ITStudio_OUC/OxideJS
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docs: update design proposal architecture

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2026-06-18 01:21:55 +08:00
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# 面向 AI Agent 的轻量级 JavaScript 执行引擎设计方案
> 项目名称：OxideJS
> 技术路线：Rust + 自研字节码编译器 + 寄存器式虚拟机 + 单 Kernel 多 VM 运行时
> 目标场景：短时、高频、即时执行的 JavaScript 代码运行环境
---
## 一、设计思路
### 1.1 问题背景
在 AI Agent、自动化工具调用、脚本沙箱和数据转换流水线中，JavaScript 代码的执行模式与传统浏览器场景不同：
- **执行时间短**：单次脚本通常只执行一个表达式、一段数据处理逻辑或一次工具调用；
- **调用频率高**：Agent 可能连续发起大量短脚本执行请求；
- **代码结构重复**：由大模型生成的代码往往存在相似模板；
- **上下文隔离要求高**：不同请求需要独立寄存器、调用栈、临时对象和异常状态；
- **公共信息可复用**：字符串、对象 Shape、内置对象、编译缓存等可以跨请求复用；
- **不适合重量级 Runtime**：传统 JS 引擎面向浏览器或长期运行应用，启动、GC、上下文管理都较重。
因此，OxideJS 的设计核心不是简单复刻浏览器 JavaScript 引擎，而是围绕“**轻量、可复用、可隔离、可测试**”四个目标，构建面向短时执行场景的 JS runtime。
### 1.2 总体设计目标
OxideJS 的总体目标是实现一个基于 Rust 的轻量级 JS 执行引擎，提供完整的源码解析、字节码编译、虚拟机执行和兼容性测试链路。
设计目标如下：
| 目标 | 说明 |
|------|------|
| 轻量执行 | 避免引入 V8/QuickJS 等外部执行引擎，保持 runtime 可控 |
| 多请求隔离 | 每个 VM 拥有独立寄存器、调用栈、临时内存和异常状态 |
| 跨 VM 复用 | Kernel 保存字符串、Shape、编译缓存、内置对象等共享状态 |
| 低 GC 干扰 | 临时对象优先进入会话 arena，减少短时执行中的全局回收压力 |
| test262 驱动 | 使用 ECMAScript Test Suite 持续验证语义正确性 |
| 可扩展架构 | parser、compiler、types、kernel、vm、cli、test262 runner 分 crate 组织 |
### 1.3 创新点 1: 单 Kernel 多 VM
OxideJS 最重要的运行时结构是 **单 Kernel 多 VM**。
```text
Process / Engine Instance
+===================================================================================+
| OxideKernel |
| |
| Shared, long-lived, cross-request runtime state |
| |
| +----------------+ +----------------+ +----------------+ +----------------+ |
| | StringForge | | ShapeForge | | CodeForge | | PropForge | |
| |----------------| |----------------| |----------------| |----------------| |
| | intern strings | | hidden classes | | bytecode cache | | IC templates | |
| | string handles | | property layout| | structural hash| | shape -> slot | |
| +----------------+ +----------------+ +----------------+ +----------------+ |
| |
| +----------------+ +----------------+ +----------------+ +----------------+ |
| | BuiltinWorld | | Global Shapes | | Kernel Config | | Runtime Logs | |
| |----------------| |----------------| |----------------| |----------------| |
| | Object/Array | | builtin shape | | pool limits | | trace/debug | |
| | Function/etc. | | root layouts | | step limits | | diagnostics | |
| +----------------+ +----------------+ +----------------+ +----------------+ |
+==========================================+========================================+
|
| Arc<OxideKernel>
|
+-------------------------------+-------------------------------+
| | |
v v v
+----------------------+ +----------------------+ +----------------------+
| VM #1 | | VM #2 | | VM #N |
|----------------------| |----------------------| |----------------------|
| registers[256] | | registers[256] | | registers[256] |
| pc | | pc | | pc |
| bytecode view | | bytecode view | | bytecode view |
| constants view | | constants view | .... | constants view |
| call frames | | call frames | | call frames |
| try/catch stack | | try/catch stack | | try/catch stack |
| exception state | | exception state | | exception state |
| local session arena | | local session arena | | local session arena |
| session GC metadata | | session GC metadata | | session GC metadata |
+----------+-----------+ +----------+-----------+ +----------+-----------+
| | |
v v v
Request Result Request Result Request Result
```
该结构将运行时状态分为两类：
| 状态类型 | 所在位置 | 生命周期 | 示例 |
|----------|----------|----------|------|
| 共享状态 | `OxideKernel` | 进程级、长生命周期 | 字符串表、Shape 表、Code cache、内置对象 |
| 私有状态 | `Vm` | 请求级、短生命周期 | 寄存器、PC、调用栈、异常、临时对象 |
这种分层使得 OxideJS 能够同时满足两类需求：
1. **隔离性**：每个 VM 独立执行，不共享寄存器和临时对象；
2. **复用性**：多个 VM 共享 Kernel，避免重复构建字符串、Shape、内置对象和编译结果。
### 1.4 创新点 2: 短生命周期内存与 GC
AI Agent 场景中的大部分对象具有明显的短生命周期特征：对象在一次脚本执行中创建，在执行结束后立即失效。OxideJS 因此将运行时内存分为多个层级：
```text
+====================================================================================+
| Memory Model |
+====================================================================================+
Long-lived / shared memory
┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ OxideKernel │
│ │
│ StringForge ShapeForge CodeForge BuiltinWorld │
│ interned strs shape records bytecode cache builtin prototypes │
│ │
│ 生命周期：随 Kernel 存活，跨 VM 共享 │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
▲
│ shared references
│
Per-VM / per-session memory │
┌───────────────────────────────────┴──────────────────────────────────────────┐
│ Vm │
│ │
│ registers / call frames / exception state │
│ │
│ +----------------------------+ │
│ | Session Arena | bump allocation for short-lived objects │
│ |----------------------------| │
│ | object allocations | │
│ | arrays / temporary values | │
│ | execution-local metadata | │
│ +----------------------------+ │
│ │
│ +----------------------------+ │
│ | Session GC Metadata | mark/sweep metadata for session objects │
│ |----------------------------| │
│ | tracked allocations | │
│ | roots from registers | │
│ | roots from frames | │
│ +----------------------------+ │
│ │
│ 生命周期: 单 VM / 单执行会话，执行结束后可批量释放或回收 │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
```
内存与 GC 设计的关键点：
- **短命对象进入 VM 本地 session arena**：降低通用堆分配压力；
- **VM 拥有自己的 session GC 元数据**：寄存器、调用栈、异常对象都可作为 root；
- **Kernel 对象与 session 对象分层**：内置对象、Shape、字符串等长生命周期数据不随单次执行销毁；
- **执行结束可快速清理 session 内存**：避免每次短脚本执行都触发重型全局 GC；
- **Map / Set / Array / Object 等容器需要参与 GC 追踪**：防止 session 对象在容器中被错误释放。
### 1.5 创新点 3: 自研字节码与寄存器式 VM
OxideJS 不直接解释 AST，而是先将 AST 编译为自定义字节码，再由寄存器式 VM 执行。
```text
AST
|
| compiler pass
v
+-------------------------------+
| CompiledModule |
|-------------------------------|
| bytecode: Vec<Instr> |
| constants: Vec<Constant> |
| n_registers |
| sub_modules for functions |
+-------------------------------+
|
| run(module)
v
+-------------------------------+
| VM |
|-------------------------------|
| r0 r1 r2 ... r255 |
| pc |
| frames |
| current bytecode |
| current constants |
+-------------------------------+
```
采用寄存器式 VM 的原因：
- 表达式中间结果可以直接保存在寄存器中；
- 对象属性访问和函数参数传递更直接；
- 相比栈式 VM，减少大量 push/pop 指令；
- 便于后续加入类型反馈、inline cache 和局部优化。
---
## 二、实现描述
### 2.1 完整工作流程
OxideJS 的一次执行请求从输入 JS 源码到返回结果，经过以下流程：
```text
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ One Evaluation Request │
└────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
1. Source Input
│
│ JavaScript source string / file
▼
┌───────────────────────┐
│ oxide_parser │
│-----------------------│
│ - create allocator │
│ - parse source │
│ - produce AST Program │
└──────────┬────────────┘
│ AST
▼
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ oxide_compiler │
│------------------------------------------------------------------------------------│
│ │
│ Pass 1: counter / symbol projection │
│ - walk statements and expressions │
│ - allocate registers │
│ - assign labels for jumps, loops, try/catch, switch │
│ - build lexical binding information │
│ │
│ Pass 2: emitter │
│ - emit fixed-width bytecode │
│ - build constant pool │
│ - compile function bodies into sub-modules │
│ - encode property access / call / control-flow instructions │
│ │
│ Hash: structural_hash │
│ - normalize AST structure │
│ - generate cache key for CodeForge │
│ │
└──────────┬─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│ CompiledModule
▼
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ OxideKernel.CodeForge │
│------------------------------------------------------------------------------------│
│ if cache hit: │
│ reuse Arc<CompiledModule> │
│ else: │
│ insert newly compiled module │
└──────────┬─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│ Arc<CompiledModule>
▼
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ VmPool / VM Selection │
│------------------------------------------------------------------------------------│
│ - obtain an idle VM │
│ - VM references the same Arc<OxideKernel> │
│ - reset request-local state │
│ - prepare registers, bytecode, constants, frames │
└──────────┬─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ VM Dispatch Loop │
│------------------------------------------------------------------------------------│
│ while pc < bytecode.len(): │
│ instr = bytecode[pc] │
│ decode opcode / rd / a / b │
│ dispatch opcode │
│ │
│ examples: │
│ LOAD_CONST -> load constant to register │
│ ADD / SUB -> numeric or string operation │
│ GET_PROP -> property lookup through Shape / object model │
│ CALL -> push CallFrame and enter sub-module │
│ CALL_NATIVE -> call Rust builtin │
│ THROW -> build exception and unwind │
│ RETURN -> restore caller frame │
│ HALT -> finish execution │
└──────────┬─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
│ JsValue
▼
6. Result Formatting / API Return
```
### 2.2 Parser 层
Parser 层负责将 JavaScript 源码转换为 AST。它不承载运行时语义，而是为 compiler 提供标准化输入。
职责：
- 接收源码字符串；
- 创建 AST allocator；
- 调用 parser 得到 Program；
- 将 parser error 转换为项目内部错误。
对应模块：
```text
crates/oxide_parser/
├── src/lib.rs
└── src/error.rs
```
### 2.3 Compiler 层
Compiler 层是 AST 到字节码的核心转换阶段。
```text
crates/oxide_compiler/src/
├── compiler.rs # 编译入口和上下文
├── counter.rs # 第一遍：寄存器、标签、符号统计
├── emitter.rs # 第二遍：生成字节码
├── hash.rs # structural hash，用于 CodeForge 缓存
├── module.rs # CompiledModule / Constant
├── opcode.rs # OpCode 和 32-bit 指令编码
└── symbol_table.rs # 词法绑定与作用域信息
```
#### 2.3.1 两遍编译
第一遍编译搞清：
- 函数需要多少寄存器；
- 跳转标签位置；
- 局部变量和词法绑定；
- control-flow 结构边界；
- 函数子模块结构。
第二遍编译正式工作：
- 将表达式编译为寄存器操作；
- 将控制流编译为跳转；
- 将对象/数组字面量编译为构造指令；
- 将函数体编译为子模块；
- 将常量写入常量池。
#### 2.3.2 字节码格式
OxideJS 使用固定 32-bit 指令：
```text
32-bit Instr
+----------+----------+----------+----------+
| opcode | rd | a | b |
+----------+----------+----------+----------+
8 bits 8 bits 8 bits 8 bits
```
其中：
- `opcode` 表示操作类型；
- `rd` 通常表示目标寄存器；
- `a` / `b` 表示源寄存器、立即数低高位或其他操作数。
主要操作码类别：
| 类别 | 示例 |
|------|------|
| 算术 | ADD、SUB、MUL、DIV、MOD |
| 位运算 | BIT_AND、BIT_OR、BIT_XOR、SHL、SHR |
| 比较 | EQ、STRICT_EQ、LT、GTE |
| 控制流 | JMP、JMP_IF_FALSE、SWITCH_TABLE |
| 异常 | THROW、TRY_BEGIN、TRY_END |
| 变量 | LOAD_VAR、STORE_VAR、LOAD_CONST |
| 函数 | CALL、RETURN、CALL_NATIVE |
| 对象 | NEW_OBJECT、GET_PROP、SET_PROP |
| 数组 | NEW_ARRAY、SET_ELEM |
| 成员更新 | MEMBER_INC、COMPOUND_MEMBER_ADD 等 |
| 结束 | HALT |
### 2.4 VM 层
VM 是字节码执行核心。每个 VM 是一个独立执行上下文。
```text
+------------------------------------------------------------------------------------+
| Vm |
+------------------------------------------------------------------------------------+
| registers[256] 固定寄存器文件 |
| pc 当前程序计数器 |
| bytecode 当前执行字节码 |
| constants 当前常量池 |
| frames 函数调用栈 |
| try_stack 异常处理栈 |
| exception_value 当前异常值 |
| pending_error_kind 当前错误类型 |
| for_in_iters for-in 迭代状态 |
| session_arena 短生命周期对象分配区 |
| session_gc 当前 VM 的 session GC 元数据 |
| kernel: Arc<Kernel> 指向共享 Kernel |
+------------------------------------------------------------------------------------+
```
VM 的执行循环大致如下：
```text
loop:
instr = bytecode[pc]
pc += 1
match opcode(instr):
LOAD_CONST => regs[rd] = constants[idx]
ADD => regs[rd] = add(regs[a], regs[b])
GET_PROP => object property lookup
SET_PROP => object property write
CALL => push frame and enter function
CALL_NATIVE => call Rust builtin function
RETURN => restore caller frame
THROW => unwind try stack
HALT => return regs[0]
```
### 2.5 Kernel 层
Kernel 是单进程内的共享运行时核心。它不保存某一次执行请求的寄存器和调用栈，而是保存可跨请求复用的结构。
```text
+------------------------------------------------------------------------------------+
| OxideKernel |
+------------------------------------------------------------------------------------+
| KernelConfig |
| StringForge 全局字符串驻留池 |
| ShapeForge 全局 Shape / Hidden Class 表 |
| CodeForge 编译结果缓存 |
| PropForge 属性访问模板 / IC 相关缓存 |
| BuiltinWorld Object / Array / Function / String / Number 等内置对象结构 |
| Global object 全局对象及其基础属性 |
+------------------------------------------------------------------------------------+
```
#### 2.5.1 单 Kernel 多 VM 的执行优势
| 问题 | 普通每 VM 独立 runtime | OxideJS 单 Kernel 多 VM |
|------|------------------------|--------------------------|
| 内置对象初始化 | 每个 VM 重复构造 | Kernel 中集中构造与复用 |
| 字符串驻留 | 每个 VM 各自保存 | StringForge 统一保存 |
| 对象 Shape | 每个 VM 重复生成 | ShapeForge 跨 VM 共享 |
| 编译结果 | 每次请求重新编译 | CodeForge 按结构复用 |
| 属性访问模板 | 每个 VM 冷启动 | PropForge 可共享访问模板 |
| 请求隔离 | 需要小心拆分 | VM 自带寄存器、栈、arena，天然隔离 |
#### 2.5.2 多 VM 执行示例
```text
Request A: "items.map(x => x.id)"
Request B: "users.map(u => u.name)"
Request C: "orders.map(o => o.price)"
+-------------------+
| OxideKernel |
|-------------------|
| CodeForge | 结构相似代码可命中编译缓存
| ShapeForge | 相似对象布局共享 Shape
| StringForge | id/name/price 等字符串驻留
+---------+---------+
|
+---------------+---------------+
| | |
v v v
VM #1 VM #2 VM #3
Request A Request B Request C
```
### 2.6 对象模型与属性访问
对象通过 Shape 描述属性布局。
```text
EMPTY_SHAPE
|
| add "x"
v
Shape #2: property="x", offset=0
|
| add "y"
v
Shape #3: property="y", offset=1
```
对象自身保存：
- 当前 Shape ID；
- 原型指针；
- 属性存储区；
- 函数 / 数组等标志位；
- native 函数指针或子模块索引。
属性访问流程：
```text
GET_PROP obj, key
|
| 1. 读取对象 shape_id
| 2. 查询属性 key 对应 offset
| 3. 命中 Shape / PropForge 缓存则直接取 slot
| 4. 未命中则沿原型链查找
v
返回属性值或 undefined
```
### 2.7 内置对象
内置对象由 Rust 原生实现，并通过 Kernel / BuiltinWorld 进行注册。
```text
crates/oxide_vm/src/builtins/
├── array.rs
├── array_buffer.rs
├── boolean.rs
├── data_view.rs
├── date.rs
├── error.rs
├── function.rs
├── global/
├── iterator.rs
├── json.rs
├── map.rs
├── math.rs
├── number.rs
├── object.rs
├── reflect.rs
├── regexp.rs
├── set.rs
├── string.rs
├── symbol.rs
└── typed_array.rs
```
绑定层位于：
```text
crates/oxide_vm/src/bindings/
```
其职责是将 Rust native 函数挂载到对应构造器、原型对象或全局对象上。
### 2.8 test262 Runner
`oxide_test262` 用于自动运行 ECMAScript Test Suite。
```text
+------------------------------------------------------------------------------------+
| oxide_test262 |
+------------------------------------------------------------------------------------+
| discover tests |
| parse YAML metadata |
| load harness includes |
| apply skip / feature policy |
| run parser -> compiler -> VM |
| catch panic / runtime error |
| classify pass / fail / skip |
| summarize totals and failure categories |
+------------------------------------------------------------------------------------+
```
runner 的输出可以用于：
- 统计当前兼容性；
- 找出失败最多的语义类别；
- 指导下一阶段实现；
- 对比 QuickJS、Boa、JerryScript 等 baseline。
---
## 三、代码说明
### 3.1 顶层目录
```text
project-root/
├── Cargo.toml
├── Cargo.lock
├── crates/
├── tests/
├── docs/
├── README.md
└── 设计方案文档.md
```
### 3.2 Crate 说明
| Crate | 作用 |
|-------|------|
| `oxide_parser` | JavaScript parser 接入层，输出 AST Program |
| `oxide_compiler` | AST 到字节码的编译器 |
| `oxide_types` | JS runtime 基础类型，如 JsValue、JsObject、Shape、Error、Arena |
| `oxide_kernel` | 单 Kernel 多 VM 架构中的共享运行时核心 |
| `oxide_vm` | 字节码解释器、内置对象、VM pool、session arena / GC |
| `oxide_api` | 对外 API 预留层 |
| `oxide_cli` | 命令行工具，支持 eval / run / compile / REPL |
| `oxide_test262` | test262 自动化测试运行器 |
### 3.3 `oxide_types`
关键文件：
```text
crates/oxide_types/src/
├── value.rs # JsValue, NaN-boxing 值表示
├── object.rs # JsObject, 对象头、属性存储、函数/数组标记
├── shape.rs # Shape, ShapeId, 属性布局信息
├── mem.rs # P<T>, arena / persistent object 相关基础结构
├── error.rs # 内部错误类型
└── private_key.rs # class private field / private name 支持结构
```
该 crate 处于依赖图底层，尽量不依赖上层模块。
### 3.4 `oxide_kernel`
关键文件：
```text
crates/oxide_kernel/src/
├── kernel.rs # OxideKernel, KernelConfig, global object
├── string_forge.rs # 字符串驻留和索引
├── shape_forge.rs # Shape 创建、复用和查询
├── code_forge.rs # CompiledModule 缓存
├── prop_forge.rs # 属性访问模板缓存
├── builtin.rs # BuiltinWorld 与内置对象结构
└── logging.rs # 结构化日志支持
```
`oxide_kernel` 是单 Kernel 多 VM 的中心。它保存长期共享状态，而 VM 保存短期执行状态。
### 3.5 `oxide_compiler`
关键文件：
```text
crates/oxide_compiler/src/
├── compiler.rs # 编译入口与上下文
├── counter.rs # 第一遍 AST 遍历，计算寄存器和标签
├── emitter.rs # 第二遍 AST 遍历，生成字节码
├── opcode.rs # OpCode 和指令编码
├── module.rs # CompiledModule / Constant
├── hash.rs # structural hash
└── symbol_table.rs # 词法作用域和变量绑定
```
编译器输出 `CompiledModule`，交由 VM 执行或写入 CodeForge 缓存。
### 3.6 `oxide_vm`
关键文件与目录：
```text
crates/oxide_vm/src/
├── vm.rs # VM 主结构与执行入口
├── vm_runtime.rs # 运行时入口和状态恢复
├── vm_support.rs # VM 辅助逻辑
├── vm_props.rs # 属性访问辅助逻辑
├── vm_pool.rs # VM pool，多 VM 复用
├── session_arena.rs # 会话级 arena
├── session_gc.rs # 会话级 GC / 标记清扫辅助
├── coercion.rs # ToNumber / ToString / ToBoolean 等类型转换
├── native.rs # Native function 调用接口
├── dispatch/ # opcode 分发实现
├── builtins/ # 内置对象实现
└── bindings/ # 内置对象绑定到 BuiltinWorld / global object
```
VM 层是代码量最大的模块，包含：
- 字节码 dispatch；
- 函数调用；
- 异常处理；
- 原型链属性访问；
- 内置对象 native call；
- session arena 与 GC；
- VM pool。
### 3.7 `oxide_cli`
关键功能：
```text
cargo run --release -p oxide_cli -- eval "1 + 2"
cargo run --release -p oxide_cli -- run file.js
cargo run --release -p oxide_cli -- compile -e "1 + 2"
cargo run --release -p oxide_cli
```
CLI 主要用于：
- 手工运行 JS 片段；
- 打印编译后的字节码；
- 执行文件；
- 进行 smoke test。
### 3.8 `oxide_test262`
关键文件：
```text
crates/oxide_test262/src/main.rs
```
职责：
- 遍历 test262 测试目录；
- 解析 metadata；
- 注入 harness；
- 根据 feature / flag 进行跳过或执行；
- 捕获 panic；
- 输出 pass / fail / skip；
- 统计失败类别。
### 3.9 代码工作流总结
```text
Developer / CLI / test262
|
v
oxide_parser
|
v
oxide_compiler -----> OxideKernel.CodeForge
| |
v |
CompiledModule <---------------+
|
v
VmPool selects Vm
|
v
Vm executes bytecode -----> OxideKernel.StringForge / ShapeForge / PropForge / BuiltinWorld
|
v
JsValue / Error / TestResult
```
### 3.10 创新点到代码快速导航
| 创新点 | 代码位置 | 说明 |
|--------|----------|------|
| 单 Kernel 多 VM | `oxide_kernel::kernel`, `oxide_vm::vm_pool`, `oxide_vm::vm` | Kernel 共享，VM 隔离 |
| 共享字符串驻留 | `string_forge.rs` | 跨 VM 字符串复用 |
| 共享 Shape | `shape_forge.rs`, `shape.rs` | 跨 VM 对象布局复用 |
| 编译缓存 | `code_forge.rs`, `hash.rs` | structural hash -> CompiledModule |
| 属性访问缓存 | `prop_forge.rs`, `vm_props.rs`, `dispatch/property.rs` | Shape / offset 快速路径 |
| 会话内存与 GC | `session_arena.rs`, `session_gc.rs`, `vm.rs` | VM 本地短命对象管理 |
| NaN-boxing | `value.rs` | 64-bit 统一值表示 |
| 寄存器式 VM | `opcode.rs`, `vm.rs`, `dispatch/` | 固定寄存器执行模型 |
---
[TODO] 研发过程遇到的问题和解决方法
[TODO] 各平台 Benchmark 与竞争产品对比
[TODO] AI 使用情况说明