JavaScript'i mootori sisemised toimingud: V8 optimeerimine ja JIT-kompileerimine

JavaScript, kõikjalolev veebikeel, võlgneb oma jõudluse JavaScripti mootorite keerukale toimimisele. Nende seas paistab silma Google'i V8 mootor, mis on Chrome'i ja Node.js-i jõuallikaks ning mõjutab teiste mootorite, nagu JavaScriptCore (Safari) ja SpiderMonkey (Firefox), arengut. V8 sisemiste toimingute – eriti selle optimeerimisstrateegiate ja Just-In-Time (JIT) kompileerimise – mõistmine on ülioluline igale JavaScripti arendajale, kes soovib kirjutada jõudluselt head koodi. See artikkel annab põhjaliku ülevaate V8 arhitektuurist ja optimeerimistehnikatest, mis on kohaldatav ülemaailmsele veebiarendajate publikule.

Sissejuhatus JavaScripti mootoritesse

JavaScripti mootor on programm, mis käivitab JavaScripti koodi. See on sild inimloetava JavaScripti, mida me kirjutame, ja masinkoodi vahel, mida arvuti mõistab. Peamised funktsioonid on järgmised:

• Parsimine: JavaScripti koodi teisendamine abstraktseks süntaksipuuks (AST).
• Kompileerimine/Interpreteerimine: AST teisendamine masinkoodiks või baidikoodiks.
• Käivitamine: Genereeritud koodi käitamine.
• Mäluhaldus: Mäluruumi eraldamine ja vabastamine muutujate ja andmestruktuuride jaoks (prügikoristus).

V8, nagu ka teised kaasaegsed mootorid, kasutab mitmetasandilist lähenemist, kombineerides interpreteerimist JIT-kompileerimisega optimaalse jõudluse saavutamiseks. See võimaldab kiiret esialgset käivitamist ja sageli kasutatavate koodilõikude (kuumade kohtade) hilisemat optimeerimist.

V8 arhitektuur: kõrgetasemeline ülevaade

V8 arhitektuuri võib laias laastus jagada järgmisteks komponentideks:

• Parser: Teisendab JavaScripti lähtekoodi abstraktseks süntaksipuuks (AST). V8 parser on üsna keerukas, käsitledes tõhusalt erinevaid ECMAScripti standardeid.
• Ignition: Interpretaator, mis võtab AST ja genereerib baidikoodi. Baidikood on vahepealne esitus, mida on lihtsam käivitada kui algset JavaScripti koodi.
• TurboFan: V8 optimeeriv kompilaator. TurboFan võtab Ignitioni genereeritud baidikoodi ja tõlgib selle kõrgelt optimeeritud masinkoodiks.
• Orinoco: V8 prügikoristaja, mis vastutab mälu automaatse haldamise ja kasutamata mälu vabastamise eest.

Protsess kulgeb üldiselt järgmiselt: JavaScripti kood parsitakse AST-ks. Seejärel suunatakse AST Ignitionisse, mis genereerib baidikoodi. Baidikoodi käivitab esialgu Ignition. Käivitamise ajal kogub Ignition profileerimisandmeid. Kui koodilõiku (funktsiooni) käivitatakse sageli, peetakse seda "kuumaks kohaks". Seejärel annab Ignition baidikoodi ja profileerimisandmed üle TurboFanile. TurboFan kasutab seda teavet optimeeritud masinkoodi genereerimiseks, asendades baidikoodi järgmistel käivitamistel. See "Just-In-Time" kompileerimine võimaldab V8-l saavutada peaaegu natiivse jõudluse.

Just-In-Time (JIT) kompileerimine: optimeerimise süda

JIT-kompileerimine on dünaamiline optimeerimistehnika, kus kood kompileeritakse käitusajal, mitte enne seda. V8 kasutab JIT-kompileerimist, et analüüsida ja optimeerida sageli käivitatavat koodi (kuumi kohti) lennult. See protsess hõlmab mitut etappi:

1. Profileerimine ja kuumade kohtade tuvastamine

Mootor profileerib pidevalt käimasolevat koodi, et tuvastada kuumad kohad – funktsioonid või koodilõigud, mida käivitatakse korduvalt. Need profileerimisandmed on JIT-kompilaatori optimeerimispüüdluste suunamiseks üliolulised.

2. Optimeeriv kompilaator (TurboFan)

TurboFan võtab Ignitionilt baidikoodi ja profileerimisandmed ning genereerib optimeeritud masinkoodi. TurboFan rakendab erinevaid optimeerimistehnikaid, sealhulgas:

• Inline-vahemälu: Kasutab ära tähelepanekut, et objekti omadustele pääsetakse sageli korduvalt samal viisil juurde.
• Peidetud klassid (või kujud): Optimeerib objektide omadustele juurdepääsu objektide struktuuri alusel.
• Inlainimine: Asendab funktsioonikutsed tegeliku funktsioonikoodiga, et vähendada üldkulusid.
• Tsükli optimeerimine: Optimeerib tsüklite täitmist parema jõudluse saavutamiseks.
• Deoptimeerimine: Kui optimeerimise ajal tehtud eeldused muutuvad kehtetuks (nt muutuja tüüp muutub), visatakse optimeeritud kood ära ja mootor naaseb interpretaatori juurde.

V8 peamised optimeerimistehnikad

Süveneme mõnedesse olulisematesse optimeerimistehnikatesse, mida V8 kasutab:

1. Inline-vahemälu

Inline-vahemälu on dünaamiliste keelte, nagu JavaScript, jaoks ülioluline optimeerimistehnika. See kasutab ära asjaolu, et teatud koodikohas kasutatava objekti tüüp jääb sageli mitme käivitamise jooksul samaks. V8 salvestab omaduste otsingute tulemused (nt omaduse mäluaadress) funktsiooni sees olevasse inline-vahemällu. Järgmine kord, kui sama kood käivitatakse sama tüüpi objektiga, saab V8 omaduse kiiresti vahemälust kätte, vältides aeglasemat omaduste otsimise protsessi. Näiteks:

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

let myObj = { x: 10 };
getProperty(myObj); // Esimene käivitamine: omaduse otsing, vahemälu täidetakse
getProperty(myObj); // Järgmised käivitamised: vahemälu tabamus, kiirem juurdepääs

            

              
                Copy
              
            
          

Kui `obj` tüüp muutub (nt `obj` saab väärtuseks `{ y: 20 }`), siis inline-vahemälu tühistatakse ja omaduste otsimise protsess algab uuesti. See rõhutab järjepidevate objektikujude säilitamise tähtsust (vt allpool Peidetud klassid).

2. Peidetud klassid (kujud)

Peidetud klassid (tuntud ka kui kujud) on V8 optimeerimisstrateegia põhimõiste. JavaScript on dünaamiliselt tüübitud keel, mis tähendab, et objekti tüüp võib käitusajal muutuda. Siiski jälgib V8 objektide *kuju*, mis viitab nende omaduste järjekorrale ja tüüpidele. Sama kujuga objektid jagavad sama peidetud klassi. See võimaldab V8-l optimeerida omadustele juurdepääsu, salvestades iga omaduse nihke objekti mälupaigutuses peidetud klassi. Omadusele juurdepääsemisel saab V8 kiiresti nihke peidetud klassist kätte ja pääseb omadusele otse juurde, ilma et peaks tegema kulukat omaduste otsingut.

Näiteks:

            function Point(x, y) {
  this.x = x;
  this.y = y;
}

let p1 = new Point(1, 2);
let p2 = new Point(3, 4);

            

              
                Copy
              
            
          

Nii `p1` kui ka `p2` omavad algselt sama peidetud klassi, kuna need on loodud sama konstruktoriga ja neil on samad omadused samas järjekorras. Kui me seejärel lisame omaduse objektile `p1` pärast selle loomist:

            p1.z = 5;

            

              
                Copy
              
            
          

`p1` läheb üle uude peidetud klassi, kuna selle kuju on muutunud. See võib viia deoptimeerimiseni ja aeglasema omadustele juurdepääsuni, kui `p1` ja `p2` kasutatakse koos samas koodis. Selle vältimiseks on parim tava lähtestada kõik objekti omadused selle konstruktoris.

3. Inlainimine

Inlainimine on protsess, kus funktsioonikutse asendatakse funktsiooni enda kehaga. See kõrvaldab funktsioonikutsetega seotud üldkulud (nt uue stack frame'i loomine, registrite salvestamine), mis toob kaasa parema jõudluse. V8 inlainib agressiivselt väikeseid, sageli kutsutavaid funktsioone. Kuid liigne inlainimine võib suurendada koodi suurust, mis võib potentsiaalselt põhjustada vahemälu möödalaskmisi ja vähendada jõudlust. V8 tasakaalustab hoolikalt inlainimise eeliseid ja puudusi, et saavutada optimaalne jõudlus.

Näiteks:

            function add(a, b) {
  return a + b;
}

function calculate(x, y) {
  return add(x, y) * 2;
}

            

              
                Copy
              
            
          

V8 võib inlainida funktsiooni `add` funktsiooni `calculate` sisse, mille tulemuseks on:

            function calculate(x, y) {
  return (a + b) * 2; // 'add' funktsioon on inlainitud
}

            

              
                Copy
              
            
          

4. Tsükli optimeerimine

Tsüklid on JavaScripti koodis tavaline jõudluse kitsaskoht. V8 kasutab tsüklite täitmise optimeerimiseks erinevaid tehnikaid, sealhulgas:

• Lahtikerimine (Unrolling): Tsükli keha mitmekordne kordamine, et vähendada tsükli iteratsioonide arvu.
• Induktsioonmuutujate elimineerimine: Tsükli induktsioonmuutujate (muutujad, mida igas iteratsioonis suurendatakse või vähendatakse) asendamine tõhusamate avaldistega.
• Tugevuse vähendamine (Strength Reduction): Kulukate operatsioonide (nt korrutamine) asendamine odavamate operatsioonidega (nt liitmine).

Näiteks vaatleme seda lihtsat tsüklit:

            for (let i = 0; i < 10; i++) {
  sum += i;
}

            

              
                Copy
              
            
          

V8 võib selle tsükli lahti kerida, mille tulemuseks on:

            sum += 0;
sum += 1;
sum += 2;
sum += 3;
sum += 4;
sum += 5;
sum += 6;
sum += 7;
sum += 8;
sum += 9;

            

              
                Copy
              
            
          

See kõrvaldab tsükli üldkulud, mis viib kiirema täitmiseni.

5. Prügikoristus (Orinoco)

Prügikoristus on protsess, mille käigus vabastatakse automaatselt mälu, mida programm enam ei kasuta. V8 prügikoristaja Orinoco on generatsiooniline, paralleelne ja samaaegne prügikoristaja. See jaotab mälu erinevateks generatsioonideks (noor generatsioon ja vana generatsioon) ning kasutab iga generatsiooni jaoks erinevaid kogumisstrateegiaid. See võimaldab V8-l mälu tõhusalt hallata ja minimeerida prügikoristuse mõju rakenduse jõudlusele. Heade kodeerimistavade kasutamine objektide loomise minimeerimiseks ja mälulekete vältimiseks on optimaalse prügikoristuse jõudluse jaoks ülioluline. Objektid, millele enam ei viidata, on prügikoristuse kandidaadid, vabastades mälu rakenduse jaoks.

Jõudluselt hea JavaScripti kirjutamine: parimad tavad V8 jaoks

V8 optimeerimistehnikate mõistmine võimaldab arendajatel kirjutada JavaScripti koodi, mida mootor tõenäolisemalt optimeerib. Siin on mõned parimad tavad, mida järgida:

• Säilitage järjepidevaid objektikujusid: Lähtestage kõik objekti omadused selle konstruktoris ja vältige omaduste dünaamilist lisamist või kustutamist pärast objekti loomist.
• Kasutage järjepidevaid andmetüüpe: Vältige muutujate tüübi muutmist käitusajal. See võib viia deoptimeerimiseni ja aeglasema täitmiseni.
• Vältige `eval()` ja `with()` kasutamist: Need funktsioonid võivad raskendada V8-l teie koodi optimeerimist.
• Minimeerige DOM-i manipuleerimist: DOM-i manipuleerimine on sageli jõudluse kitsaskoht. Salvestage DOM-i elemendid vahemällu ja minimeerige DOM-i uuenduste arvu.
• Kasutage tõhusaid andmestruktuure: Valige ülesande jaoks õige andmestruktuur. Näiteks kasutage `Set` ja `Map` tavaliste objektide asemel unikaalsete väärtuste ja võtme-väärtuse paaride salvestamiseks.
• Vältige tarbetute objektide loomist: Objekti loomine on suhteliselt kulukas operatsioon. Taaskasutage olemasolevaid objekte, kui vähegi võimalik.
• Kasutage ranget režiimi (strict mode): Range režiim aitab vältida levinud JavaScripti vigu ja võimaldab täiendavaid optimeerimisi.
• Profileerige ja testige oma koodi: Kasutage Chrome DevTools'i või Node.js-i profileerimisvahendeid, et tuvastada jõudluse kitsaskohad ja mõõta oma optimeerimiste mõju.
• Hoidke funktsioonid väikesed ja fokusseeritud: Väiksemaid funktsioone on mootoril lihtsam inlainida.
• Olge teadlik tsükli jõudlusest: Optimeerige tsükleid, minimeerides tarbetuid arvutusi ja vältides keerulisi tingimusi.

V8 koodi silumine ja profileerimine

Chrome DevTools pakub võimsaid tööriistu V8-s töötava JavaScripti koodi silumiseks ja profileerimiseks. Peamised funktsioonid on järgmised:

• JavaScripti profiler: Võimaldab salvestada JavaScripti funktsioonide täitmisaega ja tuvastada jõudluse kitsaskohad.
• Mälu profiler: Aitab tuvastada mälulekkeid ja jälgida mälukasutust.
• Silur (Debugger): Võimaldab teil oma koodi samm-sammult läbida, seada katkestuspunkte ja kontrollida muutujaid.

Nende tööriistade abil saate väärtuslikku teavet selle kohta, kuidas V8 teie koodi täidab, ja tuvastada optimeerimisvaldkondi. Mootori toimimise mõistmine aitab arendajatel kirjutada optimeeritumat koodi.

V8 ja teised JavaScripti mootorid

Kuigi V8 on domineeriv jõud, kasutavad ka teised JavaScripti mootorid, nagu JavaScriptCore (Safari) ja SpiderMonkey (Firefox), keerukaid optimeerimistehnikaid, sealhulgas JIT-kompileerimist ja inline-vahemälu. Kuigi konkreetsed implementatsioonid võivad erineda, on aluspõhimõtted sageli sarnased. Selles artiklis käsitletud üldiste kontseptsioonide mõistmine on kasulik sõltumata konkreetsest JavaScripti mootorist, millel teie kood töötab. Paljud optimeerimistehnikad, nagu järjepidevate objektikujude kasutamine ja tarbetute objektide loomise vältimine, on universaalselt kohaldatavad.

V8 ja JavaScripti optimeerimise tulevik

V8 areneb pidevalt, arendatakse uusi optimeerimistehnikaid ja täiustatakse olemasolevaid. V8 meeskond töötab pidevalt jõudluse parandamise, mälutarbimise vähendamise ja üldise JavaScripti täitmiskeskkonna täiustamise nimel. Viimaste V8 väljalasete ja V8 meeskonna blogipostitustega kursis olemine võib anda väärtuslikku teavet JavaScripti optimeerimise tulevikusuundade kohta. Lisaks loovad uuemad ECMAScripti funktsioonid sageli võimalusi mootoritasemel optimeerimiseks.

Kokkuvõte

JavaScripti mootorite, nagu V8, sisemiste toimingute mõistmine on jõudluselt hea JavaScripti koodi kirjutamiseks hädavajalik. Mõistes, kuidas V8 optimeerib koodi JIT-kompileerimise, inline-vahemälu, peidetud klasside ja muude tehnikate abil, saavad arendajad kirjutada koodi, mida mootor tõenäolisemalt optimeerib. Parimate tavade järgimine, nagu järjepidevate objektikujude säilitamine, järjepidevate andmetüüpide kasutamine ja DOM-i manipuleerimise minimeerimine, võib teie JavaScripti rakenduste jõudlust oluliselt parandada. Chrome DevTools'is saadaolevate silumis- ja profileerimisvahendite kasutamine võimaldab teil saada teavet selle kohta, kuidas V8 teie koodi täidab, ja tuvastada optimeerimisvaldkondi. V8 ja teiste JavaScripti mootorite pideva arenguga on viimaste optimeerimistehnikatega kursis olemine arendajatele ülioluline, et pakkuda kasutajatele üle maailma kiireid ja tõhusaid veebikogemusi.