تكامل جمع القمامة في WebAssembly: التنقل في الذاكرة المُدارة وعدّ المراجع

تطورت WebAssembly (Wasm) بسرعة من هدف ترجمة للغات مثل C++ وRust إلى منصة قوية لتشغيل مجموعة واسعة من التطبيقات عبر الويب وخارجه. يمثل جانب حاسم من هذا التطور ظهور تكامل جمع القمامة (GC) في WebAssembly. تفتح هذه الميزة القدرة على تشغيل لغات عالية المستوى أكثر تعقيدًا تعتمد على إدارة الذاكرة التلقائية، مما يوسع بشكل كبير نطاق وصول Wasm.

بالنسبة للمطورين في جميع أنحاء العالم، يعد فهم كيفية تعامل Wasm مع الذاكرة المُدارة ودور تقنيات مثل عدّ المراجع أمرًا بالغ الأهمية. يتعمق هذا المنشور في المفاهيم الأساسية والفوائد والتحديات والآثار المستقبلية لتكامل GC في WebAssembly، مما يوفر نظرة شاملة لمجتمع التطوير العالمي.

الحاجة إلى جمع القمامة في WebAssembly

تقليديًا، ركزت WebAssembly على التنفيذ منخفض المستوى، وغالبًا ما كانت تُترجم لغات ذات إدارة ذاكرة يدوية (مثل C/C++) أو لغات ذات نماذج ذاكرة أبسط. ومع ذلك، مع نمو طموح Wasm ليشمل لغات مثل Java وC# وPython، وحتى أطر عمل JavaScript الحديثة، أصبحت قيود إدارة الذاكرة اليدوية واضحة.

غالبًا ما تعتمد هذه اللغات عالية المستوى على جامع القمامة (GC) لإدارة تخصيص الذاكرة وإلغاء تخصيصها تلقائيًا. بدون GC، يتطلب جلب هذه اللغات إلى Wasm عبئًا كبيرًا في وقت التشغيل، وجهود ترحيل معقدة، أو قيودًا على قوتها التعبيرية. يؤدي تقديم دعم GC لمواصفات WebAssembly إلى معالجة هذه الحاجة مباشرة، مما يتيح:

• دعم أوسع للغات: تسهيل الترجمة والتنفيذ الفعال للغات التي تعتمد بطبيعتها على GC.
• تبسيط التطوير: لا يحتاج المطورون الذين يكتبون بلغات تم تمكين GC فيها إلى القلق بشأن إدارة الذاكرة اليدوية، مما يقلل الأخطاء ويزيد الإنتاجية.
• قابلية نقل محسنة: يسهل ترحيل التطبيقات وأوقات التشغيل بالكامل المكتوبة بلغات مثل Java أو C# أو Python إلى WebAssembly.
• أمان محسن: تساعد إدارة الذاكرة التلقائية في منع الثغرات الأمنية الشائعة المتعلقة بالذاكرة مثل تجاوزات المخزن المؤقت وأخطاء الاستخدام بعد التحرير.

فهم الذاكرة المُدارة في Wasm

تشير الذاكرة المُدارة إلى الذاكرة التي يتم تخصيصها وإلغاء تخصيصها تلقائيًا بواسطة نظام وقت تشغيل، عادةً جامع قمامة. في سياق WebAssembly، هذا يعني أن بيئة تشغيل Wasm، جنبًا إلى جنب مع البيئة المضيفة (مثل متصفح الويب أو وقت تشغيل Wasm مستقل)، تتولى مسؤولية إدارة دورة حياة الكائنات.

عند ترجمة وقت تشغيل لغة إلى Wasm مع دعم GC، فإنه يجلب استراتيجيات إدارة الذاكرة الخاصة به. يحدد اقتراح GC لـ WebAssembly مجموعة من التعليمات والأنواع الجديدة التي تسمح لوحدات Wasm بالتفاعل مع كومة مُدارة. هذه الكومة المُدارة هي المكان الذي توجد فيه الكائنات ذات دلالات GC. الفكرة الأساسية هي توفير طريقة موحدة لوحدات Wasm لـ:

• تخصيص الكائنات على كومة مُدارة.
• إنشاء مراجع بين هذه الكائنات.
• إبلاغ وقت التشغيل عندما لا تعود الكائنات قابلة للوصول.

دور اقتراح GC

يعد اقتراح GC لـ WebAssembly مهمة كبيرة توسع مواصفات Wasm الأساسية. إنه يقدم:

• أنواع جديدة: تقديم أنواع مثل funcref وexternref وeqref لتمثيل المراجع داخل وحدة Wasm، والأهم من ذلك، نوع gcref لكائنات الكومة.
• تعليمات جديدة: تعليمات لتخصيص الكائنات، وقراءة وكتابة حقول الكائنات، والتعامل مع المراجع الفارغة.
• التكامل مع الكائنات المضيفة: آليات لوحدات Wasm للاحتفاظ بمراجع للكائنات المضيفة (مثل كائنات JavaScript) ولبيئات المضيف للاحتفاظ بمراجع لكائنات Wasm، وكلها مُدارة بواسطة GC.

يهدف هذا الاقتراح إلى أن يكون محايدًا للغة، مما يعني أنه يوفر أساسًا يمكن للغات المختلفة المستندة إلى GC الاستفادة منه. إنه لا يفرض خوارزمية GC محددة ولكنه يحدد الواجهات والدلالات للكائنات المُدارة بواسطة GC داخل Wasm.

عدّ المراجع: استراتيجية GC رئيسية

من بين خوارزميات جمع القمامة المختلفة، يعد عدّ المراجع تقنية بسيطة ومستخدمة على نطاق واسع. في نظام عدّ المراجع، يحتفظ كل كائن بعدد المراجع التي تشير إليه. عندما ينخفض هذا العدد إلى الصفر، فإنه يشير إلى أن الكائن لم يعد قابلاً للوصول ويمكن إلغاء تخصيصه بأمان.

كيف يعمل عدّ المراجع:

1. التهيئة: عند إنشاء كائن، يتم تهيئة عدد مراجعاته إلى 1 (للمؤشر الذي أنشأه).
2. تعيين المرجع: عند إنشاء مرجع جديد لكائن (على سبيل المثال، تعيين مؤشر لمتغير آخر)، يتم زيادة عدد مراجعات الكائن.
3. إلغاء مرجع المرجع: عندما يتم تدمير مرجع لكائن أو لم يعد يشير إليه (على سبيل المثال، يخرج المتغير عن النطاق أو يتم إعادة تعيينه)، يتم تقليل عدد مراجعات الكائن.
4. إلغاء التخصيص: إذا أصبح عدد مراجعات الكائن صفرًا بعد التقليل، يعتبر الكائن غير قابل للوصول ويتم إلغاء تخصيصه على الفور. يتم استعادة ذاكرته.

مزايا عدّ المراجع

• البساطة: سهل الفهم والتطبيق من الناحية المفاهيمية.
• إلغاء التخصيص الحتمي: يتم إلغاء تخصيص الكائنات فور عدم إمكانية الوصول إليها، مما قد يؤدي إلى استخدام أكثر قابلية للتنبؤ بالذاكرة وتقليل فترات التوقف مقارنة ببعض جامعي القمامة المتتبعين.
• تزايدي: يتم توزيع عمل إلغاء التخصيص على مدار الوقت مع تغير المراجع، مما يتجنب دورات الجمع الكبيرة والمزعجة.

تحديات عدّ المراجع

على الرغم من مزاياه، فإن عدّ المراجع ليس خاليًا من التحديات:

• المراجع الدائرية: العيب الأكثر أهمية. إذا احتفظ كائنان أو أكثر بمراجع لبعضهما البعض في دائرة، فلن ينخفض عدد مراجعاتهما إلى الصفر أبدًا، حتى لو كانت الدائرة بأكملها غير قابلة للوصول من بقية البرنامج. هذا يؤدي إلى تسرب الذاكرة.
• العبء: يمكن أن يؤدي زيادة وتقليل أعداد المراجع عند كل تعيين مؤشر إلى فرض عبء على الأداء.
• سلامة الخيط: في البيئات متعددة الخيوط، يتطلب تحديث أعداد المراجع عمليات ذرية، والتي يمكن أن تضيف تكاليف أداء إضافية.

نهج WebAssembly تجاه GC وعدّ المراجع

لا يلزم اقتراح GC لـ WebAssembly خوارزمية GC واحدة. بدلاً من ذلك، يوفر اللبنات الأساسية لاستراتيجيات GC المختلفة، بما في ذلك عدّ المراجع، والمسح والتحديد، والجمع التوليدي، والمزيد. الهدف هو السماح لأوقات تشغيل اللغات المترجمة إلى Wasm بالاستفادة من آلية GC المفضلة لديهم.

بالنسبة للغات التي تستخدم عدّ المراجع أصليًا (أو نهج هجين)، يمكن الاستفادة من تكامل GC الخاص بـ Wasm مباشرة. ومع ذلك، يظل تحدي المراجع الدائرية قائمًا. لمعالجة ذلك، قد تقوم أوقات تشغيل Wasm المترجمة بـ:

• تنفيذ اكتشاف الدوائر: استكمال عدّ المراجع بآليات تتبع دورية أو عند الطلب لاكتشاف المراجع الدائرية وكسرها. يشار إلى هذا غالبًا باسم نهج هجين.
• استخدام المراجع الضعيفة: استخدام المراجع الضعيفة، التي لا تساهم في عدد مراجعات الكائن. يمكن لهذا كسر الدوائر إذا كان أحد المراجع في الدائرة ضعيفًا.
• الاستفادة من GC المضيف: في بيئات مثل متصفحات الويب، يمكن لوحدات Wasm التفاعل مع جامع القمامة للمضيف. على سبيل المثال، يمكن إدارة كائنات JavaScript التي تشير إليها Wasm بواسطة GC الخاص بالمتصفح.

يحدد مواصفات GC الخاصة بـ Wasm كيفية إنشاء وحدات Wasm وإدارة المراجع لكائنات الكومة، بما في ذلك المراجع إلى القيم من بيئة المضيف (externref). عندما تحتفظ Wasm بمرجع لكائن JavaScript، يكون GC الخاص بالمتصفح مسؤولاً عن إبقاء هذا الكائن حيًا. والعكس صحيح، إذا احتفظ JavaScript بمرجع لكائن Wasm مُدار بواسطة GC الخاص بـ Wasm، فيجب أن يضمن وقت تشغيل Wasm عدم جمع كائن Wasm بشكل مبكر.

سيناريو مثال: وقت تشغيل .NET في Wasm

ضع في اعتبارك ترجمة وقت تشغيل .NET إلى WebAssembly. تستخدم .NET جامع قمامة متطورًا، عادةً جامع مسح وتحديد توليدي. ومع ذلك، فإنها تدير أيضًا التشغيل البيني مع التعليمات البرمجية الأصلية وكائنات COM، والتي غالبًا ما تعتمد على عدّ المراجع (على سبيل المثال، من خلال ReleaseComObject).

عند تشغيل .NET في Wasm مع تكامل GC:

• سيتم إدارة كائنات .NET الموجودة في الكومة المُدارة بواسطة GC الخاص بـ .NET، والذي يتفاعل مع أساسيات GC الخاصة بـ Wasm.
• إذا احتاج وقت تشغيل .NET إلى التفاعل مع الكائنات المضيفة (مثل عناصر DOM في JavaScript)، فإنه سيستخدم externref للاحتفاظ بالمراجع. ثم يتم تفويض إدارة هذه الكائنات المضيفة إلى GC الخاص بالمضيف (مثل GC JavaScript الخاص بالمتصفح).
• إذا استخدمت شفرة .NET كائنات COM داخل Wasm، فسيحتاج وقت تشغيل .NET إلى إدارة أعداد مراجعات هذه الكائنات بشكل مناسب، وضمان الزيادة والنقصان الصحيحين، وربما استخدام اكتشاف الدوائر إذا أشارت كائنات .NET بشكل غير مباشر إلى كائن COM الذي يشير بعد ذلك إلى كائن .NET.

يسلط هذا الضوء على كيف يعمل اقتراح GC الخاص بـ Wasm كطبقة موحدة، مما يسمح لأوقات تشغيل اللغات المختلفة بالاتصال بواجهة GC موحدة، مع الاحتفاظ باستراتيجيات إدارة الذاكرة الأساسية الخاصة بها.

التداعيات العملية وحالات الاستخدام

يفتح تكامل GC في WebAssembly مشهدًا واسعًا من الاحتمالات للمطورين في جميع أنحاء العالم:

1. تشغيل اللغات عالية المستوى مباشرة

يمكن الآن ترجمة وتشغيل لغات مثل Python وRuby وJava ولغات .NET في Wasm بكفاءة ودقة أكبر بكثير. يتيح ذلك للمطورين الاستفادة من قواعد التعليمات البرمجية وأنظمة الملحقات الحالية الخاصة بهم داخل المتصفح أو بيئات Wasm الأخرى.

• Python/Django على الواجهة الأمامية: تخيل تشغيل منطق إطار عمل الويب الخاص بك بلغة Python مباشرة في المتصفح، مما يخفف العبء الحسابي عن الخادم.
• تطبيقات Java/JVM في Wasm: ترحيل تطبيقات Java للمؤسسات للتشغيل من جانب العميل، مما قد يوفر تجارب غنية تشبه سطح المكتب في المتصفح.
• تطبيقات .NET Core: تشغيل تطبيقات .NET بالكامل داخل المتصفح، مما يتيح تطويرًا عبر الأنظمة الأساسية دون أطر عمل منفصلة من جانب العميل.

2. أداء محسن للأحمال العمل الكثيفة باستخدام GC

بالنسبة للتطبيقات التي تتضمن إنشاء ومعالجة مكثفة للكائنات، يمكن أن يوفر GC الخاص بـ Wasm مزايا أداء كبيرة مقارنة بـ JavaScript، خاصة مع نضج تطبيقات GC في Wasm وتحسينها من قبل بائعي المتصفحات ومقدمي وقت التشغيل.

• تطوير الألعاب: يمكن ترجمة محركات الألعاب المكتوبة بلغة C# أو Java إلى Wasm، والاستفادة من الذاكرة المُدارة وربما أداء أفضل من JavaScript النقي.
• تصور البيانات ومعالجتها: يمكن نقل مهام معالجة البيانات المعقدة بلغات مثل Python إلى جانب العميل، مما يؤدي إلى نتائج تفاعلية أسرع.

3. التشغيل البيني بين اللغات

يسهل تكامل GC الخاص بـ Wasm التشغيل البيني الأكثر سلاسة بين لغات البرمجة المختلفة التي تعمل داخل نفس بيئة Wasm. على سبيل المثال، يمكن لوحدة C++ (مع إدارة الذاكرة اليدوية) التفاعل مع وحدة Python (مع GC) عن طريق تمرير المراجع عبر واجهة GC الخاصة بـ Wasm.

• مزيج اللغات: يمكن استخدام مكتبة C++ أساسية بواسطة تطبيق Python مُترجم إلى Wasm، مع عمل Wasm كجسر.
• الاستفادة من المكتبات الحالية: يمكن جعل المكتبات الناضجة بلغات مثل Java أو C# متاحة لوحدات Wasm أخرى، بغض النظر عن لغتها الأصلية.

4. بيئات تشغيل Wasm من جانب الخادم

بالإضافة إلى المتصفح، تكتسب بيئات تشغيل Wasm من جانب الخادم (مثل Wasmtime وWasmEdge أو Node.js مع دعم Wasm) زخمًا. توفر القدرة على تشغيل اللغات المُدارة بواسطة GC على الخادم باستخدام Wasm العديد من المزايا:

• العزل الأمني: توفر Wasm عزلًا أمنيًا قويًا، مما يجعلها خيارًا جذابًا لتشغيل التعليمات البرمجية غير الموثوق بها.
• قابلية النقل: يمكن لثنائي Wasm واحد أن يعمل عبر معماريات وأنظمة تشغيل مختلفة للخادم دون إعادة ترجمة.
• استخدام فعال للموارد: غالبًا ما تكون بيئات تشغيل Wasm أخف وزناً وتبدأ أسرع من الأجهزة الافتراضية أو الحاويات التقليدية.

على سبيل المثال، قد تنشر شركة خدمات مصغرة مكتوبة بلغة Go (التي لديها GC الخاص بها) أو .NET Core (التي لديها أيضًا GC) كوحدات Wasm على بنية تحتية للخادم الخاصة بها، مستفيدة من جوانب الأمان وقابلية النقل.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

في حين أن تكامل GC في WebAssembly خطوة كبيرة إلى الأمام، لا تزال هناك العديد من التحديات ومجالات التطوير المستقبلية:

• تساوي الأداء: يعد تحقيق تساوي الأداء مع التنفيذ الأصلي أو حتى JavaScript المحسن بشكل كبير جهدًا مستمرًا. تعد فترات توقف GC، والعبء الناتج عن عدّ المراجع، وكفاءة آليات التشغيل البيني جميعها مجالات تحسين نشطة.
• نضج سلاسل الأدوات: لا تزال المترجمات وسلاسل الأدوات لمختلف اللغات التي تستهدف Wasm مع GC في طور النضج. ضمان تجارب ترجمة وتصحيح أخطاء وتحليل أداء سلسة أمر بالغ الأهمية.
• التوحيد والتطور: تتطور مواصفات WebAssembly باستمرار. يعد الحفاظ على ميزات GC متوافقة مع النظام البيئي الأوسع لـ Wasm ومعالجة الحالات المتطرفة أمرًا حيويًا.
• تعقيد التشغيل البيني: بينما يهدف GC الخاص بـ Wasm إلى تبسيط التشغيل البيني، فإن إدارة رسوم الكائنات المعقدة وضمان إدارة الذاكرة الصحيحة عبر أنظمة GC المختلفة (مثل GC الخاص بـ Wasm، GC المضيف، إدارة الذاكرة اليدوية) لا يزال يمكن أن يكون معقدًا.
• تصحيح الأخطاء: قد يكون تصحيح أخطاء التطبيقات المُدارة بواسطة GC في بيئات Wasm أمرًا صعبًا. يجب تطوير أدوات لتوفير رؤى حول دورات حياة الكائنات، ونشاط GC، وسلاسل المراجع.

يعمل مجتمع WebAssembly بنشاط على هذه الجبهات. تشمل الجهود تحسين كفاءة عدّ المراجع واكتشاف الدوائر داخل بيئات تشغيل Wasm، وتطوير أدوات تصحيح أخطاء أفضل، وصقل اقتراح GC لدعم ميزات أكثر تقدمًا.

مبادرات المجتمع:

• Blazor WebAssembly: يعتمد إطار عمل Blazor الخاص بشركة Microsoft، الذي يسمح ببناء واجهات مستخدم تفاعلية من جانب العميل باستخدام C#، بشكل كبير على وقت تشغيل .NET المترجم إلى Wasm، مما يوضح الاستخدام العملي لـ GC في إطار عمل شائع.
• GraalVM: تستكشف مشاريع مثل GraalVM طرقًا لترجمة Java ولغات أخرى إلى Wasm، مستفيدة من قدرات GC المتقدمة الخاصة بها.
• Rust وGC: بينما تستخدم Rust عادةً الملكية والاستعارة من أجل سلامة الذاكرة، إلا أنها تستكشف التكامل مع GC الخاص بـ Wasm لحالات استخدام محددة حيث تكون دلالات GC مفيدة، أو للتشغيل البيني مع اللغات المُدارة بواسطة GC.

خاتمة

يمثل تكامل جمع القمامة في WebAssembly، بما في ذلك دعم مفاهيم مثل عدّ المراجع، لحظة تحويلية للمنصة. إنه يوسع بشكل كبير نطاق التطبيقات التي يمكن نشرها بكفاءة وفعالية باستخدام Wasm، مما يمكّن المطورين في جميع أنحاء العالم من الاستفادة من لغاتهم عالية المستوى المفضلة بطرق جديدة ومثيرة.

بالنسبة للمطورين الذين يستهدفون أسواقًا عالمية متنوعة، فإن فهم هذه التطورات هو مفتاح بناء تطبيقات حديثة وعالية الأداء وقابلة للنقل. سواء كنت تقوم بترحيل تطبيق مؤسسة Java موجود، أو بناء خدمة ويب مدعومة بلغة Python، أو استكشاف آفاق جديدة في التطوير عبر الأنظمة الأساسية، فإن تكامل GC الخاص بـ WebAssembly يوفر مجموعة أدوات جديدة قوية. مع نضوج التكنولوجيا ونمو النظام البيئي، يمكننا أن نتوقع أن تصبح WebAssembly جزءًا لا يتجزأ من مشهد تطوير البرمجيات العالمي.

سيسمح تبني هذه القدرات للمطورين بتسخير الإمكانات الكاملة لـ WebAssembly، مما يؤدي إلى تطبيقات أكثر تطورًا وأمانًا وكفاءة متاحة للمستخدمين في كل مكان.