模式来存储和访问对象属性。

在字典模式下,V8 会将对象的属性信息存储在 Properties 字段中,而不是使用 Descriptor Array。这个 Properties 字段是一个哈希表,可以高效地存储和访问动态添加或删除的属性。

图片.png

编号属性 (Elements)

  1. 数组是 Object:

    • JavaScript 数组本质上也是一种对象,它继承自 Array.prototype。

  2. 连续内存存储:

    • 由于数组通常是连续访问的,V8 引擎会将数组元素直接存储在连续的内存空间中,通过 Elements 字段进行索引。

  3. 元素类型细分:

    • V8 将数组元素类型细分为 SMI_ELEMENTS(小整数)、DOUBLE_ELEMENTS(浮点数)和 ELEMENTS(其他类型)。
    • 数组会维护一个统一的元素类型,比如 [1, 2, 3] 的类型为 SMI_ELEMENTS。
    • 如果数组中出现不同类型的元素,比如 [1, 2.0, '3'],那么数组的类型会转换为 ELEMENTS。这种转换是单向的,即使删除了所有非整数元素,数组也不会转回 DOUBLE_ELEMENTS。

  4. Packed 和 Holey:

    • V8 还区分数组是 PACKED 还是 HOLEY。
    • PACKED 表示数组中所有空间都被使用,而 HOLEY 表示有未定义的元素(空洞)。
    • 这种区分主要是为了优化内存使用。从 PACKED 到 HOLEY 也是一个单向转换。

  5. 快速模式和慢速模式:

    • 一般情况下,V8 会使用快速模式,即数组元素存储在连续的内存空间中。
    • 如果数组非常稀疏,V8 会切换到慢速模式,使用一个字典来索引数组元素。

  6. 属性记录:

    • 除了数组元素,数组本身也可以有命名属性,这些属性会存储在 Properties 字段中。
    • 对于这些命名属性,V8 会使用与普通对象相同的 Map 和 Descriptor Array 机制进行管理。

例子：

// 初始状态：PACKED_SMI
let arr = [1, 2, 3];

%DebugPrint(arr);
%SystemBreak();
// 添加浮点数，转换为 PACKED_DOUBLE
arr.push(4.5);
%DebugPrint(arr);
%SystemBreak();
// 添加空洞，转换为 HOLEY_DOUBLE
arr[10] = 5;
%DebugPrint(arr);
%SystemBreak();
// 添加字符串，转换为 HOLEY_ELEMENTS
arr.push("hello");
%DebugPrint(arr);
%SystemBreak();
// 删除所有非SMI元素
arr.length = 3;
%DebugPrint(arr);
%SystemBreak();
// 尽管只包含SMI，但类型仍然是 HOLEY_ELEMENTS
console.log(arr); // [1, 2, 3]

// 创建一个非常稀疏的数组，可能触发慢速模式
let sparseArr = [];
sparseArr[1000000] = 1;

%DebugPrint(sparseArr);
%SystemBreak();

在这个例子中，我们可以看到数组 arr 经历了多次类型转换：

  1. PACKED_SMI -> PACKED_DOUBLE -> HOLEY_DOUBLE -> HOLEY_ELEMENTS

即使最后数组中只剩下小整数，它的类型仍然是 HOLEY_ELEMENTS，这体现了类型转换的单向性。

最后的 sparseArr 是一个非常稀疏的数组，可能会触发 V8 的慢速模式，使用字典来存储元素而不是连续的内存空间。

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常用类型结构

处理通用对象外，v8 还内置了一些常见类型。

在 v8 源码的 v8/src/objects/objects.h 中有对 v8 各种类型之间继承关系的描述。

Smi

V8 的地址分配是对齐字长的, 所以指针的后两位是 0, 可以在这里做标记. 如果最低位为 0, 则表示这是一个 SMI. 所以在 32 架构位下, 一个 SMI 是 31 位的, 存储在高 31 位中, 最低位是 0, 表现在内存中就好像给实际值乘以了一个 2.

                        |----- 32 bits -----|

Smi:                    |___int31_value____0|

在 64 位架构下, 早期版本的 V8 (应该是 2020 之前), SMI 在内存中会长这样:

            |----- 32 bits -----|----- 32 bits -----|
Smi:        |____int32_value____|0000000000000000000|

指针

最低位为 1 表示这是一个指针而不是 SMI, 倒数第二低位标记强弱引用;

                        |----- 32 bits -----|
Pointer:                |_____address_____w1|

在 64 位架构下, 早期版本的 V8 (应该是 2020 之前), 指针在内存中会长这样:

            |----- 32 bits -----|----- 32 bits -----|
Pointer:    |________________address______________w1|

浮点数

浮点数是 64 位的, 在 32 位架构下需要封装成一个 “对象”, 存的时候用的是地址.
浮点数可以不必全封装起来, 对于只由浮点数组成的数组如 FixedDoubleArray, 可以只存储浮点数. 一旦对象形状发生了变化, 需要存一个地址, 这时才将浮点数封装.

假设在 32 位架构下,我们有一个只包含浮点数的数组 [1.2, 3.4, 5.6]。

在这种情况下,JavaScript 引擎可以使用一种称为 FixedDoubleArray 的特殊表示方式来存储这个数组,而不需要将每个浮点数都封装成一个完整的对象。

FixedDoubleArray 的内部结构如下:

+---------------+
| length (32bit)|
+---------------+
| data (64bit x 3) |
| 1.2 | 3.4 | 5.6 |
+---------------+

如图所示,FixedDoubleArray 首先存储了数组的长度,然后直接存储了三个 64 位的浮点数值,没有使用任何指针或对象包装。

这种表示方式可以大大节省内存空间和访问时间,因为不需要为每个浮点数创建一个完整的对象。

但是,如果数组中出现了非浮点数元素,或者数组的形状发生了变化,那么引擎就需要将数组转换为一般的 JSArray 对象,并为每个元素都分配一个 HeapObject 指针。

图片.png

图片.png

指针压缩

显然无论是地址还是 SMI, 都有空余的空间没有使用.

较新版本的 V8 把堆空间安排在一个连续的 4 GB 区域中, 然后把堆的基址存在根寄存器 (r13) 中. 这样用一个 32 位的偏移就可以找到实际的地址. 所以指针只需要存储 32 位的偏移即可.

                    |----- 32 bits -----|----- 32 bits -----|
Compressed pointer:                     |______offset_____w1|
Compressed Smi:                         |____int31_value___0|

这样指针和 SMI 都存在 32 位的空间中, 减少了内存的使用. 同时这里 SMI 也回到了 32 位架构下的表示方式, 高 31 位有效, 最低位为 0.

函数调用栈

图片.png

  1. 新版栈帧结构(从底到顶):

    • 函数参数(按顺序压入)
    • 参数个数(Argc)
    • 返回地址
    • 上一个栈帧指针
    • JSFunction对象指针(当前函数的闭包)
    • Context上下文指针
    • BytecodeArray函数字节码指针
    • BytecodeOffset(当前执行到的字节码偏移量)
    • 局部变量("寄存器",初始化为Undefined)

  2. 旧版栈帧结构类似,但参数压入顺序相反,且没有Argc。

  3. 主要区别:

    • 新版改变了参数压入顺序,并添加了Argc
    • 旧版在处理参数不匹配时需要额外的适配器帧,新版不需要

  4. JSFunction、Context、BytecodeArray都是指向C++对象的指针:

    • JSFunction: 表示当前函数对象
    • Context: 执行上下文
    • BytecodeArray: 包含字节码、常量池等信息

  5. 局部变量区就是VM中所说的"寄存器",分配在栈上

实例

假设我们有以下JavaScript代码:

function greet(name) {
    let greeting = "Hello, ";
    return greeting + name + "!";
}

greet("Alice");

当这个函数被调用时,V8会创建一个新的栈帧。让我们逐步分析这个栈帧的结构:

  1. 参数和基本信息:

    • 参数 "Alice" 被压入栈
    • Argc (参数数量) = 1
    • 返回地址 (调用greet后应该返回的地址)
    • 上一个栈帧指针

  2. JSFunction指针:
    这指向表示greet函数的C++对象。这个对象包含了函数的基本信息,如名称、参数数量等。

  3. Context指针:
    这指向当前的执行上下文。在这个例子中,它可能包含全局作用域的信息。

  4. BytecodeArray指针:
    这指向包含greet函数字节码的数组。比如:

    • 创建 "Hello, " 字符串
    • 加载参数 name
    • 字符串拼接操作
    • 返回结果

  5. BytecodeOffset:
    初始值为0,表示从字节码的开始处执行。

  6. 局部变量 ("寄存器"):

    • 为greeting分配空间,初始化为Undefined
    • 可能还有其他临时变量的空间

执行过程:

  1. VM读取字节码,创建 "Hello, " 字符串并存储在greeting中。
  2. 加载name参数 ("Alice")。
  3. 执行字符串拼接操作。
  4. 将结果压入栈顶作为返回值。

这个结构允许VM:

  • 快速访问局部变量(直接通过栈偏移)
  • 方便地管理函数调用和返回
  • 高效地执行字节码(通过BytecodeArray和BytecodeOffset)
  • 维护正确的执行上下文(通过Context)

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麦当当
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