JS是如何計算 1+1=2 的？

 

身爲程序員多年，做者今天忽然對這件事感到十分好奇了。我問計算機芸芸部件，1+1到底是如何計算的，他們都茫然的看着我。

 

打開谷歌瀏覽器->Console面板，大腦向雙手不停發送生物電信號，肌肉細胞大量鈣分子游離到細胞外肌肉拉緊，鈣分子回到細胞內肌肉又鬆開，鈣分子來來回回進進出出屢次，在大腦總樞紐指揮下，在多指配合下，最終完成了一、Shift+、1的鍵入，而後回車，輸出以下：

 

 

谷歌瀏覽器返回了2。

 

做者問瀏覽器：「你小子是怎麼知道1+1等於2的？縱觀人類進化史，從學會使用石頭，到學會結繩記數，用了100萬年。你年紀輕輕28歲，是怎麼知道1+1等於2的？」

 

瀏覽器說：「我不知道啊，是v8告訴個人。」

 

「v8是誰？是男是女？」

 

「非男非女，亦男亦女。v8是谷歌研發的JavaScript引擎，你發給個人JS代碼，都是由他執行的。」

 

「把v8叫來，我有事問他。」

 

不一下子，v8來到我面前。我問他：「你是怎麼知道1+1等於2的？人類世界上最聰明的孩子降生時，都不知道1+1是等於2的。你是怎麼知道的？」

 

「我並不知道1+1等於幾，我全部結果都是基於您的輸入給出的。」

 

做者問v8：「當瀏覽器把1+1發給你之後，你幹了啥？」

 

「我就是進行了詞法分析、語法分析，創建了語法樹、符號表等...」

 

瀏覽器說：「這些都不要說了，這都是身爲編譯器/解釋器的分內之事，你們都是這麼幹的，我解析Html標籤也是這麼幹的。直接說你解析完了幹了什麼？」

 

v8道：「解析完了，我就使用了MacroAssembler庫...」

 

瀏覽器說："MacroAssembler庫就是縮寫爲masm的彙編庫吧，我去年在Strongtalk VM那裏見過他，要知道Strongtalk VM但是大大鼎鼎的Java虛擬機HotSpot JVM的前輩呢！Java但是比JS快多了！"瀏覽器顯得是一個見多識廣的人。要知道全世界的www網頁都展現都在他上面顯示，他真的是見多識廣。

 

但做者不喜歡瀏覽器自做聰明，「瀏覽器別打岔，v8你繼續講，使用masm幹了什麼？」

 

v8道：「masm提供了不少方法，基本和js是一一對應的，js語句是什麼，就調用對應的masm方法。例如1+1這名js代碼，對應調用masm的C++代碼是這樣的：

 

#define __ masm.
__ mov(eax, 1) //在這裏 __ 是一個宏，在預處理以後將被統一替換爲「masm.」。這一句是將寄存器eax設置爲1
__ add(eax, 1) //這一句將寄存器的值加1
__ ret(eax) //這裏返回寄存值的值

(以上只是示例，僞代碼不要當真)

 

上面是C++代碼，在內存裏生成機器碼大概長這個樣子：」

 

B8 01 00 00 00 ;mov eax,1
83 C0 01 ;add eax,1

 

瀏覽器道：「胡說！機器碼都是二進制格式010110010這種的，你這種B八、C0是什麼機器碼？」

 

v8道：「我沒有胡說啊！'B8 01 00 00 00'這是二進制機器碼的16進制展現，人類使用16進制更方便閱讀，但我和CPU交流都是以010110010這種二進制方式。」

 

這時CPU聽到有人叫他的名字，按耐不住了。CPU問：「誰在說俺的大名！v8,那後面的'mov eax,1'是什麼？我怎麼歷來沒見你提過？」

 

v8道：「'mov eax,1'是機器碼註釋，是給人類大哥看的，我給你看的都是二進制字節碼，是010110010這種。像mov它只是諸如1010這種彙編指令的代名詞，人類寫的是mov，彙編編譯器譯完就是1010了。

 

eax是寄存器地址，'mov eax,1'這句指令就是將寄存器的值設爲1。同時，它下面那句'add eax,1'是將寄存器的數值加1。add與mov不就是你的兩個指令嗎，CPU大哥？若是我發錯了指令，大哥歷來都未曾理會我。」

 

CPU點點頭。

 

瀏覽器繼續問：「好啊v8，用戶天天都罵我慢得像蝸牛，罪魁禍首原來在你這。碼農都說你快，我天天看你卻很慢。原來你是將js代碼先轉成了彙編代碼，再將彙編代碼轉成爲機器器，一件事轉二道手續，這樣能不慢嗎？爲何不直接將js代碼轉爲二進制機器碼交給CPU大哥執行？」

 

 

「哈哈哈」，v8大笑道：「瀏覽器，你只知表面，不知就理。js是解析型語言，如何直接編譯成機器碼？若是是這樣，它不就和Java同樣，是編譯型語言了嗎？」

 

瀏覽器反駁道：「雖然是解釋型語言，爲何不能先編譯再執行？在Java版JS解釋器rhino中，js腳本不是被編譯爲Java字節碼執行的嗎？」

 

做者以爲討論有點跑偏了，道：「言歸正傳。v8，瀏覽器給你的js代碼，你是讀一行調用masm轉化一行，仍是讀完了一塊兒調用masm再轉化的？」

 

v8說：「是一塊兒轉化的，但這一切都是在內存那裏折騰的。我有兩個助手，一個叫初級全碼編譯器（官名叫Full Code Generator），他將全部js代碼依次調用masm所有在內存中走了一遍；另外一個叫優化能手編譯器（官名叫Crankshaft），他針對運行屢次的代碼，以全碼編譯器的編譯結果爲基礎，再做一次優化編譯，目的是使代碼執行更快。」

 

這時內存說話了，「是啊，每次都把我折騰的暈頭轉向。別的exe文件，是先於我這裏加載、後交給CPU運行，一次搞定，很乾脆。惟有v8交給個人執行文件，連個名字都沒有，忽長忽短，變化莫測。」

 

CPU說：「可是我感受v8交給個人機器碼和普通的exe文件機器碼沒有什麼區別，在我這裏他們都是合法公民。只要機器指令所有正確，我就能返回正確的運行結果。」

 

看來v8並不知道1+1爲何等於2，v8爲了執行js快一點，大量佔用了內存空間，是用」空間換時間」的方法，博得了「v8引擎執行快」的美名。具體爲何1+1等於2，還須要問問CPU。

 

做者對CPU道：「CPU，你說只要指令正確，你就能返回正確結果。那麼v8將1+1的機器碼傳給你，你都作了什麼？」

 

CPU道：「報告主人，我什麼都沒有作。我作的一切，都是讓按照您的指令完成的。這一切都是您的智慧啊！」CPU態度很誠懇。

 

瀏覽器小聲道：「噓，馬屁精！」

 

CPU不理會，繼續說道：「首先，當我看到'mov eax 1'，就知道這是叫我將值1移動到寄存器eax處。我有一個助理，叫指令指揮官，他負責指令的分類與調度。例如他看到指令是010100010010，首先從前4位0101判斷，這是一個寄存器設置命令，因而就打電話通知寄存器老頭來領取數據包裹；若是看到前4位是1010，就知道這是一個加法指令，就打電話通知算術運算單位的加法器來領取數據和任務，待加法器計算完了，他會將運算結果發給寄存器老頭保存。」

 

這時瀏覽器對CPU如何計算的也起了好奇，問道：「不要說人話，講機器語言，說人話咱們聽不懂。指令指揮官是如何給你的單位職員分派任務的？他看到0101，是怎麼知道應該分派給寄存器老頭的？」

 

「這麼簡單你都不明白嗎？好比0101這4個bit，依次表明4個路口，每一個路口有兩個岔，0向左轉，1向右轉，這樣0101一路走下來不就知道是哪一個職員負責了。」

 

指令分派確實簡單，關鍵還在加法器上。1+1等於幾是他算出來的，因而做者問道：「CPU，那加法器是如何計算1+1的呢？」

 

CPU道：「這就不那麼簡單了。加法器並不知道1+1等於幾。加法器是由半加器組成的，而半加器又是由一個異或門加一個與門組成的，以下所示是一個半加器：

 

 

（在上圖中，A、B是輸入，S是結果，C是進位結果。）

 

學過數學很容易理解，異或門的邏輯是這樣的：

負負得負、正負得正、負正得正、負負得正，這就是異或門邏輯。若是說異或門電路有點複雜，那麼異或門又能夠由與非門表示：

 

 

（讀者能夠將一、0不一樣值分別代入A、B，驗證異或門結果Q）

與非門的邏輯是這樣的：

負負得正、負正得正、正負得正、正正得負。與非門簡單電路能夠是這樣的：

 

 

x、y是兩個開關。x、y的開狀態爲1，關狀態爲0。x、y至關於與非門中的A、B。x、y狀態全開，以及任何一個狀態爲開，電路都是不通的。只有當x、y狀態全爲關，電路纔是通的。

 

與非門能夠由開關設計組成，異或門也能夠由開關組成。異或門加一個與門組成了半加器，多個半加器串到一塊兒，就組成了全加器，以下所示：

 

 

低位半加器的進位結果恰是高位半加器的輸入，合在一塊兒就組成了一個多位全加器。因此，個人加法運算能力也不是無限的，能算多大數字是由硬件決定的。」

 

這下明白了，CPU並不知道1+1等於2。之因此1+1能算出等於2，是人類在設計CPU的時候賦能給它的。而CPU內全部的運算，歸根結底又都是開關的開合。從這點來看，計算機的鼻祖居然是小小的開關。

 

瀏覽器問：「CPU，這樣說來你的加法器都是由衆多開關實現的。那減法運算、乘法運算、除法運算又是怎麼實現的？」

 

CPU道：「減法在我這裏也是加法，乘法是換算爲多位加法累加的，除法又能夠換算爲乘法。因此，全部四則運算都是由加法實現的。包括文字與音頻、視頻信息處理，在我這裏都是二進制的加減乘法與邏輯與非。」

 

瀏覽器又問：「那這樣說，在你內部肯家有不少不少的開關嘍？」

 

CPU說：「人類發明了一種雙極型三極管，簡稱晶體管。在我內部，晶體管很少，也就有幾十億個吧。每一個晶體管就至關於一個電路中的開關。」

 

 

原來做者在瀏覽器裏簡單敲一個1+1，CPU那裏就要噼裏啪啦開關個不停。

 

計算機並無智能。咱們從宏觀上看，彷彿計算機擁有了智能通常，能處理不少複雜的問題，其實都是經過數以億計的晶體管開關電路實現的，而且這種能力也都是人類賦予它的。

 

在人的大腦中，也有幾十億個神經元，像一個計算機同樣。人爲何擁有智能？或者人根本也並不擁有智能，在上帝那裏，咱們的大腦也只是按照他老人家的設計表現開頭狀態而已？

 

2018年12月21日於北京

藝覽無餘

 

首發於「藝述思惟」微信公衆號：JS是如何計算 1+1=2 的？