正文

本节主要讲解V8的内存申请，在V8创建第一个Isolate之前向操作系统申请4G内存的过程。讲解分成两部分，第一部分是以hello-world.cc中相关代码为主线，讲解实现过程和重要的数据结构。第二部分讲解代码中用到的计算机相关知识：C++语言、段页式内存管理等。

1.V8代码

前文提到，hello-world.cc是本文主线，先看来部分代码

int main(int argc, char* argv[]) {
  // Initialize V8.
  v8::V8::InitializeICUDefaultLocation(argv[0]);
  v8::V8::InitializeExternalStartupData(argv[0]);
  std::unique_ptr<v8::Platform> platform = v8::platform::NewDefaultPlatform();
  v8::V8::InitializePlatform(platform.get());
  v8::V8::Initialize();//本节的主要内容！！！！

  // Create a new Isolate and make it the current one.
  v8::Isolate::CreateParams create_params;
  create_params.array_buffer_allocator =
      v8::ArrayBuffer::Allocator::NewDefaultAllocator();
  v8::Isolate* isolate = v8::Isolate::New(create_params);
//.... 省略了很多代码，请自查阅....
  // Dispose the isolate and tear down V8.
  isolate->Dispose();
  v8::V8::Dispose();
  v8::V8::ShutdownPlatform();
  delete create_params.array_buffer_allocator;
  return 0;
}

v8::V8::Initialize()是本节的讲解内容。这个函数可以用VS的debug跟踪进来，可以看到如下图
这是在VS2019中截取的图片，图中99行的变量是一些配置开关(宏定义实现)，包括：指针压缩、Smi、堆栈等。我们只关心Initialize()，他是V8向操作系统申请内存的主要入口，debug跟踪进入，能看到下图 这张图中，给出了两个关键信息，一个是api.cc这文件的位置，方便自行查看，另一个是Initialize方法的具体实现。Initialize方法的代码只有40多行，不算多，但我的屏幕无法全显示，我只截取了一部分，这些代码中只有一句是我们本次的重点，也就是return语句之前，是i::V8::Initialize(),这是我们要学习的，debug跟踪进入后，能看到下图
这个代码没其它的功能，直接调用了InitializeOncePerProcess(),再次跟进，就到了
这里我们看到了CallOnce,从名字得知他是一个只执行一次的函数，他的作用与内存申请无关，先按下不表。说他的第二个参数&InitializeOncePerProcessImpl，这参数是一个函数指针，在VS2019中Ctrl+鼠标左键可以跟进去，如下图
这个方法的代码行数多，我屏幕显示不全。可以在这个方法的开头下个断点了，这里开始将是最重要的初始化，当然包括今天要说的内存申请。这个方法的最后面包括了如下几行代码

#if defined(V8_USE_PERFETTO)
  if (perfetto::Tracing::IsInitialized()) TrackEvent::Register();
#endif
  IsolateAllocator::InitializeOncePerProcess();//我们的重点内容
  Isolate::InitializeOncePerProcess();

#if defined(USE_SIMULATOR)
  Simulator::InitializeOncePerProcess();
#endif
  CpuFeatures::Probe(false);
  ElementsAccessor::InitializeOncePerProcess();
  Bootstrapper::InitializeOncePerProcess();
  CallDescriptors::InitializeOncePerProcess();
#if V8_ENABLE_WEBASSEMBLY
  wasm::WasmEngine::InitializeOncePerProcess();
#endif  // V8_ENABLE_WEBASSEMBLY

  ExternalReferenceTable::InitializeOncePerProcess();

IsolateAllocator::InitializeOncePerProcess();是我们的重点内容，跟踪进来，看到如下代码：

// static
void IsolateAllocator::InitializeOncePerProcess() {
...省略很多行代码 ...
  if (!GetProcessWidePtrComprCage()->InitReservation(params,
                                                     existing_reservation)) {
    V8::FatalProcessOutOfMemory(
        nullptr,
        "Failed to reserve virtual memory for process-wide V8 "
        "pointer compression cage");
  }
#endif
}

这个InitReservation是V8申请内存的全过程，代码位置src\utils\allocation.cc。下面先从代码执行过程中看看V8具体是怎么做的。

// Reserve a region of twice the size so that there is an aligned address
// within it that's usable as the cage base.
VirtualMemory padded_reservation(params.page_allocator,
                               params.reservation_size * 2,
                               reinterpret_cast<void*>(hint));
Address address =
          VirtualMemoryCageStart(padded_reservation.address(), params);
...省略了很多行代码...
// Now free the padded reservation and immediately try to reserve an
// exact region at aligned address. We have to do this dancing because
// the reservation address requirement is more complex than just a
// certain alignment and not all operating systems support freeing parts
// of reserved address space regions.
padded_reservation.Free();
VirtualMemory reservation(params.page_allocator,
                          params.reservation_size,
                          reinterpret_cast<void*>(address));

先用padded_reservation申请一个两倍大小的内存（8G）,再利用padded_reservation.Free()释放，再用reservation申请的4G内存是V8真正想要的内存。先申请一个8G内存的目的是找一个"合适"的地址address,合适是指做内存对齐合适。内存对齐是什么，稍后讲解。先申请、再释放、再申请时就一定能得到合适的地址吗？这是C++中内存申请和回收机制，也稍后讲解。
下面讲解V8管理内存的主要数据结构：VirtualMemoryCage。V8向操作系统申请4G内存，用于后续的所有工作，例如创新Isolate，等等。V8的内存方式采用的段页式，和操作系统（OS）的方法类似，但不像OS有多个段，V8只有一个段，但有很多页。VirtualMemeoryCage的定义在allocation.h中，我们对它的结构进行说明。

// +------------+-----------+-----------  ~~~  -+
// |     ...    |    ...    |   ...             |
// +------------+-----------+------------ ~~~  -+
// ^            ^           ^
// start        cage base   allocatable base
//
// <------------>           <------------------->
// base bias size              allocatable size
// <-------------------------------------------->
//             reservation size

"a VirtualMemory reservation"是V8源码中的叫法，reservation size是4G，也就是v8申请内存的总大小，start是这个内存的基址，cage base是v8用于管理的基址，可以先理解为cage base是页表位置，allocatable开始是v8可以分配的，用于创新isolate的地方。VirtualMemoryCage中的成员reservation_负责指向这个4G内存。
另一个重要的结构是ReservationParams,申请内存大小(4G),对齐方式，指针压缩等参数都在这个结构中定义，它不是本次的重点，待后面讲到isolate建立时，需要分配内存时再深入讲解。最后来看看内存申请完成后VirtualMemeoryCage的内部信息。
注意看this指针就是VirtualMemoryCage,params就是RservationParams。

2.知识点

讲解与V8内存申请相关的知识点，包括：1.内存对齐；2.段页式内存；3.malloc free 内存回收机制。

2.1内存对齐
内存是由若干个内存颗粒(chip)构成,每个chip内部，是由多个bank组成的，如下图。而每一个bank是一个二维平面上的矩阵。那么对于我们在应用程序中内存中地址连续的8个字节,例如0x0000-0x0007，我们以为它应该在一个bank上，但不是这样，这只是我们程序员想象的。实际上是这8个字节保存在8个不同的bank，是分散不连续的，原因是电路的工作效率，内存是可以并行读取8个bank，然后拼接起来就是8个字节的数据。所以，内存对齐的原因是为了以8字节为单位的并行工作，如果数据不对齐呢，就可能出现需要读两次内存才得到最终结果。所以V8做内存对齐，为了效率。

2.2段页式内存
段页式内存就是将程序分为多个逻辑段，在每个段里面又进行分页，即将分段和分页组合起来使用。页式存储可以提高内存的利用率，而段式管理能表达程序的逻辑结构，还方便段共享。段页式就可以很好地结合他们的优势。在段页式中的地址管理需要三个要素：段号、页号、页内偏移，V8中只有一段，所以只用页号和偏移即可，待我们讲到V8内存分配时会提到BoundedPageAllocator这个方法，它是用于内存分配的。

2.3 内存回收
V8先申请8G,从中找到合适的地址，再释放后再申请就一定能拿到想要的地址吗？释放的内存操作系统不会马上回收，所以再次申请时可是拿到想要的地址值。V8申请内存用的时VirtualAlloc方法，如下图
最后来看一下调用堆栈

总结

本文主要讲解V8的内存申请，将主要精力放在V8是如何向OS申请4G内存上。内存申请过程还有很多细节没有提及，因为这些细节更多会在内存分配时才会用所，用到时再讲。下次见。