微信小游戏客户端逻辑层性能优化

小游戏主要分为渲染和逻辑两部分。渲染优化能让渲染相关的指令(WebGL/GFX)得到更高效的执行,逻辑优化是让除渲染之外的 代码也能更高效的执行,本篇主要讲述逻辑相关的优化。

基础功能优化

V8

微信小游戏是在 2017 年 12 月 28 日上线的,当时微信安卓客户端使用的 V8 版本还是 5.5。而 Google 在 V8 上的迭代速度是很快的,其中一个大的版本变更是从 5.9 版本开始,编译器由原来的 FullCodeGenerator + Crankshaft 变更成更加高效的 Ignition + TurboFan。

V8 引擎之所以性能高,在于其出色的 JIT 执行效率。JIT 依赖了一个可以在运行时优化代码的动态编译器。V8 早期的 JIT 编译器是 FullCodegen,后来是 Crankshaft,然后是一直沿用至今的 Turbofan。

升级 V8,可以获得更高的执行性能(TurboFan)、更快的启动速度(Snapshot + Code Caching)、更低的内存占用(64 位压缩指针)。小游戏上线至今,客户端使用的 V8 也一直在升级当中,从最初的 5.5,升级到 6.6,然后是 7.6,直到目前的 8.0。

JSBinding

微信小游戏对开发者暴露的是 JS 的接口,开发者调用某些 JS 函数时,最终会调用到客户端底层的原生能力。而从 JS 到客户端底层之间的桥接能力,就是所谓的 JS 绑定。JS 绑定又分为两种:裸绑定和非裸绑定。裸绑定是通过 V8/JavaScriptCore 提供的原生接口,将某个 JS 函数和原生函数实现绑定到一起,这是最直接,也是最高效的绑定方式。

非裸绑定是指通过某个 JS 和原生的通信的桥梁(evaluate/prompt/postMessage 等等),在此基础上再封装和转发具体的函数调用。由于存在中间一层的转发处理,会有额外的消耗。因此小游戏对外提供的 WebGL 等接口的实现,都采用了裸绑定的方式。直接用原生裸绑定的 API,又会存在以下问题:

  1. 原生 API 使用较复杂
  2. 不方便实现更高层次的类绑定
  3. V8 和 JavaScriptCore 的 API 差异很大,两个平台需要重复实现绑定

于是,我们实现了一套通用的绑定库: jsbinding,公司内是开源的,未来计划对外也开源。

具有如下特点:

  1. 简单易用,支持类绑定
  2. 裸绑定,性能高
  3. 同时支持 V8 和 JavaScriptCore
  4. 支持 node addon 绑定实现

未来甚至计划提供 WebAssembly 的绑定实现,是不是还有点小期待呢?

NodeJs/libuv

安卓客户端已经全面拥抱 node。集成 node runtime 后,拥有了如下能力:

  1. node 内置能力(如文件、setTimeout 等)
  2. libuv 异步 IO 处理的能力

node 很多内置能力,是通过原生来实现的(node addon),属于裸绑定,性能较高。有了 libuv 事件驱动后,可以更加灵活和高效的处理一些异步事件。比如 WebSocket 的回调,之前的处理流程是,在子线程收到 socket 消息后,将消息内容通过 JNI 调用到 Java 层,Java 层再抛到 JS 线程(也是 JVM 线程),回调到 JS。而如果使用 libuv,可以在子线程通过 uv_async_send 封装的 ASyncCall 机制,在底层就直接抛到 JS 线程回调到 JS,避免了中间频繁的 JNI 调用和数据传输的开销。

调用链路优化

我们都知道,两点之间,直线最短。代码也是一样,调用链路越短,越直接,中间的开销就越小。

JsApi 优化

1. JsApi 调用优化

首先来看看之前 JsApi 的调用链路:

一个 js api 的调用(WeixinJSCore.invokeHandler),首先会调用到 C/C++ 统一的回调函数 voidCallback,然后再通过 JNI 调用到 Java 的统一处理函数 callVoidJavaMethod。在这个函数里,需要根据 methodID 从 map 中找到对应的 Java Method,然后再通过多次 JNI 调用 J2V8 各种接口将 js api 的参数转换为 Java 类型参数,最后再调用到具体 API 的 Java 实现函数 Invoke。

这个调用链路显然不是前面提到的裸绑定的实现方法,因为中间还夹了一层 Java 的中转处理层,产生了一些性能消耗。

针对 invokeHandler,缩短调用链路,减少 JNI 调用优化后,流程如下:

针对 js 的 WeixinJSCore.invokeHandler 接口提供专门的 C++ 裸绑定接口 InvokeHandler,取出所有参数后,只需要一次 JNI 调用到 nativeInvokeHandler,然后调到具体 API 的 Java 实现函数 Invoke。

除此之外,针对异步 JsApi 调用,之前的流程是在 java 层抛到另一个线程执行。有了 libuv Looper 后,优化成在底层起一个 uv 的 worker 线程,通过 ASyncCall 将任务抛到 worker 线程,这样 worker 里只需要执行同步的 api 流程,流程上简化了,效率上比抛 Java 层线程更高。

2. JsApi 回调优化

当框架层需要触发 JS 回调时,之前的做法是拼好一段 JS 字符串然后 evaluate:

evaluateJavascript(String.format(
  "typeof WeixinJSBridge !== 'undefined' && " +
  "WeixinJSBridge.invokeCallbackHandler(%d, %s)",
  callbackId, data
));

这里的本质是去调用 JS 里的统一回调处理函数 WeixinJSBridge.invokeCallbackHandler,采取了直接执行一段 JS 的方法。优点是实现简单,缺点是效率不高。

因为让 JS 引擎执行一段 JS 代码时,需要先编译,parse 抽象语法树,生成 Ignition 字节码,甚至启用到 TurboFan 编译优化器,最后才真正执行到想调用的 JS 函数。

同时每个回调都拼一个字符串执行,在 JS 引擎内部会积攒大量临时字符串,占用内存资源。

优化的方法其实也很简单,就是通过 jsbinding 预先查找好 WeixinJSBridge.invokeCallbackHandler 函数,在需要回调这个 JS 函数时,直接调用即可。

// 查找到 invokeCallbackHandler 函数后,保存下来
mm::JSObject func =
         JS_GET_AS(mm::JSObject, js_bridge, "invokeCallbackHandler");
js_func_holder_ = JS_NEW_OBJECT_HOLDER(func);

// ...

// 当需要回调时,直接调用
JS_CALL(js_func_holder_->Get(), nullptr, nullptr,
              js_bridge, callbackId, data);

并行调用优化

开发者在执行某些耗时较重的任务时,可以使用多线程 Worker,类比标准 H5 的 WebWorker。

// 主线程初始化 Worker
const worker = wx.createWorker('workers/request/index.js') // 文件名指定 worker 的入口文件路径,绝对路径
// 向 Worker 发送消息
worker.postMessage({
  msg: 'hello worker'
})

// workers/request/index.js
// 在 Worker 线程执行上下文会全局暴露一个 `worker` 对象
worker.onMessage(function (res) {
  console.log(res)
})

之前的 Worker 有个限制,只能执行一些纯逻辑运算的代码,不支持 JsApi 的调用。这很大程度限制了 Worker 的使用,于是我们也在不断的扩展 Worker 的能力,增加了音频、网络、文件等能力。

// Worker 线程
var audio = worker.createInnerAudioContext()
audio.src = url
audio.play()

未来 Worker 将会赋予更多能力,提高开发者并行化处理的效率。

数据传输优化

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