Jõudluse avamine: süvauuring V8 polümorfsesse inline-vahemällu

JavaScript, veebi kõikjalolev keel, on sageli tajutav kui maagiline. See on dünaamiline, paindlik ja üllatavalt kiire. See kiirus pole juhus; see on aastakümnete pikkuse halastamatu inseneritöö tulemus JavaScripti mootorites, nagu Google'i V8, mis on Chrome'i, Node.js-i ja lugematute muude platvormide taga. Üks kriitilisemaid, kuid sageli valesti mõistetud optimeerimisi, mis annab V8-le eelise, on Inline Caching (IC), eriti see, kuidas see käsitleb polümorfismi.

Paljude arendajate jaoks on V8 mootori sisemine töö must kast. Me kirjutame oma koodi ja see töötab – tavaliselt väga kiiresti. Kuid selle toimivust reguleerivate põhimõtete mõistmine võib muuta seda, kuidas me koodi kirjutame, viies meid juhuslikult jõudluselt teadlikule optimeerimisele. See artikkel avab kardina ühelt V8 kõige säravamalt strateegialt: omaduste juurdepääsu optimeerimine dünaamiliste objektide maailmas. Me uurime varjatud klasse, inline-vahemälu maagiat ja monomorfismi, polümorfismi ja megamorfismi olulisi olekuid.

Põhiprobleem: JavaScripti dünaamiline olemus

Lahenduse mõistmiseks peame kõigepealt mõistma probleemi. JavaScript on dünaamiliselt tüüpitud keel. See tähendab, et erinevalt staatiliselt tüüpitud keeltest nagu Java või C++, ei ole muutuja tüüp ja objekti struktuur teada enne käitusajal. Saate luua objekti ja lisada, muuta või kustutada selle omadusi lennult.

Vaadake seda lihtsat koodi:

            
const item = {};
item.name = "Book";
item.price = 19.99;

            

              
                Copy
              
            
          

Keele nagu C++ puhul on objekti 'kuju' (selle klass) määratletud kompileerimise ajal. Kompilaator teab täpselt, kus `name` ja `price` omadused asuvad mälus fikseeritud nihkena objekti algusest. `item.price`-le juurdepääs on lihtne, otsene mälu juurdepääsu operatsioon – üks kiiremaid juhiseid, mida CPU saab täita.

JavaScriptis ei saa mootor neid eeldusi teha. Naiivne rakendus peaks iga objekti kohtlema nagu sõnastikku või räsitabelit. `item.price`-le juurdepääsuks peaks mootor tegema stringiotsingu võtme "price" jaoks objekti `item` sisemises omaduste loendis. Kui see otsing toimuks iga kord, kui me pääseme juurde omadusele tsükli sees, peatuksid meie rakendused. See on põhimõtteline jõudlusprobleem, mille lahendamiseks V8 loodi.

Korralduse alus: varjatud klassid (kujud)

V8 esimene samm selle dünaamilise kaose taltsutamisel on luua struktuur, kus seda pole selgesõnaliselt määratletud. See teeb seda kontseptsiooni kaudu, mida tuntakse kui Varjatud klassid (mida nimetatakse ka 'kujudeks' teistes mootorites nagu SpiderMonkey või 'kaardid' V8 sisemises terminoloogias). Varjatud klass on sisemine andmestruktuur, mis kirjeldab objekti paigutust, sealhulgas selle omaduste nimesid ja seda, kust nende väärtusi mälus leida.

Põhiline arusaam on see, et kuigi JavaScripti objektid *võivad* olla dünaamilised, ei ole nad seda sageli *mitte*. Arendajad loovad sageli korduvalt sama struktuuriga objekte. V8 kasutab seda mustrit.

Kui loote uue objekti, määrab V8 sellele põhivarjatud klassi, nimetagem seda `C0`-ks.

            const p1 = {}; // p1-l on varjatud klass C0 (tühi)

            

              
                Copy
              
            
          

Iga kord, kui lisate objektile uue omaduse, loob V8 uue varjatud klassi, mis 'liigub' eelmisest. Uus varjatud klass kirjeldab objekti uut kuju.

            p1.x = 10; // V8 loob uue varjatud klassi C1, mis põhineb C0 + omadus 'x'.
             // Salvestatakse üleminek: C0 + 'x' -> C1.
             // p1 varjatud klass on nüüd C1.

p1.y = 20; // V8 loob teise varjatud klassi C2, mis põhineb C1 + omadus 'y'.
             // Salvestatakse üleminek: C1 + 'y' -> C2.
             // p1 varjatud klass on nüüd C2.

            

              
                Copy
              
            
          

See loob üleminekupuu. Nüüd, siin on maagia: kui loote teise objekti ja lisate samad omadused täpselt samas järjekorras, kasutab V8 seda üleminekuteed ja lõplikku varjatud klassi uuesti.

            const p2 = {};   // p2 algab C0-ga
p2.x = 30;   // V8 järgib olemasolevat üleminekut (C0 + 'x') ja määrab p2-le C1.
p2.y = 40;   // V8 järgib järgmist üleminekut (C1 + 'y') ja määrab p2-le C2.

            

              
                Copy
              
            
          

Nüüd jagavad nii `p1` kui ka `p2` täpselt sama varjatud klassi, `C2`. See on uskumatult oluline. Varjatud klass `C2` sisaldab teavet, et omadus `x` on nihkel 0 (näiteks) ja omadus `y` on nihkel 1. Jagades seda struktuurset teavet, saab V8 nüüd nende objektide omadustele juurde pääseda peaaegu staatilise keele kiirusel, ilma sõnastiku otsingut tegemata. See peab lihtsalt leidma objekti varjatud klassi ja seejärel kasutama vahemällu salvestatud nihet.

Miks on järjekord oluline

Kui lisate omadusi erinevas järjekorras, loote erineva üleminekutee ja erineva lõpliku varjatud klassi.

            const objA = { x: 1, y: 2 }; // Tee: C0 -> C1(x) -> C2(x,y)
const objB = { y: 2, x: 1 }; // Tee: C0 -> C3(y) -> C4(y,x)

            

              
                Copy
              
            
          

Isegi kui `objA`-l ja `objB`-l on samad omadused, on neil sisemiselt erinevad varjatud klassid (`C2` vs `C4`). Sellel on sügavad tagajärjed optimeerimise järgmise kihi jaoks: Inline-vahemälu.

Kiirusevõimendi: Inline-vahemälu (IC)

Varjatud klassid pakuvad kaarti, kuid Inline-vahemälu on kiire sõiduk, mis seda kasutab. IC on koodiosa, mille V8 manustab helistamiskohta – konkreetsesse kohta teie koodis, kus toimub toiming (nagu omaduste juurdepääs) – et salvestada eelmiste toimingute tulemused vahemällu.

Vaatame funktsiooni, mida täidetakse palju kordi, nn 'kuum' funktsioon:

            function getX(obj) {
  return obj.x; // See on meie helistamiskoht
}

for (let i = 0; i < 10000; i++) {
  getX({ x: i, y: i + 1 });
}

            

              
                Copy
              
            
          

Siin on, kuidas IC `obj.x` juures töötab:

1. Esimene täitmine (initsialiseerimata): Esimene kord, kui `getX`-i kutsutakse, pole IC-l mingit teavet. See teeb täieliku, aeglase otsingu, et leida siseneva objekti omadus 'x'. Selle protsessi käigus avastab see objekti varjatud klassi ja 'x' nihke.
2. Tulemuse vahemällu salvestamine: IC muudab nüüd iseennast. See salvestab just nähtud varjatud klassi ja vastava nihke 'x' jaoks. IC on nüüd 'monomorfsest' olekus.
3. Järgmised täitmised: Teisel (ja järgnevatel) kutsetel teeb IC ülikiire kontrolli: "Kas sissetuleval objektil on sama varjatud klass, mille ma vahemällu salvestasin?". Kui vastus on jah, jätab see otsingu täielikult vahele ja kasutab väärtuse toomiseks otse vahemällu salvestatud nihet. See kontroll on sageli üks CPU juhis.

See protsess muudab aeglase, dünaamilise otsingu toiminguks, mis on peaaegu sama kiire kui staatiliselt kompileeritud keeles. Jõudluse kasv on tohutu, eriti koodi jaoks tsüklite sees või sageli kutsutavates funktsioonides.

Reaalsuse käsitlemine: Inline-vahemälu olekud

Maailm pole alati nii lihtne. Üks helistamiskoht võib oma eluea jooksul kohata erineva kujuga objekte. Siin tuleb sisse polümorfism. Inline-vahemälu on loodud selle reaalsuse käsitlemiseks, liikudes läbi mitme oleku.

1. Monomorfism (ideaalne olek)

Mono = Üks. Morf = Vorm.

Monomorfne IC on see, mis on näinud ainult ühte tüüpi varjatud klassi. See on kõige kiirem ja soovitavam olek.

            function getX(obj) {
  return obj.x; 
}

// Kõigil getX-ile edastatud objektidel on sama kuju.
// IC 'obj.x' juures on monomorfne ja uskumatult kiire.
getX({ x: 1, y: 2 }); 
getX({ x: 10, y: 20 });
getX({ x: 100, y: 200 });

            

              
                Copy
              
            
          

Sel juhul luuakse kõik objektid omadustega `x` ja seejärel `y`, nii et neil kõigil on sama varjatud klass. IC `obj.x` juures salvestab selle üksiku kuju ja selle vastava nihke vahemällu, mille tulemuseks on maksimaalne jõudlus.

2. Polümorfism (tavaline juhtum)

Poly = Mitu. Morf = Vorm.

Mis juhtub, kui funktsioon on loodud töötama erineva, kuid piiratud kujuga objektidega? Näiteks `render` funktsioon, mis saab vastu võtta `Ringi` või `Ruudu` objekti.

            function getArea(shape) {
  // Mis juhtub sellel helistamiskohal?
  return shape.width * shape.height;
}

const square = { type: 'square', width: 100, height: 100 };
const rectangle = { type: 'rect', width: 200, height: 50 };

getArea(square);     // Esimene kutse
getArea(rectangle);  // Teine kutse

            

              
                Copy
              
            
          

Siin on, kuidas V8 polümorfne IC seda käsitleb:

1. Kutse 1 (`getArea(square)`): IC `shape.width` jaoks muutub monomorfseks. See salvestab `square` varjatud klassi ja `width` omaduse nihke vahemällu.
2. Kutse 2 (`getArea(rectangle)`): IC kontrollib `rectangle` varjatud klassi. See erineb vahemällu salvestatud `square` klassist. Selle asemel, et alla anda, läheb IC üle polümorfsesse olekusse. See säilitab nüüd väikese loendi nähtud varjatud klassidest ja nende vastavatest nihetest. See lisab `rectangle` varjatud klassi ja `width` nihke sellesse loendisse.
3. Järgmised kutsed: Kui `getArea`-t kutsutakse uuesti, kontrollib IC, kas sissetuleva objekti varjatud klass on selle teadaolevate kujundite loendis. Kui see leiab vaste (nt teise `square`), kasutab see seotud nihet.

Polümorfne juurdepääs on veidi aeglasem kui monomorfne, sest see peab kontrollima kujundite loendit, mitte ainult ühte. Kuid see on siiski palju kiirem kui täielik, vahemällu salvestamata otsing. V8-l on piir, kui polümorfne IC võib muutuda – tavaliselt umbes 4 kuni 5 erinevat kuju. See hõlmab enamikku levinud objektorienteeritud ja funktsionaalseid mustreid, kus funktsioon töötab väikese, prognoositava objektitüüpide komplektiga.

3. Megamorfism (aeglane tee)

Mega = Suur. Morf = Vorm.

Kui helistamiskohta söödetakse liiga palju erinevaid objektikujusid – rohkem kui polümorfne piir – teeb V8 pragmaatilise otsuse: see loobub selle saidi konkreetsest vahemällu salvestamisest. IC läheb üle megamorfsesse olekusse.

            function getID(item) {
  return item.id;
}

// Kujutage ette, et need objektid pärinevad mitmekesisest, ettearvamatust andmeallikast.
const items = [
  { id: 1, name: 'A' },
  { id: 2, type: 'B' },
  { id: 3, value: 'C', name: 'C1'},
  { id: 4, label: 'D' },
  { id: 5, tag: 'E' },
  { id: 6, key: 'F' }
  // ... palju rohkem unikaalseid kujundeid
];

items.forEach(getID);

            

              
                Copy
              
            
          

Selle stsenaariumi korral näeb IC `item.id` juures kiiresti rohkem kui 4-5 erinevat varjatud klassi. See muutub megamorfseks. Selles olekus jäetakse spetsiifiline (Shape -> Offset) vahemällu salvestamine maha. Mootor langeb tagasi üldisemale, kuid aeglasemale omaduste otsingu meetodile. Kuigi see on endiselt optimeeritud rohkem kui täiesti naiivne rakendus (see võib kasutada globaalset vahemälu), on see oluliselt aeglasem kui monomorfsed või polümorfsed olekud.

Rakendatavad arusaamad suure jõudlusega koodi jaoks

Selle teooria mõistmine pole lihtsalt akadeemiline harjutus. See tõlgendab otse praktilisteks kodeerimisjuhisteks, mis aitavad V8-l teie rakenduse jaoks kõrgelt optimeeritud koodi genereerida.

1. Püüdke monomorfismi poole: lähtestage objektid järjepidevalt

Kõige olulisem järeldus on tagada, et objektid, mis on mõeldud sama struktuuriga olema, jagaksid tegelikult sama varjatud klassi. Parim viis selle saavutamiseks on neid samamoodi initsialiseerida.

HALB: ebajärjekindel lähtestamine

            // Nendel kahel objektil on samad omadused, kuid erinevad varjatud klassid.
const user1 = { name: 'Alice' };
user1.id = 1;

const user2 = { id: 2 };
user2.name = 'Bob';

// Funktsioon, mis neid kasutajaid töötleb, näeb kahte erinevat kuju.
function processUser(user) { /* ... */ }

            

              
                Copy
              
            
          

HEA: järjepidev lähtestamine konstruktorite või tehastega

            class User {
  constructor(id, name) {
    this.id = id;
    this.name = name;
  }
}

const user1 = new User(1, 'Alice');
const user2 = new User(2, 'Bob');

// Kõigil kasutaja eksemplaridel on sama varjatud klass.
// Iga funktsioon, mis neid töötleb, on monomorfne.
function processUser(user) { /* ... */ }

            

              
                Copy
              
            
          

Konstruktorite, tehaste funktsioonide või isegi järjepidevalt järjestatud objektilitteraalide kasutamine tagab, et V8 saab tõhusalt optimeerida funktsioone, mis nende objektidega töötavad.

2. Võtke omaks nutikas polümorfism

Polümorfism pole viga; see on võimas programmeerimisfunktsioon. On täiesti hea, kui funktsioonid töötavad mõne erineva objektikujuga. Näiteks võib kasutajaliidese teegis funktsioon `mountComponent` vastu võtta `Nupu`, `Sisendi` või `Paneeli`. See on polümorfismi klassikaline ja tervislik kasutus ning V8 on hästi varustatud sellega hakkama saamiseks.

Põhiline on hoida polümorfismi aste madal ja prognoositav. Funktsioon, mis käsitleb 3 tüüpi komponente, on suurepärane. Funktsioon, mis käsitleb 300, muutub tõenäoliselt megamorfseks ja aeglaseks.

3. Vältige megamorfismi: hoiduge ettearvamatutest kujunditest

Megamorfism tekib sageli siis, kui tegemist on väga dünaamiliste andmestruktuuridega, kus objektid konstrueeritakse programmiliselt erinevate omaduste komplektidega. Kui teil on jõudluskriitiline funktsioon, proovige vältida sellele objektide edastamist, millel on väga erinevad kujundid.

Kui peate selliste andmetega töötama, kaaluge kõigepealt normaliseerimisetappi. Saate kaardistada ettearvamatud objektid järjepidevasse ja stabiilsesse struktuuri enne nende edastamist oma kuumasse tsüklisse.

HALB: megamorfne juurdepääs kuumal teel

            function calculateTotal(items) {
  let total = 0;
  for (const item of items) {
    // See muutub megamorfseks, kui `items` sisaldab kümneid kujundeid.
    total += item.price;
  }
  return total;
}

            

              
                Copy
              
            
          

PAREM: normaliseerige andmed esmalt

            function calculateTotal(rawItems) {
  const normalizedItems = rawItems.map(item => ({
    // Looge järjepidev kuju
    price: item.price || item.cost || item.value || 0
  }));

  let total = 0;
  for (const item of normalizedItems) {
    // See juurdepääs on monomorfne!
    total += item.price;
  }
  return total;
}

            

              
                Copy
              
            
          

4. Ärge muutke kujundeid pärast loomist (eriti funktsiooniga `delete`)

Omaduste lisamine või eemaldamine objektilt pärast selle loomist sunnib varjatud klassi muutma. Selle tegemine kuuma funktsiooni sees võib optimeerijat segadusse ajada. Märksõna `delete` on eriti problemaatiline, kuna see võib sundida V8 lülitama objekti tagavaramälu aeglasemale 'sõnastikurežiimile', mis tühistab kõik selle objekti varjatud klassi optimeerimised.

Kui teil on vaja omadus 'eemaldada', on jõudluse jaoks peaaegu alati parem määrata selle väärtuseks `null` või `undefined` selle asemel, et kasutada `delete`.

Järeldus: partnerlus mootoriga

V8 JavaScripti mootor on kaasaegse kompileerimistehnoloogia ime. Selle võime võtta dünaamiline, paindlik keel ja käivitada see peaaegu algse kiirusega on tunnistus sellistest optimeerimistest nagu Inline-vahemälu. Mõistes omaduste juurdepääsu teekonda – initsialiseerimata olekust kuni kõrgelt optimeeritud monomorfse olekuni, läbi praktilise polümorfse oleku ja lõpuks aeglase megamorfse varunduseni – saame arendajatena kirjutada koodi, mis töötab koos mootoriga, mitte selle vastu.

Te ei pea nende mikrooptimeerimiste pärast igas koodireas obsessiivselt muretsema. Kuid teie rakenduse jõudluskriitiliste teede jaoks – kood, mis töötab tuhandeid kordi sekundis – on need põhimõtted ülimalt olulised. Soovitades monomorfismi järjepideva objektide lähtestamise kaudu ja olles teadlik polümorfismi astmest, mida te tutvustate, saate pakkuda V8 JIT kompilaatorile stabiilseid, prognoositavaid mustreid, mida ta vajab oma täieliku optimeerimisvõimsuse vallandamiseks. Tulemuseks on kiirem, tõhusam rakendus, mis pakub paremat kogemust kasutajatele kogu maailmas.