ادغام جمع‌آوری زباله WebAssembly: حافظه مدیریت شده و شمارش ارجاع برای زمان اجرای جهانی

وب‌اسمبلی (Wasm) به عنوان یک فناوری پیشگام ظهور کرده است و به توسعه‌دهندگان امکان می‌دهد تا کد نوشته شده به زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف را با سرعت نزدیک به نیتیو در مرورگرهای وب و فراتر از آن اجرا کنند. در حالی که طراحی اولیه آن بر کنترل سطح پایین و عملکرد قابل پیش‌بینی تمرکز داشت، ادغام جمع‌آوری زباله (GC) نشان‌دهنده تکامل قابل توجهی است. این قابلیت پتانسیل طیف وسیع‌تری از زبان‌های برنامه‌نویسی را برای هدف قرار دادن Wasm باز می‌کند، در نتیجه دسترسی آن را برای ساخت برنامه‌های پیچیده و ایمن از نظر حافظه در یک چشم‌انداز جهانی گسترش می‌دهد. این پست به مفاهیم اصلی حافظه مدیریت شده و شمارش ارجاع در WebAssembly GC می‌پردازد و زیربنای فنی آن‌ها و تأثیرشان بر آینده توسعه نرم‌افزار بین پلتفرمی را بررسی می‌کند.

نیاز به حافظه مدیریت شده در WebAssembly

از نظر تاریخی، WebAssembly بر اساس یک مدل حافظه خطی عمل می‌کرد. توسعه‌دهندگان، یا کامپایلرهایی که Wasm را هدف قرار می‌دادند، مسئول مدیریت دستی حافظه بودند. این رویکرد کنترل دقیق و عملکرد قابل پیش‌بینی را ارائه می‌داد که برای برنامه‌های حساس به عملکرد مانند موتورهای بازی یا شبیه‌سازی‌های علمی حیاتی است. با این حال، این همچنین خطرات ذاتی مرتبط با مدیریت دستی حافظه را معرفی کرد: نشت حافظه، اشاره‌گرهای خراب و سرریز بافر. این مشکلات می‌توانند منجر به ناپایداری برنامه، آسیب‌پذیری‌های امنیتی و فرآیند توسعه پیچیده‌تر شوند.

با گسترش موارد استفاده WebAssembly فراتر از دامنه اولیه آن، تقاضای فزاینده‌ای برای پشتیبانی از زبان‌هایی که به مدیریت خودکار حافظه متکی هستند، به وجود آمد. زبان‌هایی مانند جاوا، پایتون، سی‌شارپ و جاوا اسکریپت، با جمع‌آوری زباله داخلی خود، کامپایل کردن کارآمد و ایمن به یک محیط Wasm ناامن از نظر حافظه را چالش‌برانگیز یافتند. ادغام GC در مشخصات WebAssembly به این محدودیت اساسی رسیدگی می‌کند.

درک WebAssembly GC

پیشنهاد WebAssembly GC مجموعه‌ای جدید از دستورالعمل‌ها و یک مدل حافظه ساختاریافته را معرفی می‌کند که امکان مدیریت مقادیری را که می‌توانند به طور غیرمستقیم ارجاع شوند، فراهم می‌کند. این بدان معناست که Wasm اکنون می‌تواند زبان‌هایی را که از اشیاء تخصیص یافته در هیپ استفاده می‌کنند و نیاز به آزادسازی خودکار دارند، میزبانی کند. پیشنهاد GC یک الگوریتم جمع‌آوری زباله واحد را دیکته نمی‌کند، بلکه چارچوبی را فراهم می‌کند که می‌تواند از پیاده‌سازی‌های مختلف GC، از جمله آن‌هایی که بر اساس شمارش ارجاع و جمع‌آوری زباله ردیابی هستند، پشتیبانی کند.

در هسته خود، Wasm GC امکان تعریف انواع را که می‌توانند در هیپ قرار گیرند، فعال می‌کند. این انواع می‌توانند شامل ساختارهای داده شبیه ساختار با فیلدها، ساختارهای داده شبیه آرایه و سایر انواع داده پیچیده باشند. مهمتر از آن، این انواع می‌توانند شامل ارجاعاتی به مقادیر دیگر باشند و پایه‌ای برای گراف‌های شیء که GC می‌تواند پیمایش و مدیریت کند، تشکیل دهند.

مفاهیم کلیدی در Wasm GC:

• انواع مدیریت شده: انواع جدیدی برای نمایش اشیاء مدیریت شده توسط GC معرفی می‌شوند. این انواع از انواع اولیه موجود (مانند اعداد صحیح و ممیز شناور) متمایز هستند.
• انواع ارجاع: قابلیت ذخیره ارجاعات (اشاره‌گرها) به اشیاء مدیریت شده در سایر اشیاء مدیریت شده.
• تخصیص هیپ: دستورالعمل‌هایی برای تخصیص حافظه در یک هیپ مدیریت شده، جایی که اشیاء مدیریت شده توسط GC قرار دارند.
• عملیات GC: دستورالعمل‌هایی برای تعامل با GC، مانند ایجاد اشیاء، خواندن/نوشتن فیلدها، و سیگنال دادن به GC در مورد استفاده از اشیاء.

شمارش ارجاع: یک استراتژی برجسته GC برای Wasm

در حالی که مشخصات Wasm GC انعطاف‌پذیر است، شمارش ارجاع به عنوان یک استراتژی به ویژه مناسب و اغلب مورد بحث برای ادغام آن ظهور کرده است. شمارش ارجاع یک تکنیک مدیریت حافظه است که در آن هر شیء دارای یک شمارنده مرتبط با آن است که نشان می‌دهد چند ارجاع به آن شیء اشاره می‌کنند. هنگامی که این شمارنده به صفر می‌رسد، نشان‌دهنده این است که شیء دیگر قابل دسترسی نیست و می‌توان آن را با خیال راحت آزادسازی کرد.

نحوه کار شمارش ارجاع:

1. مقداردهی اولیه: هنگام ایجاد یک شیء، شمارنده ارجاع آن روی 1 مقداردهی اولیه می‌شود (نمایانگر ارجاع اولیه).
2. افزایش: هنگام ایجاد یک ارجاع جدید به یک شیء (مثلاً تخصیص یک شیء به یک متغیر جدید، ارسال آن به عنوان آرگومان)، شمارنده ارجاع آن افزایش می‌یابد.
3. کاهش: هنگامی که یک ارجاع به یک شیء از بین می‌رود یا دیگر معتبر نیست (مثلاً یک متغیر از محدوده خارج می‌شود، یک تخصیص ارجاع را بازنویسی می‌کند)، شمارنده ارجاع شیء کاهش می‌یابد.
4. آزادسازی: اگر پس از کاهش، شمارنده ارجاع به صفر برسد، شیء بلافاصله آزادسازی شده و حافظه آن بازیابی می‌شود. اگر شیء حاوی ارجاعاتی به اشیاء دیگر باشد، شمارنده‌های آن اشیاء ارجاع شده نیز کاهش می‌یابد، که به طور بالقوه باعث ایجاد آبشاری از آزادسازی‌ها می‌شود.

مزایای شمارش ارجاع برای Wasm:

• آزادسازی قابل پیش‌بینی: برخلاف جمع‌آوری زباله ردیابی، که ممکن است به صورت دوره‌ای و غیرقابل پیش‌بینی اجرا شود، شمارش ارجاع حافظه را به محض غیرقابل دسترس شدن، آزادسازی می‌کند. این می‌تواند منجر به عملکرد قطعی‌تر شود که برای برنامه‌های بلادرنگ و سیستم‌هایی که تاخیر در آن‌ها حیاتی است، ارزشمند است.
• سادگی پیاده‌سازی (در برخی زمینه‌ها): برای برخی از زمان‌های اجرای زبان، پیاده‌سازی شمارش ارجاع می‌تواند ساده‌تر از الگوریتم‌های ردیابی پیچیده باشد، به خصوص هنگام برخورد با پیاده‌سازی‌های زبان موجود که در حال حاضر از نوعی شمارش ارجاع استفاده می‌کنند.
• عدم وجود وقفه‌های «توقف دنیا»: شمارش ارجاع معمولاً از وقفه‌های طولانی «توقف دنیا» که با برخی الگوریتم‌های GC ردیابی همراه است، اجتناب می‌کند، زیرا آزادسازی بیشتر افزایشی است.

چالش‌های شمارش ارجاع:

• ارجاعات چرخه‌ای: نقطه ضعف اصلی شمارش ارجاع ساده، ناتوانی آن در مدیریت ارجاعات چرخه‌ای است. اگر شیء A به شیء B ارجاع دهد و شیء B به شیء A برگردد، شمارنده‌های ارجاع آن‌ها حتی اگر هیچ ارجاع خارجی به هیچ یک از اشیاء وجود نداشته باشد، ممکن است هرگز به صفر نرسند. این منجر به نشت حافظه می‌شود.
• سربار: افزایش و کاهش شمارنده‌های ارجاع می‌تواند سربار عملکرد را معرفی کند، به خصوص در سناریوهایی با بسیاری از ارجاعات کوتاه‌مدت. هر تخصیص یا دستکاری اشاره‌گر ممکن است نیاز به یک عملیات اتمی افزایش/کاهش داشته باشد که می‌تواند پرهزینه باشد.
• مسائل همزمانی: در محیط‌های چند رشته‌ای، به‌روزرسانی شمارنده ارجاع باید اتمی باشد تا از شرایط رقابت جلوگیری شود. این امر نیاز به استفاده از عملیات اتمی را ضروری می‌کند که می‌تواند کندتر از عملیات غیر اتمی باشد.

برای کاهش مشکل ارجاعات چرخه‌ای، اغلب از رویکردهای ترکیبی استفاده می‌شود. این‌ها ممکن است شامل یک GC ردیابی دوره‌ای برای پاک کردن چرخه‌ها، یا تکنیک‌هایی مانند ارجاعات ضعیف باشد که به شمارنده ارجاع یک شیء کمک نمی‌کنند و می‌توانند برای شکستن چرخه‌ها استفاده شوند. پیشنهاد WebAssembly GC برای انطباق با چنین استراتژی‌های ترکیبی طراحی شده است.

حافظه مدیریت شده در عمل: زنجیره‌های ابزار زبان و Wasm

ادغام Wasm GC، به ویژه پشتیبانی از شمارش ارجاع و سایر پارادایم‌های حافظه مدیریت شده، پیامدهای عمیقی برای نحوه هدف قرار دادن زبان‌های برنامه‌نویسی محبوب توسط WebAssembly دارد. زنجیره‌های ابزار زبانی که قبلاً توسط مدیریت دستی حافظه Wasm محدود شده بودند، اکنون می‌توانند از Wasm GC برای تولید کد ایده‌آل‌تر و کارآمدتر استفاده کنند.

نمونه‌هایی از پشتیبانی زبان:

• جاوا/زبان‌های JVM (اسکالا، کوتلین): زبان‌هایی که روی ماشین مجازی جاوا (JVM) اجرا می‌شوند، به شدت به یک جمع‌آوری زباله پیچیده متکی هستند. با Wasm GC، امکان انتقال کل زمان‌های اجرای JVM و برنامه‌های جاوا به WebAssembly با عملکرد و ایمنی حافظه به طور قابل توجهی نسبت به تلاش‌های قبلی با استفاده از شبیه‌سازی مدیریت دستی حافظه، امکان‌پذیر شده است. ابزارهایی مانند CheerpJ و تلاش‌های مداوم در جامعه JWebAssembly در حال بررسی این راه‌ها هستند.
• سی‌شارپ/.NET: به طور مشابه، زمان اجرای .NET که همچنین دارای یک سیستم حافظه مدیریت شده قوی است، می‌تواند از Wasm GC بهره زیادی ببرد. پروژه‌ها با هدف آوردن برنامه‌های .NET و زمان اجرای Mono به WebAssembly، طیف گسترده‌تری از توسعه‌دهندگان .NET را قادر می‌سازند تا برنامه‌های خود را در وب یا سایر محیط‌های Wasm مستقر کنند.
• پایتون/روبی/PHP: زبان‌های تفسیری که حافظه را به طور خودکار مدیریت می‌کنند، نامزدهای اصلی برای Wasm GC هستند. انتقال این زبان‌ها به Wasm امکان اجرای سریع‌تر اسکریپت‌ها را فراهم می‌کند و استفاده از آن‌ها را در زمینه‌هایی که اجرای جاوا اسکریپت ممکن است ناکافی یا نامطلوب باشد، ممکن می‌سازد. تلاش‌ها برای اجرای پایتون (با کتابخانه‌هایی مانند Pyodide که از Emscripten استفاده می‌کنند، که در حال تکامل برای ادغام ویژگی‌های Wasm GC است) و سایر زبان‌های پویا توسط این قابلیت تقویت می‌شوند.
• راست: در حالی که ایمنی حافظه پیش‌فرض راست از طریق سیستم مالکیت و قرض‌گیری آن (بررسی‌های زمان کامپایل) به دست می‌آید، این زبان همچنین GC اختیاری را ارائه می‌دهد. برای سناریوهایی که ادغام با سایر زبان‌های مدیریت شده توسط GC یا استفاده از تایپ پویا ممکن است مفید باشد، می‌توان قابلیت راست برای تعامل با Wasm GC یا حتی پذیرش آن را بررسی کرد. پیشنهاد اصلی Wasm GC اغلب از انواع ارجاع استفاده می‌کند که از نظر مفهومی شبیه به `Rc` (اشاره‌گر شمارش ارجاع) و `Arc` (اشاره‌گر شمارش ارجاع اتمی) راست است که تعامل را تسهیل می‌کند.

قابلیت کامپایل زبان‌ها با قابلیت‌های GC بومی خود به WebAssembly به طور قابل توجهی پیچیدگی و سربار مربوط به رویکردهای قبلی، مانند شبیه‌سازی GC بر روی حافظه خطی Wasm را کاهش می‌دهد. این منجر به:

• بهبود عملکرد: پیاده‌سازی‌های GC بومی معمولاً برای زبان‌های مربوطه بهینه شده‌اند و منجر به عملکرد بهتر نسبت به راه‌حل‌های شبیه‌سازی شده می‌شوند.
• کاهش اندازه باینری: حذف نیاز به یک پیاده‌سازی GC جداگانه در ماژول Wasm می‌تواند منجر به اندازه‌های باینری کوچکتر شود.
• قابلیت همکاری بهبود یافته: تعامل یکپارچه بین زبان‌های مختلف کامپایل شده به Wasm زمانی که آن‌ها درک مشترکی از مدیریت حافظه دارند، دست‌یافتنی‌تر می‌شود.

پیامدهای جهانی و چشم‌اندازهای آینده

ادغام GC در WebAssembly صرفاً یک بهبود فنی نیست؛ بلکه پیامدهای گسترده‌ای برای توسعه و استقرار نرم‌افزار در سطح جهانی دارد.

۱. دموکراتیزه کردن زبان‌های سطح بالا در وب و فراتر از آن:

برای توسعه‌دهندگان در سراسر جهان، به ویژه کسانی که به زبان‌های سطح بالا با مدیریت خودکار حافظه عادت دارند، Wasm GC مانع ورود به توسعه WebAssembly را کاهش می‌دهد. آن‌ها اکنون می‌توانند از تخصص زبان و اکوسیستم موجود خود برای ساخت برنامه‌های قدرتمند و با کارایی بالا استفاده کنند که می‌توانند در محیط‌های متنوع اجرا شوند، از مرورگرهای وب در دستگاه‌های کم‌مصرف در بازارهای نوظهور گرفته تا زمان‌های اجرای Wasm پیچیده سمت سرور.

۲. فعال کردن توسعه برنامه‌های بین پلتفرمی:

همانطور که WebAssembly بالغ می‌شود، به طور فزاینده‌ای به عنوان یک هدف کامپایل جهانی برای برنامه‌های سمت سرور، محاسبات لبه و سیستم‌های تعبیه شده استفاده می‌شود. Wasm GC امکان ایجاد یک پایگاه کد واحد را در یک زبان مدیریت شده فراهم می‌کند که می‌تواند بدون تغییرات قابل توجه در این پلتفرم‌های متنوع مستقر شود. این برای شرکت‌های جهانی که به دنبال بهره‌وری توسعه و استفاده مجدد از کد در زمینه‌های عملیاتی مختلف هستند، ارزشمند است.

۳. پرورش یک اکوسیستم وب غنی‌تر:

قابلیت اجرای برنامه‌های پیچیده نوشته شده به زبان‌هایی مانند پایتون، جاوا یا سی‌شارپ در مرورگر، امکانات جدیدی را برای برنامه‌های مبتنی بر وب باز می‌کند. ابزارهای تحلیل داده پیچیده، IDEهای با ویژگی غنی، یا پلتفرم‌های تجسم علمی پیچیده را تصور کنید که مستقیماً در مرورگر کاربر اجرا می‌شوند، صرف نظر از سیستم عامل یا سخت‌افزار دستگاه آن‌ها، همگی با قدرت Wasm GC.

۴. بهبود امنیت و استحکام:

حافظه مدیریت شده، طبق ماهیت خود، خطر اشکالات رایج ایمنی حافظه را که می‌تواند منجر به سوءاستفاده‌های امنیتی شود، به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. با ارائه راهی استاندارد برای مدیریت حافظه برای طیف وسیع‌تری از زبان‌ها، Wasm GC به ساخت برنامه‌های امن‌تر و قوی‌تر در سراسر جهان کمک می‌کند.

۵. تکامل شمارش ارجاع در Wasm:

مشخصات WebAssembly یک استاندارد زنده است و بحث‌های جاری بر روی اصلاح پشتیبانی GC تمرکز دارند. تحولات آینده ممکن است شامل مکانیسم‌های پیچیده‌تر برای رسیدگی به چرخه‌ها، بهینه‌سازی عملیات شمارش ارجاع برای عملکرد، و اطمینان از قابلیت همکاری یکپارچه بین ماژول‌های Wasm که از استراتژی‌های مختلف GC یا حتی بدون GC استفاده می‌کنند، باشد. تمرکز بر شمارش ارجاع، با خواص قطعی آن، Wasm را به یک رقیب قوی برای انواع برنامه‌های حساس به عملکرد تعبیه شده و سمت سرور در سراسر جهان تبدیل می‌کند.

نتیجه‌گیری

ادغام جمع‌آوری زباله، با شمارش ارجاع به عنوان یک مکانیسم پشتیبانی کلیدی، نشان‌دهنده یک پیشرفت اساسی برای WebAssembly است. این دسترسی به اکوسیستم Wasm را برای توسعه‌دهندگان در سراسر جهان دموکراتیزه می‌کند و به طیف وسیع‌تری از زبان‌های برنامه‌نویسی اجازه می‌دهد تا به طور کارآمد و ایمن کامپایل شوند. این تکامل راه را برای اجرای برنامه‌های پیچیده‌تر، با کارایی بیشتر و امن‌تر در سراسر وب، ابر و لبه هموار می‌کند. همانطور که استاندارد Wasm GC بالغ می‌شود و زنجیره‌های ابزار زبان به پذیرش آن ادامه می‌دهند، می‌توانیم انتظار افزایش برنامه‌های نوآورانه‌ای را داشته باشیم که از پتانسیل کامل این فناوری زمان اجرای جهانی بهره می‌برند. توانایی مدیریت موثر و ایمن حافظه، از طریق مکانیسم‌هایی مانند شمارش ارجاع، برای ساخت نسل بعدی نرم‌افزار جهانی اساسی است و WebAssembly اکنون برای پاسخگویی به این چالش مجهز است.