JavaScript Engine Internals: V8 Optimization and JIT Compilation

JavaScript, visur paplitusi žiniatinklio kalba, savo našumu dėkinga sudėtingam JavaScript variklių veikimui. Tarp jų išsiskiria Google V8 variklis, kuris maitina Chrome ir Node.js, ir daro įtaką kitų variklių, tokių kaip JavaScriptCore (Safari) ir SpiderMonkey (Firefox), kūrimui. V8 vidinių mechanizmų – ypač jo optimizavimo strategijų ir Just-In-Time (JIT) kompiliavimo – supratimas yra labai svarbus bet kuriam JavaScript kūrėjui, siekiančiam rašyti našų kodą. Šiame straipsnyje pateikiama išsami V8 architektūros ir optimizavimo technikų apžvalga, pritaikoma pasaulinei žiniatinklio kūrėjų auditorijai.

Introduction to JavaScript Engines

JavaScript variklis yra programa, kuri vykdo JavaScript kodą. Tai yra tiltas tarp žmogui suprantamo JavaScript, kurį rašome, ir kompiuterio suprantamų vykdytinų instrukcijų. Pagrindinės funkcijos apima:

• Parsing: JavaScript kodo konvertavimas į abstrakčią sintaksės medį (AST).
• Compilation/Interpretation: AST vertimas į mašininį kodą arba baitų kodą.
• Execution: Sukurto kodo vykdymas.
• Memory Management: Atminties skyrimas ir atlaisvinimas kintamiesiems ir duomenų struktūroms (šiukšlių rinkimas).

V8, kaip ir kiti modernūs varikliai, naudoja daugiasluoksnį metodą, derinant interpretavimą su JIT kompiliavimu optimaliam našumui. Tai leidžia greitai paleisti pradinį vykdymą ir vėliau optimizuoti dažnai naudojamas kodo sekcijas (hotspots).

V8 Architecture: A High-Level Overview

V8 architektūra gali būti plačiai suskirstyta į šiuos komponentus:

• Parser: Konvertuoja JavaScript šaltinio kodą į abstrakčią sintaksės medį (AST). V8 analizatorius yra gana sudėtingas, efektyviai apdorojantis įvairius ECMAScript standartus.
• Ignition: Interpretuoklis, kuris paima AST ir generuoja baitų kodą. Baitų kodas yra tarpinis atvaizdavimas, kurį lengviau vykdyti nei originalų JavaScript kodą.
• TurboFan: V8 optimizuojantis kompiliatorius. TurboFan paima Ignition sugeneruotą baitų kodą ir paverčia jį labai optimizuotu mašininiu kodu.
• Orinoco: V8 šiukšlių rinkėjas, atsakingas už automatinį atminties valdymą ir nenaudojamos atminties atgavimą.

Procesas paprastai vyksta taip: JavaScript kodas analizuojamas į AST. AST tada perduodamas Ignition, kuris generuoja baitų kodą. Baitų kodą iš pradžių vykdo Ignition. Vykdant, Ignition renka profiliavimo duomenis. Jei kodo sekcija (funkcija) vykdoma dažnai, ji laikoma "hotspot". Tada Ignition perduoda baitų kodą ir profiliavimo duomenis TurboFan. TurboFan naudoja šią informaciją optimizuotam mašininiam kodui generuoti, pakeičiant baitų kodą vėlesniems vykdymams. Šis "Just-In-Time" kompiliavimas leidžia V8 pasiekti beveik natūralų našumą.

Just-In-Time (JIT) Compilation: The Heart of Optimization

JIT kompiliavimas yra dinaminė optimizavimo technika, kai kodas kompiliuojamas vykdymo metu, o ne iš anksto. V8 naudoja JIT kompiliavimą, kad analizuotų ir optimizuotų dažnai vykdomą kodą (hotspots) realiuoju laiku. Šis procesas apima kelis etapus:

1. Profiling and Hotspot Detection

Variklis nuolat profiliuoja vykdomą kodą, kad nustatytų hotspots – funkcijas ar kodo sekcijas, kurios vykdomos pakartotinai. Šie profiliavimo duomenys yra labai svarbūs JIT kompiliatoriaus optimizavimo pastangoms nukreipti.

2. Optimizing Compiler (TurboFan)

TurboFan paima baitų kodą ir profiliavimo duomenis iš Ignition ir generuoja optimizuotą mašininį kodą. TurboFan taiko įvairias optimizavimo technikas, įskaitant:

• Inline Caching: Išnaudoja stebėjimą, kad objekto savybės dažnai pasiekiamos tuo pačiu būdu pakartotinai.
• Hidden Classes (or Shapes): Optimizuoja objekto savybių prieigą pagal objektų struktūrą.
• Inlining: Pakeičia funkcijos iškvietimus faktiniu funkcijos kodu, kad sumažintų pridėtines išlaidas.
• Loop Optimization: Optimizuoja ciklo vykdymą, kad pagerintų našumą.
• Deoptimization: Jei optimizavimo metu padarytos prielaidos tampa negaliojančios (pvz., kintamojo tipas pasikeičia), optimizuotas kodas atmetamas, o variklis grįžta prie interpreto.

Key Optimization Techniques in V8

Panagrinėkime kai kurias svarbiausias V8 naudojamas optimizavimo technikas:

1. Inline Caching

Vidinis podėlis yra labai svarbi optimizavimo technika dinaminėms kalboms, tokioms kaip JavaScript. Ji išnaudoja faktą, kad objekto, pasiekiamo tam tikroje kodo vietoje, tipas dažnai išlieka nuoseklus per kelis vykdymus. V8 saugo savybių paieškos rezultatus (pvz., savybės atminties adresą) vidiniame funkcijos podėlyje. Kitą kartą, kai tas pats kodas vykdomas su to paties tipo objektu, V8 gali greitai atgauti savybę iš podėlio, apeinant lėtesnį savybių paieškos procesą. Pavyzdžiui:

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

let myObj = { x: 10 };
getProperty(myObj); // First execution: property lookup, cache populated
getProperty(myObj); // Subsequent executions: cache hit, faster access

            

              
                Copy
              
            
          

Jei `obj` tipas pasikeičia (pvz., `obj` tampa `{ y: 20 }`), vidinis podėlis anuliuojamas, ir savybių paieškos procesas prasideda iš naujo. Tai pabrėžia nuoseklių objektų formų palaikymo svarbą (žr. Paslėptos klasės žemiau).

2. Hidden Classes (Shapes)

Paslėptos klasės (dar žinomos kaip Shapes) yra pagrindinė sąvoka V8 optimizavimo strategijoje. JavaScript yra dinamiškai tipuota kalba, o tai reiškia, kad objekto tipas gali keistis vykdymo metu. Tačiau V8 seka objektų *formą*, kuri nurodo jų savybių tvarką ir tipus. Objektai su ta pačia forma dalijasi ta pačia paslėpta klase. Tai leidžia V8 optimizuoti savybių prieigą saugant kiekvienos savybės poslinkį objekto atminties išdėstyme paslėptoje klasėje. Pasiekdama savybę, V8 gali greitai atgauti poslinkį iš paslėptos klasės ir pasiekti savybę tiesiogiai, be to, kad atliktų brangią savybių paiešką.

Pavyzdžiui:

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

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

            

              
                Copy
              
            
          

Abu `p1` ir `p2` iš pradžių turės tą pačią paslėptą klasę, nes jie sukuriami su tuo pačiu konstruktoriumi ir turi tas pačias savybes ta pačia tvarka. Jei tada pridėsime savybę `p1` po jo sukūrimo:

            p1.z = 5;

            

              
                Copy
              
            
          

`p1` pereis į naują paslėptą klasę, nes jo forma pasikeitė. Tai gali sukelti deoptimizavimą ir lėtesnę savybių prieigą, jei `p1` ir `p2` naudojami kartu tame pačiame kode. Norint to išvengti, geriausia praktika yra inicializuoti visas objekto savybes jo konstruktoriuje.

3. Inlining

Įterpimas yra funkcijos iškvietimo pakeitimo pačios funkcijos kūnu procesas. Tai pašalina išlaidas, susijusias su funkcijos iškvietimais (pvz., naujo dėklo rėmo sukūrimas, registrų išsaugojimas), todėl pagerėja našumas. V8 agresyviai įterpia mažas, dažnai iškviečiamas funkcijas. Tačiau per didelis įterpimas gali padidinti kodo dydį, o tai gali sukelti podėlio praleidimus ir sumažinti našumą. V8 kruopščiai subalansuoja įterpimo privalumus ir trūkumus, kad pasiektų optimalų našumą.

Pavyzdžiui:

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

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

            

              
                Copy
              
            
          

V8 gali įterpti `add` funkciją į `calculate` funkciją, todėl gaunama:

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

            

              
                Copy
              
            
          

4. Loop Optimization

Ciklai yra dažnas JavaScript kodo našumo kliūčių šaltinis. V8 naudoja įvairias technikas ciklo vykdymui optimizuoti, įskaitant:

• Unrolling: Ciklo kūno replikavimas kelis kartus, kad sumažėtų ciklo iteracijų skaičius.
• Induction Variable Elimination: Ciklo indukcijos kintamųjų (kintamųjų, kurie yra didinami arba mažinami kiekvienoje iteracijoje) pakeitimas efektyvesnėmis išraiškomis.
• Strength Reduction: Brangių operacijų (pvz., daugybos) pakeitimas pigesnėmis operacijomis (pvz., sudėtimi).

Pavyzdžiui, apsvarstykite šį paprastą ciklą:

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

            

              
                Copy
              
            
          

V8 gali išvynioti šį ciklą, todėl gaunama:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Tai pašalina ciklo pridėtines išlaidas, todėl vykdymas pagreitėja.

5. Garbage Collection (Orinoco)

Šiukšlių rinkimas yra procesas, kai automatiškai atgaunama atmintis, kurios programa nebenaudoja. V8 šiukšlių rinkėjas, Orinoco, yra generacinis, lygiagretus ir vienalaikis šiukšlių rinkėjas. Jis padalija atmintį į skirtingas kartas (jauną kartą ir seną kartą) ir naudoja skirtingas rinkimo strategijas kiekvienai kartai. Tai leidžia V8 efektyviai valdyti atmintį ir sumažinti šiukšlių rinkimo poveikį programos našumui. Naudojant gerą kodavimo praktiką, siekiant sumažinti objektų kūrimą ir išvengti atminties nutekėjimo, yra labai svarbu optimaliam šiukšlių rinkimo našumui. Objektai, į kuriuos nebelieka nuorodų, yra šiukšlių rinkimo kandidatai, atlaisvinant atmintį programai.

Writing Performant JavaScript: Best Practices for V8

Suprantant V8 optimizavimo technikas, kūrėjai gali rašyti JavaScript kodą, kuris greičiausiai bus optimizuotas variklio. Štai keletas geriausių praktikų, kurių reikia laikytis:

• Maintain consistent object shapes: Inicializuokite visas objekto savybes jo konstruktoriuje ir venkite pridėti ar ištrinti savybes dinamiškai po to, kai objektas buvo sukurtas.
• Use consistent data types: Venkite keisti kintamųjų tipą vykdymo metu. Tai gali sukelti deoptimizavimą ir lėtesnį vykdymą.
• Avoid using `eval()` and `with()`: Šios funkcijos gali apsunkinti V8 optimizavimą jūsų kodą.
• Minimize DOM manipulation: DOM manipuliavimas dažnai yra našumo kliūtis. Talpinkite DOM elementus ir sumažinkite DOM atnaujinimų skaičių.
• Use efficient data structures: Pasirinkite tinkamą duomenų struktūrą užduočiai. Pavyzdžiui, naudokite `Set` ir `Map` vietoj paprastų objektų, norėdami saugoti unikalias reikšmes ir rakto-reikšmės poras atitinkamai.
• Avoid creating unnecessary objects: Objekto sukūrimas yra gana brangi operacija. Pakartotinai naudokite esamus objektus, kai tik įmanoma.
• Use strict mode: Griežtas režimas padeda išvengti įprastų JavaScript klaidų ir įgalina papildomus optimizavimus.
• Profile and benchmark your code: Naudokite Chrome DevTools arba Node.js profiliavimo įrankius, kad nustatytumėte našumo kliūtis ir įvertintumėte savo optimizavimų poveikį.
• Keep functions small and focused: Mažesnes funkcijas varikliui lengviau įterpti.
• Be mindful of loop performance: Optimizuokite ciklus sumažindami nereikalingus skaičiavimus ir vengdami sudėtingų sąlygų.

Debugging and Profiling V8 Code

Chrome DevTools teikia galingus įrankius, skirtus JavaScript kodo, veikiančio V8, derinimui ir profiliavimui. Pagrindinės funkcijos apima:

• The JavaScript Profiler: Leidžia įrašyti JavaScript funkcijų vykdymo laiką ir nustatyti našumo kliūtis.
• The Memory Profiler: Padeda nustatyti atminties nutekėjimus ir sekti atminties naudojimą.
• The Debugger: Leidžia jums žingsniuoti per savo kodą, nustatyti lūžio taškus ir patikrinti kintamuosius.

Naudodami šiuos įrankius, galite įgyti vertingų įžvalgų apie tai, kaip V8 vykdo jūsų kodą, ir nustatyti optimizavimo sritis. Supratimas, kaip veikia variklis, padeda kūrėjams rašyti optimizuotesnį kodą.

V8 and Other JavaScript Engines

Nors V8 yra dominuojanti jėga, kiti JavaScript varikliai, tokie kaip JavaScriptCore (Safari) ir SpiderMonkey (Firefox), taip pat naudoja sudėtingas optimizavimo technikas, įskaitant JIT kompiliavimą ir vidinį podėlį. Nors konkretūs įgyvendinimai gali skirtis, pagrindiniai principai dažnai yra panašūs. Supratimas apie bendras sąvokas, aptartas šiame straipsnyje, bus naudingas, nepriklausomai nuo konkretaus JavaScript variklio, kuriuo veikia jūsų kodas. Daugelis optimizavimo technikų, tokių kaip nuoseklių objektų formų naudojimas ir nereikalingo objektų kūrimo vengimas, yra visuotinai taikomos.

The Future of V8 and JavaScript Optimization

V8 nuolat tobulėja, kuriamos naujos optimizavimo technikos ir tobulinamos esamos technikos. V8 komanda nuolat dirba siekdama pagerinti našumą, sumažinti atminties suvartojimą ir pagerinti bendrą JavaScript vykdymo aplinką. Sekant naujausius V8 leidimus ir V8 komandos tinklaraščio įrašus, galima gauti vertingų įžvalgų apie būsimą JavaScript optimizavimo kryptį. Be to, naujesnės ECMAScript funkcijos dažnai suteikia galimybių variklio lygio optimizavimui.

Conclusion

Supratimas apie JavaScript variklių, tokių kaip V8, vidinius mechanizmus yra būtinas norint rašyti našų JavaScript kodą. Suprantant, kaip V8 optimizuoja kodą per JIT kompiliavimą, vidinį podėlį, paslėptas klases ir kitas technikas, kūrėjai gali rašyti kodą, kuris greičiausiai bus optimizuotas variklio. Laikantis geriausios praktikos, tokios kaip nuoseklių objektų formų palaikymas, nuoseklių duomenų tipų naudojimas ir DOM manipuliavimo minimizavimas, galite žymiai pagerinti savo JavaScript programų našumą. Naudojant derinimui ir profiliavimui skirtus įrankius, esančius Chrome DevTools, galite įgyti įžvalgų apie tai, kaip V8 vykdo jūsų kodą, ir nustatyti optimizavimo sritis. Vykstant nuolatiniams V8 ir kitų JavaScript variklių patobulinimams, nuolatinis informavimas apie naujausias optimizavimo technikas yra labai svarbus kūrėjams, norint pristatyti greitas ir efektyvias žiniatinklio patirtis vartotojams visame pasaulyje.