Virtuaalmasinad: JavaScripti mootori siseelu demüstifitseerimine

JavaScript, kõikjal levinud keel, mis paneb veebi tööle, tugineb koodi tõhusaks täitmiseks keerukatele mootoritele. Nende mootorite südames on virtuaalmasina (VM) kontseptsioon. Nende VM-ide toimimise mõistmine võib anda väärtuslikke teadmisi JavaScripti jõudlusomaduste kohta ja võimaldada arendajatel kirjutada optimeeritumat koodi. See juhend annab põhjaliku ülevaate JavaScripti VM-ide arhitektuurist ja toimimisest.

Mis on virtuaalmasin?

Põhimõtteliselt on virtuaalmasin tarkvaras rakendatud abstraktne arvuti arhitektuur. See pakub keskkonda, mis võimaldab teatud keeles (nagu JavaScript) kirjutatud programmidel töötada sõltumatult aluseks olevast riistvarast. See isoleeritus võimaldab teisaldatavust, turvalisust ja tõhusat ressursside haldamist.

Mõelge sellele nii: saate VM-i abil macOS-is käivitada Windowsi operatsioonisüsteemi. Samamoodi võimaldab JavaScripti mootori VM JavaScripti koodi käivitada igal platvormil, kuhu see mootor on installitud (brauserid, Node.js jne).

JavaScripti täitmisprotsess: lähtekoodist täitmiseni

JavaScripti koodi teekond algsest olekust kuni VM-is täitmiseni hõlmab mitut olulist etappi:

1. Parsimine: Mootor parsib kõigepealt JavaScripti koodi, jagades selle struktureeritud esituseks, mis on tuntud kui abstraktne süntaksipuu (AST). See puu peegeldab koodi süntaktilist struktuuri.
2. Kompileerimine/Tõlgendamine: Seejärel töödeldakse AST-d. Kaasaegsed JavaScripti mootorid kasutavad hübriidset lähenemist, kasutades nii tõlgendamis- kui ka kompileerimistehnikaid.
3. Täitmine: Kompileeritud või tõlgendatud kood täidetakse VM-is.
4. Optimeerimine: Koodi töötamise ajal jälgib mootor pidevalt jõudlust ja rakendab optimeerimisi täitmiskiiruse parandamiseks.

Tõlgendamine vs kompileerimine

Ajalooliselt tuginesid JavaScripti mootorid peamiselt tõlgendamisele. Tõlgid töötlevad koodi rida-realt, tõlkides ja käivitades iga juhise järjestikku. See lähenemisviis pakub kiireid käivitusajad, kuid võib põhjustada aeglasemaid täitmiskiirusi võrreldes kompileerimisega. Teisest küljest hõlmab kompileerimine kogu lähtekoodi tõlkimist masinakoodiks (või vahepealseks esituseks) enne täitmist. See tagab kiirema täitmise, kuid toob kaasa kõrgemad käivitamiskulud.

Kaasaegsed mootorid kasutavad Just-In-Time (JIT) kompileerimisstrateegiat, mis ühendab mõlema lähenemisviisi eelised. JIT-kompilaatorid analüüsivad koodi käitamise ajal ja kompileerivad sageli täidetud sektsioonid (kuumad kohad) optimeeritud masinakoodiks, suurendades oluliselt jõudlust. Mõelge tsüklile, mis töötab tuhandeid kordi – JIT-kompilaator võib seda tsüklit optimeerida pärast seda, kui seda on paar korda täidetud.

JavaScripti virtuaalmasina põhikomponendid

JavaScripti VM-id koosnevad tavaliselt järgmistest olulistest komponentidest:

• Parser: Vastutab JavaScripti lähtekoodi teisendamise eest AST-ks.
• Tõlkija: Käivitab AST-i otse või tõlgib selle baitkoodiks.
• Kompileerija (JIT): Kompileerib sageli täidetud koodi optimeeritud masinakoodiks.
• Optimeerija: Teeb mitmesuguseid optimeerimisi koodi jõudluse parandamiseks (nt funktsioonide sisestamine, surnud koodi elimineerimine).
• Prügikoristaja: Haldab automaatselt mälu, vabastades objekte, mis ei ole enam kasutuses.
• Käitamissüsteem: Pakub olulisi teenuseid täitmiskeskkonnale, näiteks juurdepääs DOM-ile (brauserites) või failisüsteemile (Node.js-is).

Populaarsed JavaScripti mootorid ja nende arhitektuurid

Mitmed populaarsed JavaScripti mootorid toetavad brausereid ja muid käitamiskeskkondi. Igal mootoril on oma ainulaadne arhitektuur ja optimeerimistehnikad.

V8 (Chrome, Node.js)

Google'i arendatud V8 on üks laialdasemalt kasutatavaid JavaScripti mootoreid. See kasutab täielikku JIT-kompilaatorit, kompileerides algselt JavaScripti koodi masinakoodiks. V8 hõlmab ka selliseid tehnikaid nagu sisseehitatud vahemälu ja peidetud klassid objektide omadustele juurdepääsu optimeerimiseks. V8 kasutab kahte kompilaatorit: Full-codegen (algne kompilaator, mis toodab suhteliselt aeglast, kuid usaldusväärset koodi) ja Crankshaft (optimeeriv kompilaator, mis genereerib väga optimeeritud koodi). Hiljuti tutvustas V8 TurboFan-i, veelgi arenenumat optimeerivat kompilaatorit.

V8 arhitektuur on väga optimeeritud kiiruse ja mälu efektiivsuse tagamiseks. See kasutab täiustatud prügikoristusalgoritme mälu lekete minimeerimiseks ja jõudluse parandamiseks. V8 jõudlus on oluline nii brauseri jõudluse kui ka Node.js serveripoolsete rakenduste jaoks. Näiteks keerukad veebirakendused nagu Google Docs tuginevad suuresti V8 kiirusele, et tagada reageerimisvõimeline kasutuskogemus. Node.js kontekstis võimaldab V8 efektiivsus hallata tuhandeid samaaegseid päringuid skaleeritavates veebiserverites.

SpiderMonkey (Firefox)

Mozilla arendatud SpiderMonkey on mootor, mis toetab Firefoxi. See on hübriidmootor, millel on nii tõlkija kui ka mitu JIT-kompilaatorit. SpiderMonkey'l on pikk ajalugu ja see on aastate jooksul oluliselt arenenud. Ajalooliselt kasutas SpiderMonkey tõlkijat ja seejärel IonMonkey-d (JIT-kompilaator). Praegu kasutab SpiderMonkey kaasaegsemat arhitektuuri, millel on mitu JIT-kompileerimise taset.

SpiderMonkey on tuntud oma keskendumise poolest standarditele vastavusele ja turvalisusele. See sisaldab tugevaid turvaelemente, et kaitsta kasutajaid pahatahtliku koodi eest. Selle arhitektuur seab esikohale ühilduvuse säilitamise olemasolevate veebistandarditega, lisades samal ajal kaasaegseid jõudluse optimeerimisi. Mozilla investeerib pidevalt SpiderMonkey-sse, et parandada selle jõudlust ja turvalisust, tagades, et Firefox jääb konkurentsivõimeliseks brauseriks. Euroopa pank, kes kasutab Firefoxi sisekasutuseks, võib hinnata SpiderMonkey turvaelemente tundlike finantsandmete kaitsmiseks.

JavaScriptCore (Safari)

JavaScriptCore, tuntud ka kui Nitro, on mootor, mida kasutatakse Safaris ja muudes Apple'i toodetes. See on veel üks mootor, millel on JIT-kompilaator. JavaScriptCore kasutab masinakoodi genereerimiseks oma tagaküljena LLVM-i (Low Level Virtual Machine), mis võimaldab suurepärast optimeerimist. Ajalooliselt kasutas JavaScriptCore SquirrelFish Extreme'i, JIT-kompilaatori varajast versiooni.

JavaScriptCore on tihedalt seotud Apple'i ökosüsteemiga ja on tugevalt optimeeritud Apple'i riistvara jaoks. See rõhutab energiatõhusust, mis on oluline selliste mobiilseadmete puhul nagu iPhone'id ja iPadid. Apple täiustab pidevalt JavaScriptCore'i, et tagada sujuv ja reageerimisvõimeline kasutuskogemus oma seadmetes. JavaScriptCore'i optimeerimised on eriti olulised ressursimahukate ülesannete puhul, nagu keeruka graafika renderdamine või suurte andmekogumite töötlemine. Mõelge mängule, mis töötab sujuvalt iPadis; see on osaliselt tingitud JavaScriptCore'i tõhusast jõudlusest. Ettevõte, mis arendab liitreaalsuse rakendusi iOS-ile, saaks kasu JavaScriptCore'i riistvarateadlikest optimeerimistest.

Baitkood ja vahepealne esitus

Paljud JavaScripti mootorid ei tõlgi AST-d otse masinakoodiks. Selle asemel genereerivad nad vahepealse esituse, mida nimetatakse baitkoodiks. Baitkood on madala taseme, platvormist sõltumatu koodi esitus, mida on lihtsam optimeerida ja käivitada kui originaalset JavaScripti lähtekoodi. Seejärel täidab tõlkija või JIT-kompilaator baitkoodi.

Baitkoodi kasutamine võimaldab suuremat teisaldatavust, kuna sama baitkoodi saab käivitada erinevatel platvormidel, ilma et oleks vaja uuesti kompileerida. Samuti lihtsustab see JIT-kompileerimise protsessi, kuna JIT-kompilaator saab töötada koodi struktureerituma ja optimeerituma esitusega.

Täitmiskontekstid ja kõnekuhi

JavaScripti kood käivitatakse täitmiskontekstis, mis sisaldab kogu vajalikku teavet koodi käivitamiseks, sealhulgas muutujad, funktsioonid ja ulatuseahel. Kui funktsioon kutsutakse, luuakse uus täitmiskontekst ja lükatakse kõnekuhi peale. Kõnekuhi säilitab funktsioonide kutsete järjekorra ja tagab, et funktsioonid naasevad õigesse kohta, kui need lõpetavad täitmise.

Kõnekuhi mõistmine on JavaScripti koodi silumisel ülioluline. Kui ilmneb viga, annab kõnekuhi jälje funktsioonikutest, mis viisid veani, aidates arendajatel probleemi allikat täpselt kindlaks määrata.

Prügikoristus

JavaScript kasutab automaatset mäluhaldust prügikoristaja (GC) kaudu. GC taastab automaatselt mälu, mida hõivavad objektid, mis ei ole enam kättesaadavad või kasutuses. See hoiab ära mälu lekked ja lihtsustab arendajate jaoks mäluhaldust. Kaasaegsed JavaScripti mootorid kasutavad keerukaid GC-algoritme pauside minimeerimiseks ja jõudluse parandamiseks. Erinevad mootorid kasutavad erinevaid GC-algoritme, nagu märk-ja-pühkimine või põlvkondlik prügikoristus. Näiteks põlvkondlik GC kategoriseerib objekte vanuse järgi, kogudes nooremaid objekte sagedamini kui vanemaid objekte, mis kipub olema tõhusam.

Kuigi prügikoristaja automatiseerib mäluhaldust, on siiski oluline olla JavaScripti koodis mälukasutuse suhtes teadlik. Suurte objektide hulga loomine või objektide kauem kui vajalik hoidmine võib koormata GC-d ja mõjutada jõudlust.

JavaScripti jõudluse optimeerimistehnikad

JavaScripti mootorite toimimise mõistmine võib arendajaid suunata optimeerituma koodi kirjutamisel. Siin on mõned peamised optimeerimistehnikad:

• Vältige globaalseid muutujaid: Globaalsed muutujad võivad aeglustada omaduste otsinguid.
• Kasutage lokaalseid muutujaid: Lokaalsetele muutujatele pääseb juurde kiiremini kui globaalsetele muutujatele.
• Minimeerige DOM-i manipuleerimist: DOM-i toimingud on kallid. Pakk-värskendusi alati, kui võimalik.
• Optimeerige tsükleid: Kasutage tõhusaid tsüklite struktuure ja minimeerige arvutusi tsüklites.
• Kasutage memoiseerimist: Puhverdage kallite funktsioonikutsete tulemused, et vältida üleliigseid arvutusi.
• Profeteerige oma koodi: Kasutage profileerimisvahendeid jõudluse kitsaskohtade tuvastamiseks.

Näiteks kaaluge stsenaariumi, kus peate veebilehel värskendama mitut elementi. Selle asemel, et iga elementi eraldi värskendada, koondage värskendused üheks DOM-i toiminguks, et minimeerida üldkulusid. Samamoodi proovige keeruliste arvutuste tegemisel tsüklis eelnevalt arvutada kõik väärtused, mis püsivad tsükli jooksul muutumatuna, et vältida üleliigseid arvutusi.

Tööriistad JavaScripti jõudluse analüüsimiseks

Arendajatel on saadaval mitu tööriista, mis aitavad analüüsida JavaScripti jõudlust ja kitsaskohti tuvastada:

• Brauseri arendaja tööriistad: Enamik brausereid sisaldab sisseehitatud arendaja tööriistu, mis pakuvad profileerimisvõimalusi, võimaldades mõõta koodi erinevate osade täitmisaega.
• Lighthouse: Google'i tööriist, mis auditeerib veebilehti jõudluse, juurdepääsetavuse ja muude parimate tavade osas.
• Node.js profiler: Node.js pakub sisseehitatud profilerit, mida saab kasutada serveripoolse JavaScripti koodi jõudluse analüüsimiseks.

JavaScripti mootori arendamise tulevikutrendid

JavaScripti mootori arendamine on pidev protsess, kus püütakse pidevalt parandada jõudlust, turvalisust ja standarditele vastavust. Mõned peamised suundumused hõlmavad:

• WebAssembly (Wasm): Binaarne juhiste vorming koodi käivitamiseks veebis. Wasm võimaldab arendajatel kirjutada koodi teistes keeltes (nt C++, Rust) ja kompileerida selle Wasm-ks, mida saab seejärel brauseris käivitada peaaegu algse jõudlusega.
• Astmeline kompileerimine: Mitme JIT-kompileerimise taseme kasutamine, kus iga tase rakendab üha agressiivsemaid optimeerimisi.
• Täiustatud prügikoristus: Tõhusamate ja vähem pealetükkivate prügikoristusalgoritmide arendamine.
• Riistvaraline kiirendus: Riistvara funktsioonide (nt SIMD-juhised) kasutamine JavaScripti täitmise kiirendamiseks.

Eelkõige WebAssembly esindab olulist nihet veebiarenduses, võimaldades arendajatel tuua suure jõudlusega rakendusi veebiplatvormile. Mõelge keerukatele 3D-mängudele või CAD-tarkvarale, mis töötab otse brauseris, tänu WebAssembly'le.

Kokkuvõte

JavaScripti mootorite sisemise toimimise mõistmine on iga tõsise JavaScripti arendaja jaoks ülioluline. Mõistes virtuaalmasinate, JIT-kompileerimise, prügikoristuse ja optimeerimistehnikate kontseptsioone, saavad arendajad kirjutada tõhusamat ja jõudluses paremat koodi. Kuna JavaScript areneb edasi ja paneb üha keerukamaid rakendusi tööle, muutub selle aluseks oleva arhitektuuri sügav mõistmine veelgi väärtuslikumaks. Ükskõik, kas ehitate veebirakendusi ülemaailmsele publikule, arendate serveripoolseid rakendusi Node.js-iga või loote JavaScriptiga interaktiivseid kogemusi, suurendab JavaScripti mootori siseehituse tundmine kahtlemata teie oskusi ja võimaldab teil luua paremat tarkvara.

Jätkake uurimist, katsetamist ja JavaScriptiga võimaliku piiride nihutamist!