JS是如何计算 1+1=2 的？

身为程序员多年，作者今天突然对这件事感到十分好奇了。我问计算机芸芸部件，1+1究竟是如何计算的，他们都茫然的看着我。

打开谷歌浏览器->Console面板，大脑向双手不停发送生物电信号，肌肉细胞大量钙分子游离到细胞外肌肉拉紧，钙分子回到细胞内肌肉又松开，钙分子来来回回进进出出多次，在大脑总枢纽指挥下，在多指配合下，最终完成了1、Shift+、1的键入，然后回车，输出如下：

谷歌浏览器返回了2。

作者问浏览器：“你小子是怎么知道1+1等于2的？纵观人类进化史，从学会使用石头，到学会结绳记数，用了100万年。你年纪轻轻28岁，是怎么知道1+1等于2的？”

浏览器说：“我不知道啊，是v8告诉我的。”

“v8是谁？是男是女？”

“非男非女，亦男亦女。v8是谷歌研发的JavaScript引擎，你发给我的JS代码，都是由他执行的。”

“把v8叫来，我有事问他。”

不一会儿，v8来到我面前。我问他：“你是怎么知道1+1等于2的？人类世界上最聪明的孩子降生时，都不知道1+1是等于2的。你是怎么知道的？”

“我并不知道1+1等于几，我所有结果都是基于您的输入给出的。”

作者问v8：“当浏览器把1+1发给你以后，你干了啥？”

“我就是进行了词法分析、语法分析，建立了语法树、符号表等...”

浏览器说：“这些都不要说了，这都是身为编译器/解释器的份内之事，大家都是这么干的，我解析Html标签也是这么干的。直接说你解析完了干了什么？”

v8道：“解析完了，我就使用了MacroAssembler库...”

浏览器说："MacroAssembler库就是缩写为masm的汇编库吧，我去年在Strongtalk VM那里见过他，要知道Strongtalk VM可是大大鼎鼎的Java虚拟机HotSpot JVM的前辈呢！Java可是比JS快多了！"浏览器显得是一个见多识广的人。要知道全世界的www网页都展示都在他上面显示，他真的是见多识广。

但作者不喜欢浏览器自作聪明，“浏览器别打岔，v8你继续讲，使用masm干了什么？”

v8道：“masm提供了很多方法，基本和js是一一对应的，js语句是什么，就调用对应的masm方法。例如1+1这名js代码，对应调用masm的C++代码是这样的：

#define __ masm.
__ mov(eax, 1) //在这里 __ 是一个宏，在预处理之后将被统一替换为“masm.”。这一句是将寄存器eax设置为1
__ add(eax, 1) //这一句将寄存器的值加1
__ ret(eax) //这里返回寄存值的值

(以上只是示例，伪代码不要当真)

上面是C++代码，在内存里生成机器码大概长这个样子：”

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

浏览器道：“胡说！机器码都是二进制格式010110010这种的，你这种B8、C0是什么机器码？”

v8道：“我没有胡说啊！'B8 01 00 00 00'这是二进制机器码的16进制展示，人类使用16进制更方便阅读，但我和CPU交流都是以010110010这种二进制方式。”

这时CPU听到有人叫他的名字，按耐不住了。CPU问：“谁在说俺的大名！v8,那后面的'mov eax,1'是什么？我怎么从来没见你提过？”

v8道：“'mov eax,1'是机器码注释，是给人类大哥看的，我给你看的都是二进制字节码，是010110010这种。像mov它只是诸如1010这种汇编指令的代名词，人类写的是mov，汇编编译器译完就是1010了。

eax是寄存器地址，'mov eax,1'这句指令就是将寄存器的值设为1。同时，它下面那句'add eax,1'是将寄存器的数值加1。add与mov不就是你的两个指令吗，CPU大哥？如果我发错了指令，大哥从来都不曾理会我。”

CPU点点头。

浏览器继续问：“好啊v8，用户每天都骂我慢得像蜗牛，罪魁祸首原来在你这。码农都说你快，我每天看你却很慢。原来你是将js代码先转成了汇编代码，再将汇编代码转成为机器器，一件事转二道手续，这样能不慢吗？为什么不直接将js代码转为二进制机器码交给CPU大哥执行？”

“哈哈哈”，v8大笑道：“浏览器，你只知表面，不知就理。js是解析型语言，如何直接编译成机器码？如果是这样，它不就和Java一样，是编译型语言了吗？”

浏览器反驳道：“虽然是解释型语言，为什么不能先编译再执行？在Java版JS解释器rhino中，js脚本不是被编译为Java字节码执行的吗？”

作者觉得讨论有点跑偏了，道：“言归正传。v8，浏览器给你的js代码，你是读一行调用masm转化一行，还是读完了一起调用masm再转化的？”

v8说：“是一起转化的，但这一切都是在内存那里折腾的。我有两个助手，一个叫初级全码编译器（官名叫Full Code Generator），他将所有js代码依次调用masm全部在内存中走了一遍；另一个叫优化能手编译器（官名叫Crankshaft），他针对运行多次的代码，以全码编译器的编译结果为基础，再作一次优化编译，目的是使代码执行更快。”

这时内存说话了，“是啊，每次都把我折腾的晕头转向。别的exe文件，是先于我这里加载、后交给CPU运行，一次搞定，很干脆。唯有v8交给我的执行文件，连个名字都没有，忽长忽短，变化莫测。”

CPU说：“但是我感觉v8交给我的机器码和普通的exe文件机器码没有什么区别，在我这里他们都是合法公民。只要机器指令全部正确，我就能返回正确的运行结果。”

看来v8并不知道1+1为什么等于2，v8为了执行js快一点，大量占用了内存空间，是用”空间换时间”的方法，博得了“v8引擎执行快”的美名。具体为什么1+1等于2，还需要问问CPU。

作者对CPU道：“CPU，你说只要指令正确，你就能返回正确结果。那么v8将1+1的机器码传给你，你都做了什么？”

CPU道：“报告主人，我什么都没有做。我做的一切，都是让按照您的指令完成的。这一切都是您的智慧啊！”CPU态度很诚恳。

浏览器小声道：“嘘，马屁精！”

CPU不理会，继续说道：“首先，当我看到'mov eax 1'，就知道这是叫我将值1移动到寄存器eax处。我有一个助理，叫指令指挥官，他负责指令的分类与调度。例如他看到指令是010100010010，首先从前4位0101判断，这是一个寄存器设置命令，于是就打电话通知寄存器老头来领取数据包裹；如果看到前4位是1010，就知道这是一个加法指令，就打电话通知算术运算单位的加法器来领取数据和任务，待加法器计算完了，他会将运算结果发给寄存器老头保存。”

这时浏览器对CPU如何计算的也起了好奇，问道：“不要说人话，讲机器语言，说人话我们听不懂。指令指挥官是如何给你的单位职员分派任务的？他看到0101，是怎么知道应该分派给寄存器老头的？”

“这么简单你都不明白吗？比如0101这4个bit，依次代表4个路口，每个路口有两个岔，0向左转，1向右转，这样0101一路走下来不就知道是哪个职员负责了。”

指令分派确实简单，关键还在加法器上。1+1等于几是他算出来的，于是作者问道：“CPU，那加法器是如何计算1+1的呢？”

CPU道：“这就不那么简单了。加法器并不知道1+1等于几。加法器是由半加器组成的，而半加器又是由一个异或门加一个与门组成的，如下所示是一个半加器：

（在上图中，A、B是输入，S是结果，C是进位结果。）

学过数学很容易理解，异或门的逻辑是这样的：

负负得负、正负得正、负正得正、负负得正，这就是异或门逻辑。如果说异或门电路有点复杂，那么异或门又可以由与非门表示：

（读者可以将1、0不同值分别代入A、B，验证异或门结果Q）

与非门的逻辑是这样的：

负负得正、负正得正、正负得正、正正得负。与非门简单电路可以是这样的：

x、y是两个开关。x、y的开状态为1，关状态为0。x、y相当于与非门中的A、B。x、y状态全开，以及任何一个状态为开，电路都是不通的。只有当x、y状态全为关，电路才是通的。

与非门可以由开关设计组成，异或门也可以由开关组成。异或门加一个与门组成了半加器，多个半加器串到一起，就组成了全加器，如下所示：

低位半加器的进位结果恰是高位半加器的输入，合在一起就组成了一个多位全加器。所以，我的加法运算能力也不是无限的，能算多大数字是由硬件决定的。”

这下明白了，CPU并不知道1+1等于2。之所以1+1能算出等于2，是人类在设计CPU的时候赋能给它的。而CPU内所有的运算，归根结底又都是开关的开合。从这点来看，计算机的鼻祖竟然是小小的开关。

浏览器问：“CPU，这样说来你的加法器都是由众多开关实现的。那减法运算、乘法运算、除法运算又是怎么实现的？”

CPU道：“减法在我这里也是加法，乘法是换算为多位加法累加的，除法又可以换算为乘法。所以，所有四则运算都是由加法实现的。包括文字与音频、视频信息处理，在我这里都是二进制的加减乘法与逻辑与非。”

浏览器又问：“那这样说，在你内部肯家有很多很多的开关喽？”

CPU说：“人类发明了一种双极型三极管，简称晶体管。在我内部，晶体管不多，也就有几十亿个吧。每个晶体管就相当于一个电路中的开关。”

原来作者在浏览器里简单敲一个1+1，CPU那里就要噼里啪啦开关个不停。

计算机并没有智能。我们从宏观上看，仿佛计算机拥有了智能一般，能处理很多复杂的问题，其实都是通过数以亿计的晶体管开关电路实现的，并且这种能力也都是人类赋予它的。

在人的大脑中，也有几十亿个神经元，像一个计算机一样。人为什么拥有智能？或者人根本也并不拥有智能，在上帝那里，我们的大脑也只是按照他老人家的设计表现开头状态而已？

2018年12月21日于北京

艺览无余

首发于“艺述思维”微信公众号：JS是如何计算 1+1=2 的？