الآلات الافتراضية: تبسيط أساسيات محركات JavaScript

تعتمد JavaScript، اللغة المنتشرة التي تدعم الويب، على محركات متطورة لتنفيذ التعليمات البرمجية بكفاءة. يكمن في قلب هذه المحركات مفهوم الآلة الافتراضية (VM). يمكن أن يوفر فهم كيفية عمل هذه الآلات الافتراضية رؤى قيمة حول خصائص أداء JavaScript وتمكين المطورين من كتابة تعليمات برمجية أكثر تحسينًا. يقدم هذا الدليل نظرة عميقة على بنية وعمل الآلات الافتراضية JavaScript.

ما هي الآلة الافتراضية؟

في الأساس، الآلة الافتراضية هي بنية حاسوب مجردة يتم تنفيذها في البرامج. إنها توفر بيئة تسمح بتشغيل البرامج المكتوبة بلغة معينة (مثل JavaScript) بشكل مستقل عن الأجهزة الأساسية. يسمح هذا العزل بقابلية النقل والأمان والإدارة الفعالة للموارد.

فكر في الأمر على النحو التالي: يمكنك تشغيل نظام تشغيل Windows داخل macOS باستخدام جهاز افتراضي. وبالمثل، تسمح الآلة الافتراضية لمحرك JavaScript بتنفيذ كود JavaScript على أي نظام أساسي مثبت عليه هذا المحرك (المتصفحات وNode.js وما إلى ذلك).

خط أنابيب تنفيذ JavaScript: من التعليمات البرمجية المصدر إلى التنفيذ

تتضمن رحلة كود JavaScript من حالته الأولية إلى التنفيذ داخل جهاز افتراضي عدة مراحل حاسمة:

التحليل: يقوم المحرك أولاً بتحليل كود JavaScript، وتقسيمه إلى تمثيل منظم يُعرف باسم شجرة بناء الجملة المجردة (AST). تعكس هذه الشجرة البنية التركيبية للكود.
الترجمة/التفسير: تتم بعد ذلك معالجة AST. تستخدم محركات JavaScript الحديثة نهجًا هجينًا، باستخدام كل من تقنيات التفسير والترجمة.
التنفيذ: يتم تنفيذ الكود المترجم أو المفسر داخل الجهاز الظاهري.
التحسين: أثناء تشغيل الكود، يراقب المحرك باستمرار الأداء ويطبق التحسينات لتحسين سرعة التنفيذ.

التفسير مقابل الترجمة

تاريخيًا، اعتمدت محركات JavaScript بشكل أساسي على التفسير. تعالج المترجمات التعليمات البرمجية سطرًا بسطر، وتترجم وتنفيذ كل تعليمات على التوالي. يقدم هذا النهج أوقات بدء تشغيل سريعة ولكنه قد يؤدي إلى سرعات تنفيذ أبطأ مقارنة بالترجمة. تتضمن الترجمة، من ناحية أخرى، ترجمة التعليمات البرمجية المصدر بأكملها إلى كود الجهاز (أو تمثيل وسيط) قبل التنفيذ. ينتج عن هذا تنفيذ أسرع ولكنه يتكبد تكلفة بدء تشغيل أعلى.

تستفيد المحركات الحديثة من استراتيجية ترجمة في الوقت المناسب (JIT)، والتي تجمع بين فوائد كلا النهجين. تقوم مترجمات JIT بتحليل الكود أثناء وقت التشغيل وتجميع الأقسام التي يتم تنفيذها بشكل متكرر (النقاط الساخنة) في كود الجهاز المحسن، مما يعزز الأداء بشكل كبير. ضع في اعتبارك حلقة تعمل آلاف المرات - قد تقوم مترجم JIT بتحسين تلك الحلقة بعد تنفيذها عدة مرات.

المكونات الرئيسية للآلة الافتراضية JavaScript

تتكون الآلات الافتراضية JavaScript عادةً من المكونات الأساسية التالية:

المحلل اللغوي: مسؤول عن تحويل كود مصدر JavaScript إلى AST.
المترجم: ينفذ AST مباشرة أو يترجمه إلى رمز بايت.
المترجم (JIT): يقوم بترجمة التعليمات البرمجية التي يتم تنفيذها بشكل متكرر إلى كود الجهاز المحسن.
المحسن: يقوم بإجراء تحسينات متنوعة لتحسين أداء الكود (مثل وظائف التضمين، وإزالة التعليمات البرمجية الميتة).
جامع البيانات المهملة: يدير الذاكرة تلقائيًا عن طريق استعادة الكائنات التي لم تعد قيد الاستخدام.
نظام وقت التشغيل: يوفر خدمات أساسية لبيئة التنفيذ، مثل الوصول إلى DOM (في المتصفحات) أو نظام الملفات (في Node.js).

محركات JavaScript الشائعة وهياكلها

تعمل العديد من محركات JavaScript الشائعة على تشغيل المتصفحات وبيئات وقت التشغيل الأخرى. يتمتع كل محرك ببنية فريدة وتقنيات تحسين.

V8 (Chrome, Node.js)

V8، الذي تم تطويره بواسطة Google، هو أحد محركات JavaScript الأكثر استخدامًا. يستخدم مترجم JIT كامل، يقوم في البداية بترجمة كود JavaScript إلى كود الجهاز. يشتمل V8 أيضًا على تقنيات مثل التخزين المؤقت المضمن والفئات المخفية لتحسين الوصول إلى خصائص الكائنات. يستخدم V8 مترجمين: Full-codegen (المترجم الأصلي، الذي ينتج كودًا بطيئًا نسبيًا ولكنه موثوق به) وCrankshaft (مترجم تحسين يولد كودًا محسنًا للغاية). في الآونة الأخيرة، قدم V8 TurboFan، وهو مترجم تحسين أكثر تقدمًا.

تم تحسين بنية V8 بشكل كبير لتحقيق السرعة وكفاءة الذاكرة. يستخدم خوارزميات متقدمة لجمع البيانات المهملة لتقليل تسرب الذاكرة وتحسين الأداء. يعد أداء V8 أمرًا بالغ الأهمية لكل من أداء المتصفح وتطبيقات Node.js من جانب الخادم. على سبيل المثال، تعتمد تطبيقات الويب المعقدة مثل مستندات Google بشكل كبير على سرعة V8 لتوفير تجربة مستخدم سريعة الاستجابة. في سياق Node.js، تتيح كفاءة V8 التعامل مع آلاف الطلبات المتزامنة في خوادم الويب القابلة للتطوير.

SpiderMonkey (Firefox)

SpiderMonkey، الذي تم تطويره بواسطة Mozilla، هو المحرك الذي يشغل Firefox. إنه محرك هجين يضم مترجمًا ومترجمات JIT متعددة. يتمتع SpiderMonkey بتاريخ طويل وخضع لتطور كبير على مر السنين. تاريخيًا، استخدم SpiderMonkey مترجمًا ثم IonMonkey (مترجم JIT). حاليًا، يستخدم SpiderMonkey بنية أكثر حداثة مع مستويات متعددة من ترجمة JIT.

يشتهر SpiderMonkey بتركيزه على الامتثال للمعايير والأمان. يتضمن ميزات أمان قوية لحماية المستخدمين من التعليمات البرمجية الضارة. تعطي بنيته الأولوية للحفاظ على التوافق مع معايير الويب الحالية مع دمج تحسينات الأداء الحديثة أيضًا. تستثمر Mozilla باستمرار في SpiderMonkey لتعزيز أدائه وأمانه، مما يضمن بقاء Firefox متصفحًا تنافسيًا. قد يقدر بنك أوروبي يستخدم Firefox داخليًا ميزات الأمان الخاصة بـ SpiderMonkey لحماية البيانات المالية الحساسة.

JavaScriptCore (Safari)

JavaScriptCore، المعروف أيضًا باسم Nitro، هو المحرك المستخدم في Safari ومنتجات Apple الأخرى. إنه محرك آخر مزود بمترجم JIT. يستخدم JavaScriptCore LLVM (الآلة الافتراضية ذات المستوى المنخفض) كواجهة خلفية لإنشاء كود الجهاز، مما يسمح بتحسين ممتاز. تاريخيًا، استخدم JavaScriptCore SquirrelFish Extreme، وهو إصدار مبكر من مترجم JIT.

يرتبط JavaScriptCore ارتباطًا وثيقًا بنظام Apple البيئي ويتم تحسينه بشكل كبير لأجهزة Apple. يؤكد على كفاءة الطاقة، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة المحمولة مثل أجهزة iPhone وiPad. تعمل Apple باستمرار على تحسين JavaScriptCore لتوفير تجربة مستخدم سلسة وسريعة الاستجابة على أجهزتها. تعتبر تحسينات JavaScriptCore مهمة بشكل خاص للمهام التي تتطلب الكثير من الموارد مثل عرض الرسومات المعقدة أو معالجة مجموعات البيانات الكبيرة. فكر في لعبة تعمل بسلاسة على جهاز iPad؛ ويرجع ذلك جزئيًا إلى الأداء الفعال لـ JavaScriptCore. ستستفيد الشركة التي تطور تطبيقات الواقع المعزز لنظام التشغيل iOS من تحسينات JavaScriptCore المدركة للأجهزة.

رمز البايت والتمثيل الوسيط

لا تقوم العديد من محركات JavaScript بترجمة AST مباشرة إلى كود الجهاز. بدلاً من ذلك، يقومون بإنشاء تمثيل وسيط يسمى رمز البايت. رمز البايت هو تمثيل منخفض المستوى ومستقل عن النظام الأساسي للتعليمات البرمجية يسهل تحسينه وتنفيذه من كود JavaScript المصدر الأصلي. ثم يقوم المترجم أو مترجم JIT بتنفيذ رمز البايت.

يسمح استخدام رمز البايت بقابلية نقل أكبر، حيث يمكن تنفيذ نفس رمز البايت على منصات مختلفة دون الحاجة إلى إعادة الترجمة. كما أنه يبسط عملية ترجمة JIT، حيث يمكن لمترجم JIT العمل مع تمثيل أكثر تنظيماً ومحسّنًا للكود.

سياقات التنفيذ ومكدس الاستدعاءات

يتم تنفيذ كود JavaScript داخل سياق تنفيذ، والذي يحتوي على جميع المعلومات الضرورية لتشغيل الكود، بما في ذلك المتغيرات والوظائف وسلسلة النطاق. عند استدعاء وظيفة، يتم إنشاء سياق تنفيذ جديد ودفعه إلى مكدس الاستدعاءات. يحتفظ مكدس الاستدعاءات بترتيب استدعاءات الوظائف ويضمن عودة الوظائف إلى الموقع الصحيح عند الانتهاء من التنفيذ.

يعد فهم مكدس الاستدعاءات أمرًا بالغ الأهمية لتصحيح كود JavaScript. عند حدوث خطأ، يوفر مكدس الاستدعاءات تتبعًا لاستدعاءات الوظائف التي أدت إلى الخطأ، مما يساعد المطورين على تحديد مصدر المشكلة.

تجميع البيانات المهملة

تستخدم JavaScript إدارة الذاكرة التلقائية من خلال جامع البيانات المهملة (GC). يقوم GC تلقائيًا باستعادة الذاكرة التي تشغلها الكائنات التي لم تعد قابلة للوصول إليها أو قيد الاستخدام. يمنع هذا تسرب الذاكرة ويبسط إدارة الذاكرة للمطورين. تستخدم محركات JavaScript الحديثة خوارزميات GC متطورة لتقليل التوقفات وتحسين الأداء. تستخدم المحركات المختلفة خوارزميات GC مختلفة، مثل وضع العلامات والمسح أو تجميع البيانات المهملة الأجيال. على سبيل المثال، يقوم GC الجيلي بتصنيف الكائنات حسب العمر، وجمع الكائنات الأصغر سنًا بشكل متكرر أكثر من الكائنات الأكبر سنًا، والتي تميل إلى أن تكون أكثر كفاءة.

في حين أن جامع البيانات المهملة يقوم بأتمتة إدارة الذاكرة، فمن المهم مع ذلك أن تكون على دراية باستخدام الذاكرة في كود JavaScript. يمكن أن يؤدي إنشاء أعداد كبيرة من الكائنات أو الاحتفاظ بالكائنات لفترة أطول من اللازم إلى إجهاد GC والتأثير على الأداء.

تقنيات التحسين لأداء JavaScript

يمكن أن يوجه فهم كيفية عمل محركات JavaScript المطورين في كتابة تعليمات برمجية أكثر تحسينًا. فيما يلي بعض تقنيات التحسين الرئيسية:

تجنب المتغيرات العامة: يمكن أن تؤدي المتغيرات العامة إلى إبطاء عمليات البحث عن الخصائص.
استخدم المتغيرات المحلية: يتم الوصول إلى المتغيرات المحلية بشكل أسرع من المتغيرات العامة.
تقليل معالجة DOM: عمليات DOM باهظة الثمن. قم بتحديثات الدفعات كلما أمكن ذلك.
تحسين الحلقات: استخدم هياكل حلقات فعالة وقلل العمليات الحسابية داخل الحلقات.
استخدم التدوين: قم بتخزين نتائج استدعاءات الوظائف باهظة الثمن مؤقتًا لتجنب العمليات الحسابية الزائدة.
قم بملف تعريف الكود الخاص بك: استخدم أدوات التنميط لتحديد اختناقات الأداء.

على سبيل المثال، ضع في اعتبارك سيناريو تحتاج فيه إلى تحديث عناصر متعددة على صفحة ويب. بدلاً من تحديث كل عنصر على حدة، قم بتجميع التحديثات في عملية DOM واحدة لتقليل النفقات العامة. وبالمثل، عند إجراء حسابات معقدة داخل حلقة، حاول حساب أي قيم تظل ثابتة طوال الحلقة مسبقًا لتجنب العمليات الحسابية الزائدة.

أدوات لتحليل أداء JavaScript

تتوفر العديد من الأدوات لمساعدة المطورين على تحليل أداء JavaScript وتحديد الاختناقات:

أدوات مطوري المتصفح: تتضمن معظم المتصفحات أدوات مطور مدمجة توفر إمكانات التنميط، مما يسمح لك بقياس وقت تنفيذ أجزاء مختلفة من التعليمات البرمجية الخاصة بك.
Lighthouse: أداة من Google تراجع صفحات الويب بحثًا عن الأداء وإمكانية الوصول وأفضل الممارسات الأخرى.
Node.js Profiler: يوفر Node.js ملف تعريف مدمج يمكن استخدامه لتحليل أداء كود JavaScript من جانب الخادم.

الاتجاهات المستقبلية في تطوير محرك JavaScript

يعد تطوير محرك JavaScript عملية مستمرة، مع جهود مستمرة لتحسين الأداء والأمان والامتثال للمعايير. تتضمن بعض الاتجاهات الرئيسية ما يلي:

WebAssembly (Wasm): تنسيق تعليمات ثنائي لتشغيل التعليمات البرمجية على الويب. يسمح Wasm للمطورين بكتابة التعليمات البرمجية بلغات أخرى (مثل C++ وRust) وتجميعها إلى Wasm، والتي يمكن تنفيذها بعد ذلك في المتصفح بأداء قريب من الأداء الأصلي.
الترجمة ذات المستويات: استخدام مستويات متعددة من ترجمة JIT، مع تطبيق كل مستوى تحسينات أكثر قوة تدريجيًا.
تجميع البيانات المهملة المحسنة: تطوير خوارزميات تجميع البيانات المهملة أكثر كفاءة وأقل تدخلًا.
تسريع الأجهزة: الاستفادة من ميزات الأجهزة (مثل تعليمات SIMD) لتسريع تنفيذ JavaScript.

يمثل WebAssembly، على وجه الخصوص، تحولًا كبيرًا في تطوير الويب، مما يمكّن المطورين من جلب تطبيقات عالية الأداء إلى نظام الويب الأساسي. فكر في ألعاب ثلاثية الأبعاد معقدة أو برامج CAD تعمل مباشرة في المتصفح، وذلك بفضل WebAssembly.

الخلاصة

يعد فهم الأعمال الداخلية لمحركات JavaScript أمرًا بالغ الأهمية لأي مطور JavaScript جاد. من خلال فهم مفاهيم الآلات الافتراضية وترجمة JIT وتجميع البيانات المهملة وتقنيات التحسين، يمكن للمطورين كتابة تعليمات برمجية أكثر كفاءة وأداءً. مع استمرار JavaScript في التطور وتشغيل تطبيقات معقدة بشكل متزايد، سيصبح الفهم العميق لهيكلها الأساسي أكثر قيمة. سواء كنت تقوم ببناء تطبيقات ويب لجمهور عالمي، أو تطوير تطبيقات من جانب الخادم باستخدام Node.js، أو إنشاء تجارب تفاعلية باستخدام JavaScript، فإن معرفة أساسيات محرك JavaScript ستحسن بلا شك مهاراتك وتمكنك من بناء برامج أفضل.

استمر في الاستكشاف والتجريب وتوسيع حدود ما هو ممكن باستخدام JavaScript!