JavaScript-moottorin sisäinen toiminta: Piilotetut luokat ja polymorfiset inline-välimuistit globaaliin suorituskykyyn

JavaScript, dynaamisen verkon voimanlähde, on ylittänyt selainalkuperänsä ja siitä on tullut perustavanlaatuinen teknologia palvelinpuolen sovelluksille, mobiilikehitykselle ja jopa työpöytäohjelmistoille. Sen monipuolisuus on kiistaton, vilkkaista verkkokauppa-alustoista kehittyneisiin datan visualisointityökaluihin. Tähän yleisyyteen liittyy kuitenkin luontainen haaste: JavaScript on dynaamisesti tyypitetty kieli. Tämä joustavuus, vaikka se onkin siunaus kehittäjille, aiheutti historiallisesti merkittäviä suorituskykyhaasteita verrattuna staattisesti tyypitettyihin kieliin.

Nykyaikaiset JavaScript-moottorit, kuten V8 (käytössä Chromessa ja Node.js:ssä), SpiderMonkey (Firefox) ja JavaScriptCore (Safari), ovat saavuttaneet merkittäviä tuloksia JavaScriptin suoritusnopeuden optimoinnissa. Ne ovat kehittyneet yksinkertaisista tulkeista monimutkaisiksi voimanpesiksi, jotka käyttävät Just-In-Time (JIT) -kääntämistä, kehittyneitä roskankerääjiä ja monimutkaisia optimointitekniikoita. Näistä optimoinneista kriittisimpiä ovat piilotetut luokat (tunnetaan myös nimillä Maps tai Shapes) ja polymorfiset inline-välimuistit (PIC). Näiden sisäisten mekanismien ymmärtäminen ei ole vain akateeminen harjoitus; se antaa kehittäjille valmiudet kirjoittaa suorituskykyisempää, tehokkaampaa ja vankempaa JavaScript-koodia, mikä lopulta parantaa käyttäjäkokemusta maailmanlaajuisesti.

Tämä kattava opas avaa näiden ydinmoottorioptimointien saloja. Tutkimme niiden ratkaisemia perusongelmia, syvennymme niiden sisäiseen toimintaan käytännön esimerkkien avulla ja tarjoamme toimivia oivalluksia, joita voit soveltaa päivittäisessä kehitystyössäsi. Riippumatta siitä, rakennatko globaalia sovellusta vai paikallista apuohjelmaa, nämä periaatteet ovat yleisesti sovellettavissa JavaScriptin suorituskyvyn parantamiseen.

Nopeuden tarve: Miksi JavaScript-moottorit ovat monimutkaisia

Nykypäivän verkottuneessa maailmassa käyttäjät odottavat välitöntä palautetta ja saumattomia vuorovaikutuksia. Hitaasti latautuva tai reagoimaton sovellus, riippumatta sen alkuperästä tai kohdeyleisöstä, voi johtaa turhautumiseen ja sovelluksen hylkäämiseen. JavaScript, ollessaan interaktiivisten verkkokokemusten pääkieli, vaikuttaa suoraan tähän nopeuden ja reagoivuuden mielikuvaan.

Historiallisesti JavaScript oli tulkattava kieli. Tulkki lukee ja suorittaa koodia rivi riviltä, mikä on luonnostaan hitaampaa kuin käännetty koodi. Käännetyt kielet, kuten C++ tai Java, käännetään konekielisiksi ohjeiksi kerran, ennen suoritusta, mikä mahdollistaa laajat optimoinnit käännösvaiheessa. JavaScriptin dynaaminen luonne, jossa muuttujien tyypit ja olioiden rakenteet voivat muuttua ajon aikana, teki perinteisestä staattisesta kääntämisestä haastavaa.

JIT-kääntäjät: Nykyaikaisen JavaScriptin sydän

Suorituskykyeron kuromiseksi umpeen nykyaikaiset JavaScript-moottorit käyttävät Just-In-Time (JIT) -kääntämistä. JIT-kääntäjä ei käännä koko ohjelmaa ennen suoritusta. Sen sijaan se tarkkailee ajossa olevaa koodia, tunnistaa usein suoritettavat osiot (niin sanotut "kuumat koodipolut") ja kääntää nämä osiot pitkälle optimoiduksi konekoodiksi ohjelman ollessa käynnissä. Tämä prosessi on dynaaminen ja mukautuva:

• Tulkinta: Aluksi koodia suorittaa nopea, optimoimaton tulkki (esim. V8:n Ignition).
• Profilointi: Koodin suorituksen aikana tulkki kerää dataa muuttujien tyypeistä, olioiden muodoista ja funktiokutsujen malleista.
• Optimointi: Jos funktiota tai koodilohkoa suoritetaan usein, JIT-kääntäjä (esim. V8:n Turbofan) käyttää kerättyä profilointidataa kääntääkseen sen pitkälle optimoiduksi konekoodiksi. Tämä optimoitu koodi tekee oletuksia havaitun datan perusteella.
• Deoptimointi: Jos optimoivan kääntäjän tekemä oletus osoittautuu ajon aikana virheelliseksi (esim. muuttuja, joka oli aina numero, muuttuukin yhtäkkiä merkkijonoksi), moottori hylkää optimoidun koodin ja palaa hitaampaan, yleisempään tulkattuun koodiin tai vähemmän optimoituun käännettyyn koodiin.

Koko JIT-prosessi on herkkä tasapaino optimointiin käytetyn ajan ja optimoidusta koodista saatavan nopeushyödyn välillä. Tavoitteena on tehdä oikeat oletukset oikeaan aikaan maksimaalisen suoritustehon saavuttamiseksi.

Dynaamisen tyypityksen haaste

JavaScriptin dynaaminen tyypitys on kaksiteräinen miekka. Se tarjoaa kehittäjille vertaansa vailla olevaa joustavuutta, mahdollistaen olioiden luomisen lennosta, ominaisuuksien dynaamisen lisäämisen tai poistamisen ja minkä tahansa tyyppisten arvojen antamisen muuttujille ilman eksplisiittisiä määrittelyjä. Tämä joustavuus asettaa kuitenkin valtavan haasteen JIT-kääntäjälle, joka pyrkii tuottamaan tehokasta konekoodia.

Harkitse yksinkertaista olion ominaisuuden käyttöä: user.firstName. Staattisesti tyypitetyssä kielessä kääntäjä tietää User-olion tarkan muistiasettelun käännösaikana. Se voi suoraan laskea muistisiirtymän, johon firstName on tallennettu, ja generoida konekoodin, joka käyttää sitä yhdellä nopealla käskyllä.

JavaScriptissä asiat ovat paljon monimutkaisempia:

1. Olion rakenne (sen "muoto" tai ominaisuudet) voi muuttua milloin tahansa.
2. Ominaisuuden arvon tyyppi voi muuttua (esim. user.age = 30; user.age = "thirty";).
3. Ominaisuuksien nimet ovat merkkijonoja, mikä vaatii hakumekanismin (kuten hajautustaulun) niiden vastaavien arvojen löytämiseksi.

Ilman erityisiä optimointeja jokainen ominaisuuden käyttö vaatisi kalliin sanakirjahaun, mikä hidastaisi suoritusta dramaattisesti. Tässä kohtaa piilotetut luokat ja polymorfiset inline-välimuistit astuvat kuvaan, tarjoten moottorille tarvittavat mekanismit dynaamisen tyypityksen tehokkaaseen käsittelyyn.

Esittelyssä piilotetut luokat

Dynaamisten oliomuotojen aiheuttaman suorituskykyrasituksen voittamiseksi JavaScript-moottorit käyttävät sisäistä käsitettä nimeltä piilotetut luokat. Vaikka ne jakavat nimen perinteisten luokkien kanssa, ne ovat puhtaasti sisäinen optimointiartifakti eivätkä ole suoraan kehittäjien käytettävissä. Muut moottorit saattavat viitata niihin nimillä "Maps" (V8) tai "Shapes" (SpiderMonkey).

Mitä ovat piilotetut luokat?

Kuvittele, että rakennat kirjahyllyä. Jos tietäisit tarkalleen, mitkä kirjat sille tulevat ja missä järjestyksessä, voisit rakentaa sen täydellisen kokoisilla lokeroilla. Jos kirjojen koko, tyyppi ja järjestys voisivat muuttua milloin tahansa, tarvitsisit paljon mukautuvamman, mutta todennäköisesti tehottomamman järjestelmän. Piilotettujen luokkien tavoitteena on tuoda osa tästä "ennustettavuudesta" takaisin JavaScript-olioihin.

Piilotettu luokka on sisäinen tietorakenne, jota JavaScript-moottorit käyttävät kuvaamaan olion asettelua. Pohjimmiltaan se on kartta, joka yhdistää ominaisuuksien nimet niiden vastaaviin muistisiirtymiin ja attribuutteihin (esim. kirjoitettava, konfiguroitava, lueteltava). Ratkaisevaa on, että olioilla, joilla on sama piilotettu luokka, on sama muistiasettelu, mikä antaa moottorille mahdollisuuden käsitellä niitä samankaltaisesti optimointitarkoituksessa.

Miten piilotettuja luokkia luodaan

Piilotetut luokat eivät ole staattisia; ne kehittyvät, kun olioon lisätään ominaisuuksia. Tämä prosessi sisältää sarjan "siirtymiä":

1. Kun tyhjä olio luodaan (esim. const obj = {};), sille annetaan alustava, tyhjä piilotettu luokka.
2. Kun ensimmäinen ominaisuus lisätään kyseiseen olioon (esim. obj.x = 10;), moottori luo uuden piilotetun luokan. Tämä uusi piilotettu luokka kuvaa oliota, jolla on nyt ominaisuus 'x' tietyssä muistisiirtymässä. Se myös linkittyy takaisin edelliseen piilotettuun luokkaan, muodostaen siirtymäketjun.
3. Jos toinen ominaisuus lisätään (esim. obj.y = 'hello';), luodaan jälleen uusi piilotettu luokka, joka kuvaa oliota ominaisuuksilla 'x' ja 'y' ja linkittyy edelliseen luokkaan.
4. Myöhemmät oliot, jotka luodaan täsmälleen samoilla ominaisuuksilla ja täsmälleen samassa järjestyksessä, seuraavat samaa siirtymäketjua ja käyttävät uudelleen olemassa olevia piilotettuja luokkia, välttäen uusien luomisen kustannukset.

Tämä siirtymämekanismi antaa moottorille mahdollisuuden hallita olioiden asetteluja tehokkaasti. Sen sijaan, että suoritettaisiin hajautustauluhaku jokaista ominaisuuden käyttöä varten, moottori voi yksinkertaisesti tarkastella olion nykyistä piilotettua luokkaa, löytää ominaisuuden siirtymän ja käyttää suoraan muistipaikkaa. Tämä on huomattavasti nopeampaa.

Ominaisuuksien järjestyksen rooli

Järjestys, jossa ominaisuudet lisätään olioon, on kriittinen piilotettujen luokkien uudelleenkäytön kannalta. Jos kahdella oliolla on lopulta samat ominaisuudet, mutta ne on lisätty eri järjestyksessä, niillä on erilaiset piilotettujen luokkien ketjut ja siten erilaiset piilotetut luokat.

Havainnollistetaan esimerkillä:

            
function createPoint(x, y) {
  const p = {};
  p.x = x;
  p.y = y;
  return p;
}

function createAnotherPoint(x, y) {
  const p = {};
  p.y = y; // Eri järjestys
  p.x = x; // Eri järjestys
  return p;
}

const p1 = createPoint(10, 20); // Piilotettu luokka 1 -> PL {x}:lle -> PL {x, y}:lle
const p2 = createPoint(30, 40); // Käyttää uudelleen samoja piilotettuja luokkia kuin p1

const p3 = createAnotherPoint(50, 60); // Piilotettu luokka 1 -> PL {y}:lle -> PL {y, x}:lle

console.log(p1.x, p1.y); // Käyttö perustuu PL:ään {x, y}
console.log(p2.x, p2.y); // Käyttö perustuu PL:ään {x, y}
console.log(p3.x, p3.y); // Käyttö perustuu PL:ään {y, x}

            

              
                Copy
              
            
          

Tässä esimerkissä p1 ja p2 jakavat saman piilotettujen luokkien sarjan, koska niiden ominaisuudet ('x' ja sitten 'y') lisätään samassa järjestyksessä. Tämä antaa moottorille mahdollisuuden optimoida näiden olioiden operaatioita erittäin tehokkaasti. Kuitenkin p3:lla, vaikka sillä on lopulta samat ominaisuudet, ne lisätään eri järjestyksessä ('y' ja sitten 'x'), mikä johtaa eri piilotettujen luokkien joukkoon. Tämä ero estää moottoria soveltamasta samaa optimointitasoa kuin p1:n ja p2:n kohdalla.

Piilotettujen luokkien edut

Piilotettujen luokkien käyttöönotto tarjoaa useita merkittäviä suorituskykyetuja:

• Nopea ominaisuushaku: Kun olion piilotettu luokka on tiedossa, moottori voi nopeasti määrittää tarkan muistisiirtymän mille tahansa sen ominaisuuksista, ohittaen tarpeen hitaammille hajautustauluhauille.
• Vähentynyt muistinkäyttö: Sen sijaan, että jokainen olio tallentaisi täydellisen sanakirjan ominaisuuksistaan, samankaltaisen muodon omaavat oliot voivat osoittaa samaan piilotettuun luokkaan, jakaen rakenteellisen metadatan.
• Mahdollistaa JIT-optimoinnin: Piilotetut luokat tarjoavat JIT-kääntäjälle ratkaisevaa tyyppitietoa ja olion asettelun ennustettavuutta. Tämä antaa kääntäjälle mahdollisuuden generoida pitkälle optimoitua konekoodia, joka tekee oletuksia olioiden rakenteista, mikä parantaa merkittävästi suoritusnopeutta.

Piilotetut luokat muuttavat dynaamisten JavaScript-olioiden näennäisen kaoottisen luonteen jäsennellymmäksi, ennustettavammaksi järjestelmäksi, jonka kanssa optimoivat kääntäjät voivat työskennellä tehokkaasti.

Polymorfismi ja sen suorituskykyvaikutukset

Vaikka piilotetut luokat tuovat järjestystä olioiden asetteluihin, JavaScriptin dynaaminen luonne sallii edelleen funktioiden operoida erirakenteisilla olioilla. Tätä käsitettä kutsutaan polymorfismiksi.

JavaScript-moottorin sisäisen toiminnan kontekstissa polymorfismia esiintyy, kun funktiota tai operaatiota (kuten ominaisuuden käyttöä) kutsutaan useita kertoja olioilla, joilla on erilaiset piilotetut luokat. Esimerkiksi:

            
function processValue(obj) {
  return obj.value * 2;
}

// Monomorfinen tapaus: Aina sama piilotettu luokka
processValue({ value: 10 });
processValue({ value: 20 });

// Polymorfinen tapaus: Eri piilotettuja luokkia
processValue({ value: 30 }); // Piilotettu luokka A
processValue({ id: 1, value: 40 }); // Piilotettu luokka B (olettaen eri ominaisuusjärjestyksen/joukon)
processValue({ value: 50, timestamp: Date.now() }); // Piilotettu luokka C

            

              
                Copy
              
            
          

Kun processValue-funktiota kutsutaan olioilla, joilla on eri piilotettuja luokkia, moottori ei voi enää luottaa yhteen ainoaan, kiinteään muistisiirtymään value-ominaisuudelle. Sen on käsiteltävä useita mahdollisia asetteluja. Jos tämä tapahtuu usein, se voi johtaa hitaampiin suorituspolkuihin, koska moottori ei voi tehdä vahvoja, tyyppispesifisiä oletuksia JIT-kääntämisen aikana. Tässä kohtaa inline-välimuistit (IC) tulevat välttämättömiksi.

Inline-välimuistien (IC) ymmärtäminen

Inline-välimuistit (IC) ovat toinen perustavanlaatuinen optimointitekniikka, jota JavaScript-moottorit käyttävät nopeuttaakseen operaatioita, kuten ominaisuuksien käyttöä (esim. obj.prop), funktiokutsuja ja aritmeettisia operaatioita. IC on pieni osa käännettyä koodia, joka "muistaa" tyyppipalautteen aiemmista operaatioista tietyssä koodin kohdassa.

Mikä on inline-välimuisti (IC)?

Ajattele IC:tä paikallisena, erittäin erikoistuneena muistiinpanotyökaluna yleisille operaatioille. Kun JIT-kääntäjä kohtaa operaation (esim. ominaisuuden noutamisen oliosta), se lisää koodinpätkän, joka tarkistaa operandin tyypin (esim. olion piilotetun luokan). Jos se on tunnettu tyyppi, se voi jatkaa erittäin nopealla, optimoidulla polulla. Jos ei, se palaa hitaampaan, yleiseen hakuun ja päivittää välimuistin tulevia kutsuja varten.

Monomorfiset IC:t

IC:tä pidetään monomorfisena, kun se näkee jatkuvasti saman piilotetun luokan tietyssä operaatiossa. Esimerkiksi, jos funktiota getUserName(user) { return user.name; } kutsutaan aina olioilla, joilla on täsmälleen sama piilotettu luokka (tarkoittaen, että niillä on samat ominaisuudet lisättynä samassa järjestyksessä), IC muuttuu monomorfiseksi.

Monomorfisessa tilassa IC tallentaa:

• Viimeksi kohtaamansa olion piilotetun luokan.
• Tarkan muistisiirtymän, jossa name-ominaisuus sijaitsee kyseiselle piilotetulle luokalle.

Kun getUserName kutsutaan uudelleen, IC tarkistaa ensin, vastaako saapuvan olion piilotettu luokka välimuistissa olevaa. Jos vastaa, se voi hypätä suoraan muistiosoitteeseen, jossa name on tallennettu, ohittaen kaiken monimutkaisen hakulogiikan. Tämä on nopein suorituspolku.

Polymorfiset IC:t (PIC)

Kun operaatiota kutsutaan olioilla, joilla on muutama eri piilotettu luokka (esim. kaksi tai neljä erillistä piilotettua luokkaa), IC siirtyy polymorfiseen tilaan. Polymorfinen inline-välimuisti (PIC) voi tallentaa useita (Piilotettu luokka, Siirtymä) -pareja.

Esimerkiksi, jos getUserName kutsutaan joskus oliolla { name: 'Alice' } (Piilotettu luokka A) ja joskus oliolla { id: 1, name: 'Bob' } (Piilotettu luokka B), PIC tallentaa merkinnät sekä piilotetulle luokalle A että piilotetulle luokalle B. Kun olio saapuu, PIC käy läpi välimuistissa olevat merkintänsä. Jos osuma löytyy, se käyttää vastaavaa siirtymää nopeaan ominaisuushakuun.

PIC:t ovat edelleen erittäin tehokkaita, mutta hieman hitaampia kuin monomorfiset IC:t, koska ne sisältävät muutamia lisävertailuja. Moottori yrittää pitää IC:t polymorfisina monomorfisten sijaan, jos erillisiä muotoja on pieni, hallittavissa oleva määrä.

Megamorfiset IC:t

Jos operaatio kohtaa liian monta erilaista piilotettua luokkaa (esim. enemmän kuin neljä tai viisi, riippuen moottorin heuristiikasta), IC luovuttaa yksittäisten muotojen välimuistiin tallentamisen yrittämisestä. Se siirtyy megamorfiseen tilaan.

Megamorfisessa tilassa IC palaa olennaisesti yleiseen, optimoimattomaan hakumekanismiin, tyypillisesti hajautustauluhakuun. Tämä on huomattavasti hitaampaa kuin sekä monomorfiset että polymorfiset IC:t, koska se sisältää monimutkaisempia laskutoimituksia jokaisella käyttökerralla. Megamorfismi on vahva merkki suorituskyvyn pullonkaulasta ja laukaisee usein deoptimoinnin, jossa pitkälle optimoitu JIT-koodi hylätään vähemmän optimoidun tai tulkatun koodin hyväksi.

Miten IC:t toimivat piilotettujen luokkien kanssa

Piilotetut luokat ja inline-välimuistit ovat erottamattomasti sidoksissa toisiinsa. Piilotetut luokat tarjoavat vakaan "kartan" olion rakenteesta, kun taas IC:t hyödyntävät tätä karttaa luodakseen oikopolkuja käännetyssä koodissa. IC olennaisesti tallentaa välimuistiin ominaisuushaun tuloksen tietylle piilotetulle luokalle. Kun moottori kohtaa ominaisuuden käytön:

1. Se hakee olion piilotetun luokan.
2. Se konsultoi IC:tä, joka on liitetty kyseiseen ominaisuuden käyttösivustoon koodissa.
3. Jos piilotettu luokka vastaa välimuistissa olevaa merkintää IC:ssä, moottori käyttää suoraan tallennettua siirtymää noutaakseen ominaisuuden arvon.
4. Jos osumaa ei ole, se suorittaa täyden haun (joka sisältää piilotetun luokan ketjun läpikäynnin tai paluun sanakirjahakuun), päivittää IC:n uudella (Piilotettu luokka, Siirtymä) -parilla ja jatkaa sitten.

Tämä takaisinkytkentäsilmukka antaa moottorille mahdollisuuden sopeutua koodin todelliseen ajonaikaiseen käyttäytymiseen ja optimoida jatkuvasti eniten käytettyjä polkuja.

Katsotaanpa esimerkkiä, joka havainnollistaa IC:n käyttäytymistä:

            
function getFullName(person) {
  return person.firstName + ' ' + person.lastName;
}

// --- Skenaario 1: Monomorfiset IC:t ---
const employee1 = { firstName: 'John', lastName: 'Doe' }; // PL_A
const employee2 = { firstName: 'Jane', lastName: 'Smith' }; // PL_A (sama muoto ja luontijärjestys)

// Moottori näkee PL_A:n jatkuvasti 'firstName' ja 'lastName' -ominaisuuksille
// IC:t muuttuvat monomorfisiksi, erittäin optimoiduiksi.
for (let i = 0; i < 1000; i++) {
  getFullName(i % 2 === 0 ? employee1 : employee2);
}

console.log('Monomorfinen polku suoritettu.');

// --- Skenaario 2: Polymorfiset IC:t ---
const customer1 = { firstName: 'Alice', lastName: 'Johnson' }; // PL_B
const manager1 = { title: 'Director', firstName: 'Bob', lastName: 'Williams' }; // PL_C (eri luontijärjestys/ominaisuudet)

// Moottori näkee nyt PL_A:n, PL_B:n ja PL_C:n 'firstName' ja 'lastName' -ominaisuuksille
// IC:t muuttuvat todennäköisesti polymorfisiksi, tallentaen useita PL-siirtymäpareja.
for (let i = 0; i < 1000; i++) {
  if (i % 3 === 0) {
    getFullName(employee1);
  } else if (i % 3 === 1) {
    getFullName(customer1);
  } else {
    getFullName(manager1);
  }
}

console.log('Polymorfinen polku suoritettu.');

// --- Skenaario 3: Megamorfiset IC:t ---
function createRandomUser() {
  const user = {};
  user.id = Math.random();
  if (Math.random() > 0.5) {
    user.firstName = 'User' + Math.random();
    user.lastName = 'Surname' + Math.random();
  } else {
    user.givenName = 'Given' + Math.random(); // Eri ominaisuuden nimi
    user.familyName = 'Family' + Math.random(); // Eri ominaisuuden nimi
  }
  user.age = Math.floor(Math.random() * 50);
  return user;
}

// Jos funktio yrittää käyttää 'firstName'-ominaisuutta erittäin vaihtelevan muotoisilla olioilla
// IC:t muuttuvat todennäköisesti megamorfisiksi.
function getFirstNameSafely(obj) {
  if (obj.firstName) { // Tämä 'firstName'-käyttösivusto näkee monia eri PL:iä
    return obj.firstName;
  }
  return 'Unknown';
}

for (let i = 0; i < 1000; i++) {
  getFirstNameSafely(createRandomUser());
}

console.log('Megamorfinen polku kohdattu.');

            

              
                Copy
              
            
          

Tämä havainnollistus korostaa, kuinka johdonmukaiset oliomuodot mahdollistavat tehokkaan monomorfisen ja polymorfisen välimuistituksen, kun taas erittäin arvaamattomat muodot pakottavat moottorin vähemmän optimoituihin megamorfisiin tiloihin.

Kaiken yhdistäminen: Piilotetut luokat ja PIC:t

Piilotetut luokat ja polymorfiset inline-välimuistit toimivat yhdessä tuottaakseen korkean suorituskyvyn JavaScriptiä. Ne muodostavat selkärangan nykyaikaisten JIT-kääntäjien kyvylle optimoida dynaamisesti tyypitettyä koodia.

• Piilotetut luokat tarjoavat jäsennellyn esityksen olion asettelusta, mikä antaa moottorille mahdollisuuden käsitellä sisäisesti samankaltaisia olioita ikään kuin ne kuuluisivat tiettyyn "tyyppiin". Tämä antaa JIT-kääntäjälle ennustettavan rakenteen, jonka kanssa työskennellä.
• Inline-välimuistit, jotka on sijoitettu tiettyihin operaatiokohtiin käännetyssä koodissa, hyödyntävät tätä rakenteellista tietoa. Ne tallentavat välimuistiin havaitut piilotetut luokat ja niiden vastaavat ominaisuuksien siirtymät.

Kun koodia suoritetaan, moottori valvoo ohjelman läpi virtaavien olioiden tyyppejä. Jos operaatioita sovelletaan johdonmukaisesti saman piilotetun luokan olioihin, IC:t muuttuvat monomorfisiksi, mahdollistaen erittäin nopean suoran muistinkäytön. Jos havaitaan muutama erillinen piilotettu luokka, IC:t muuttuvat polymorfisiksi, tarjoten silti merkittäviä nopeushyötyjä nopean tarkistussarjan kautta. Jos olioiden muotojen vaihtelevuus kuitenkin kasvaa liian suureksi, IC:t siirtyvät megamorfiseen tilaan, pakottaen hitaampiin, yleisiin hakuihin ja mahdollisesti laukaisten käännetyn koodin deoptimoinnin.

Tämä jatkuva takaisinkytkentäsilmukka – ajonaikaisten tyyppien tarkkailu, piilotettujen luokkien luominen/uudelleenkäyttö, käyttömallien välimuistiin tallentaminen IC:iden avulla ja JIT-kääntämisen mukauttaminen – tekee JavaScript-moottoreista niin uskomattoman nopeita dynaamisen tyypityksen luontaisista haasteista huolimatta. Kehittäjät, jotka ymmärtävät tämän tanssin piilotettujen luokkien ja IC:iden välillä, voivat kirjoittaa koodia, joka luonnollisesti noudattaa moottorin optimointistrategioita, mikä johtaa parempaan suorituskykyyn.

Käytännön optimointivinkkejä kehittäjille

Vaikka JavaScript-moottorit ovat erittäin kehittyneitä, koodaustyylisi voi merkittävästi vaikuttaa niiden kykyyn optimoida. Noudattamalla muutamia parhaita käytäntöjä, jotka perustuvat piilotettuihin luokkiin ja PIC:eihin, voit auttaa moottoria auttamaan koodiasi suoriutumaan paremmin.

1. Säilytä johdonmukaiset oliomuodot

Tämä on ehkä tärkein vinkki. Pyri aina luomaan olioita, joilla on ennustettavat ja johdonmukaiset muodot. Tämä tarkoittaa:

• Alusta kaikki ominaisuudet konstruktorissa tai luonnin yhteydessä: Määrittele kaikki ominaisuudet, joita oliolta odotetaan, heti sen luomisen yhteydessä, sen sijaan että lisäisit niitä vähitellen myöhemmin.
• Vältä ominaisuuksien dynaamista lisäämistä tai poistamista luonnin jälkeen: Olion muodon muuttaminen sen alkuperäisen luonnin jälkeen pakottaa moottorin luomaan uusia piilotettuja luokkia ja mitätöimään olemassa olevia IC:itä, mikä johtaa deoptimointeihin.
• Varmista johdonmukainen ominaisuusjärjestys: Kun luot useita käsitteellisesti samankaltaisia olioita, lisää niiden ominaisuudet samassa järjestyksessä.

            
// Hyvä: Johdonmukainen muoto, kannustaa monomorfisiin IC:ihin
class User {
  constructor(id, name) {
    this.id = id;
    this.name = name;
  }
}
const user1 = new User(1, 'Alice');
const user2 = new User(2, 'Bob');

// Huono: Dynaaminen ominaisuuksien lisäys, aiheuttaa piilotettujen luokkien vaihtuvuutta ja deoptimointeja
const customer1 = {};
customer1.id = 1;
customer1.name = 'Charlie';
customer1.email = 'charlie@example.com';

const customer2 = {};
customer2.name = 'David'; // Eri järjestys
customer2.id = 2;
// Nyt lisätään sähköposti myöhemmin, mahdollisesti.
customer2.email = 'david@example.com';

            

              
                Copy
              
            
          

2. Minimoi polymorfismi kuumissa funktioissa

Vaikka polymorfismi on voimakas kielen ominaisuus, liiallinen polymorfismi suorituskykykriittisissä koodipoluissa voi johtaa megamorfisiin IC:ihin. Yritä suunnitella ydinfunktiosi toimimaan olioilla, joilla on johdonmukaiset piilotetut luokat.

• Jos funktion on käsiteltävä erilaisia oliotyyppejä, harkitse niiden ryhmittelyä tyypin mukaan ja erillisten, erikoistuneiden funktioiden käyttöä kullekin tyypille, tai ainakin varmista, että yhteiset ominaisuudet ovat samoissa siirtymissä.
• Jos muutaman erillisen tyypin käsittely on väistämätöntä, PIC:t voivat silti olla tehokkaita. Ole vain tietoinen siitä, milloin erillisten muotojen määrä kasvaa liian suureksi.

            
// Hyvä: Vähemmän polymorfismia, jos 'users'-taulukko sisältää johdonmukaisen muotoisia olioita
function processUsers(users) {
  for (const user of users) {
    // Tämä ominaisuuden käyttö on monomorfinen/polymorfinen, jos user-oliot ovat johdonmukaisia
    console.log(user.id, user.name);
  }
}

// Huono: Korkea polymorfismi, 'items'-taulukko sisältää erittäin vaihtelevan muotoisia olioita
function processItems(items) {
  for (const item of items) {
    // Tämä ominaisuuden käyttö voi muuttua megamorfiseksi, jos item-muodot vaihtelevat liikaa
    console.log(item.name || item.title || 'No Name');
    if (item.price) {
      console.log('Price:', item.price);
    } else if (item.cost) {
      console.log('Cost:', item.cost);
    }
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. Vältä deoptimointeja

Tietyt JavaScript-rakenteet tekevät JIT-kääntäjän vaikeaksi tai mahdottomaksi tehdä vahvoja oletuksia, mikä johtaa deoptimointeihin:

• Älä sekoita tyyppejä taulukoissa: Homogeenisten tyyppien taulukot (esim. kaikki numeroita, kaikki merkkijonoja, kaikki saman piilotetun luokan olioita) ovat erittäin optimoituja. Tyyppien sekoittaminen (esim. [1, 'hello', true]) pakottaa moottorin tallentamaan arvot yleisinä olioina, mikä johtaa hitaampaan käyttöön.
• Vältä eval() ja with: Nämä rakenteet tuovat äärimmäistä arvaamattomuutta ajonaikaisesti, pakottaen moottorin erittäin konservatiivisiin, optimoimattomiin koodipolkuihin.
• Vältä muuttujien tyyppien muuttamista: Vaikka se on mahdollista, muuttujan tyypin muuttaminen (esim. let x = 10; x = 'hello';) voi aiheuttaa deoptimointeja, jos se tapahtuu kuumassa koodipolussa.

4. Suosi const ja let var:in sijaan

Lohkokohtaiset muuttujat (`const`, `let`) ja `const`:in muuttumattomuus (primitiiviarvoille tai olio-viittauksille) tarjoavat moottorille enemmän tietoa, mikä antaa sille mahdollisuuden tehdä parempia optimointipäätöksiä. `var` on funktiokohtainen ja sen voi määrittää uudelleen, mikä tekee staattisesta analyysista vaikeampaa.

5. Ymmärrä moottorin rajoitukset

Vaikka moottorit ovat älykkäitä, ne eivät ole taikuutta. Niiden optimointikyvyllä on rajansa. Esimerkiksi liian monimutkaiset olion periytymisketjut tai erittäin syvät prototyyppiketjut voivat hidastaa ominaisuushakuja, jopa piilotettujen luokkien ja IC:iden kanssa.

6. Harkitse datan paikallisuutta (mikro-optimointi)

Vaikka tämä liittyy vähemmän suoraan piilotettuihin luokkiin ja IC:ihin, hyvä datan paikallisuus (liittyvän datan ryhmittely muistissa) voi parantaa suorituskykyä hyödyntämällä paremmin suorittimen välimuisteja. Esimerkiksi, jos sinulla on taulukko pieniä, johdonmukaisia olioita, moottori voi usein tallentaa ne yhtenäisesti muistiin, mikä johtaa nopeampaan iteraatioon.

Piilotettujen luokkien ja PIC:ien lisäksi: Muita optimointeja

On tärkeää muistaa, että piilotetut luokat ja PIC:t ovat vain kaksi osaa paljon suurempaa, uskomattoman monimutkaista palapeliä. Nykyaikaiset JavaScript-moottorit käyttävät laajaa valikoimaa muita kehittyneitä tekniikoita huippusuorituskyvyn saavuttamiseksi:

Roskankeruu

Tehokas muistinhallinta on ratkaisevan tärkeää. Moottorit käyttävät edistyneitä sukupolviin perustuvia roskankerääjiä (kuten V8:n Orinoco), jotka jakavat muistin sukupolviin, keräävät kuolleita olioita inkrementaalisesti ja toimivat usein samanaikaisesti erillisillä säikeillä minimoidakseen suorituksen tauot, varmistaen sujuvan käyttäjäkokemuksen.

Turbofan ja Ignition

V8:n nykyinen putki koostuu Ignitionista (tulkki ja perustason kääntäjä) ja Turbofanista (optimoiva kääntäjä). Ignition suorittaa koodia nopeasti keräten samalla profilointidataa. Turbofan käyttää sitten tätä dataa suorittaakseen edistyneitä optimointeja, kuten inline-laajennuksia, silmukoiden purkamista ja kuolleen koodin eliminointia, tuottaen pitkälle optimoitua konekoodia.

WebAssembly (Wasm)

Sovelluksen todella suorituskykykriittisille osille, erityisesti niille, jotka sisältävät raskasta laskentaa, WebAssembly tarjoaa vaihtoehdon. Wasm on matalan tason tavukoodimuoto, joka on suunniteltu lähes natiivitason suorituskykyyn. Vaikka se ei korvaa JavaScriptiä, se täydentää sitä antamalla kehittäjille mahdollisuuden kirjoittaa osia sovelluksestaan kielillä, kuten C, C++ tai Rust, kääntää ne Wasmiin ja suorittaa ne selaimessa tai Node.js:ssä poikkeuksellisella nopeudella. Tämä on erityisen hyödyllistä globaaleissa sovelluksissa, joissa johdonmukainen, korkea suorituskyky on ensisijaisen tärkeää erilaisilla laitteistoilla.

Johtopäätös

Nykyaikaisten JavaScript-moottoreiden merkittävä nopeus on osoitus vuosikymmenten tietojenkäsittelytieteen tutkimuksesta ja insinöörityön innovaatiosta. Piilotetut luokat ja polymorfiset inline-välimuistit eivät ole vain hämäriä sisäisiä käsitteitä; ne ovat perustavanlaatuisia mekanismeja, jotka antavat JavaScriptille mahdollisuuden ylittää painoluokkansa, muuttaen dynaamisen, tulkatun kielen korkean suorituskyvyn työjuhdaksi, joka pystyy pyörittämään vaativimpiakin sovelluksia maailmanlaajuisesti.

Ymmärtämällä, miten nämä optimoinnit toimivat, kehittäjät saavat korvaamatonta tietoa siitä, miksi tietyt JavaScriptin suorituskyvyn parhaat käytännöt ovat olemassa. Kyse ei ole jokaisen koodirivin mikro-optimoinnista, vaan pikemminkin sellaisen koodin kirjoittamisesta, joka luonnollisesti noudattaa moottorin vahvuuksia. Johdonmukaisten oliomuotojen priorisointi, tarpeettoman polymorfismin minimointi ja optimointia haittaavien rakenteiden välttäminen johtavat vankempiin, tehokkaampiin ja nopeampiin sovelluksiin käyttäjille kaikilla mantereilla.

Kun JavaScript jatkaa kehittymistään ja sen moottorit muuttuvat entistä kehittyneemmiksi, näiden sisäisten toimintojen tuntemus antaa meille valmiudet kirjoittaa parempaa koodia ja rakentaa kokemuksia, jotka todella ilahduttavat globaalia yleisöämme.

Lisälukemista ja resursseja

• JavaScriptin optimointi V8:lle (Virallinen V8-blogi)
• Ignition ja Turbofan: (uusi) johdatus V8-kääntäjäputkeen (Virallinen V8-blogi)
• MDN Web Docs: WebAssembly
• Artikkelit ja dokumentaatio JavaScript-moottorien sisäisestä toiminnasta SpiderMonkey (Firefox) ja JavaScriptCore (Safari) -tiimeiltä.
• Kirjat ja verkkokurssit edistyneestä JavaScript-suorituskyvystä ja moottoriarkkitehtuurista.