JavaScript mikrooptimizavimas: V8 variklio našumo derinimas globalioms programoms

Šiuolaikiniame susietame pasaulyje tikimasi, kad interneto programos veiks žaibiškai įvairiuose įrenginiuose ir tinklo sąlygose. JavaScript, būdama interneto kalba, vaidina lemiamą vaidmenį siekiant šio tikslo. JavaScript kodo optimizavimas nebėra prabanga, o būtinybė norint suteikti sklandžią vartotojo patirtį globaliai auditorijai. Šis išsamus vadovas gilinsis į JavaScript mikrooptimizavimo pasaulį, ypač sutelkiant dėmesį į V8 variklį, kuris valdo Chrome, Node.js ir kitas populiarias platformas. Suprasdami, kaip veikia V8 variklis, ir taikydami tikslinius mikrooptimizavimo metodus, galite ženkliai pagerinti savo programos greitį ir efektyvumą, užtikrindami malonią patirtį vartotojams visame pasaulyje.

V8 variklio supratimas

Prieš gilinantis į konkrečius mikrooptimizavimus, būtina suprasti V8 variklio pagrindus. V8 yra aukštos našumo JavaScript ir WebAssembly variklis, sukurtas Google. Skirtingai nuo tradicinių interpretatorių, V8 kompiliuoja JavaScript kodą tiesiai į mašininį kodą prieš jį vykdydamas. Šis Just-In-Time (JIT) kompiliavimas leidžia V8 pasiekti nepaprastą našumą.

Pagrindinės V8 architektūros sąvokos

• Analizatorius (Parser): Konvertuoja JavaScript kodą į abstraktų sintaksės medį (AST).
• Ignition: Interpretatorius, kuris vykdo AST ir renka tipų grįžtamąjį ryšį.
• TurboFan: Labai optimizuojantis kompiliatorius, kuris naudoja tipų grįžtamąjį ryšį iš Ignition, kad sugeneruotų optimizuotą mašininį kodą.
• Šiukšlių surinkėjas (Garbage Collector): Valdo atminties paskirstymą ir atlaisvinimą, užkertant kelią atminties nutekėjimams.
• Įterptinė podėlis (Inline Cache - IC): Svarbi optimizavimo technika, kuri kaupia savybių prieigų ir funkcijų iškvietimų rezultatus, pagreitindama vėlesnius vykdymus.

V8 dinaminis optimizavimo procesas yra labai svarbus supratimui. Iš pradžių variklis vykdo kodą per Ignition interpretatorių, kuris yra gana greitas pradiniam vykdymui. Vykdymo metu Ignition renka informaciją apie kodo tipus, pavyzdžiui, kintamųjų tipus ir manipuliuojamus objektus. Ši tipo informacija tada perduodama TurboFan, optimizuojančiam kompiliatoriui, kuris ją naudoja, kad sugeneruotų labai optimizuotą mašininį kodą. Jei tipo informacija pasikeičia vykdymo metu, TurboFan gali deoptimizuoti kodą ir grįžti prie interpretatoriaus. Ši deoptimizacija gali būti brangi, todėl svarbu rašyti kodą, kuris padėtų V8 išlaikyti optimizuotą kompiliavimą.

Mikrooptimizavimo technikos V8 varikliui

Mikrooptimizavimai yra nedideli kodo pakeitimai, kurie gali turėti didelį poveikį našumui, kai juos vykdo V8 variklis. Šie optimizavimai dažnai yra subtilūs ir gali būti ne iš karto akivaizdūs, tačiau kartu jie gali ženkliai prisidėti prie našumo padidėjimo.

1. Tipų stabilumas: paslėptų klasių ir polimorfizmo vengimas

Vienas svarbiausių veiksnių, turinčių įtakos V8 našumui, yra tipų stabilumas. V8 naudoja paslėptas klases objektų struktūrai pavaizduoti. Kai objekto savybės keičiasi, V8 gali tekti sukurti naują paslėptą klasę, o tai gali būti brangu. Polimorfizmas, kai ta pati operacija atliekama su skirtingų tipų objektais, taip pat gali trukdyti optimizavimui. Išlaikydami tipų stabilumą, galite padėti V8 sugeneruoti efektyvesnį mašininį kodą.

Pavyzdys: objektų kūrimas su nuosekliomis savybėmis

Blogai:

 const obj1 = {};
 obj1.x = 10;
 obj1.y = 20;

 const obj2 = {};
 obj2.y = 20;
 obj2.x = 10;

Šiame pavyzdyje `obj1` ir `obj2` turi tas pačias savybes, bet skirtinga tvarka. Tai sukuria skirtingas paslėptas klases, o tai neigiamai veikia našumą. Nors žmogui tvarka logiškai atrodo ta pati, variklis juos matys kaip visiškai skirtingus objektus.

Gerai:

 const obj1 = { x: 10, y: 20 };
 const obj2 = { x: 10, y: 20 };

Inicializuodami savybes ta pačia tvarka, užtikrinate, kad abu objektai dalinsis ta pačia paslėpta klase. Alternatyviai, galite deklaruoti objekto struktūrą prieš priskirdami reikšmes:

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

 const obj1 = new Point(10, 20);
 const obj2 = new Point(10, 20);

Naudojant konstruktoriaus funkciją, užtikrinama nuosekli objekto struktūra.

Pavyzdys: polimorfizmo vengimas funkcijose

Blogai:

 function process(obj) {
 return obj.x + obj.y;
 }

 const obj1 = { x: 10, y: 20 };
 const obj2 = { x: "10", y: "20" };

 process(obj1); // Skaičiai
 process(obj2); // Eilutės

Čia `process` funkcija iškviečiama su objektais, kuriuose yra skaičiai ir eilutės. Tai sukelia polimorfizmą, nes `+` operatorius elgiasi skirtingai priklausomai nuo operandų tipų. Idealiu atveju, jūsų `process` funkcija turėtų gauti tik to paties tipo reikšmes, kad būtų galima maksimaliai optimizuoti.

Gerai:

 function process(obj) {
 return obj.x + obj.y;
 }

 const obj1 = { x: 10, y: 20 };

 process(obj1); // Skaičiai

Užtikrindami, kad funkcija visada būtų iškviečiama su objektais, kuriuose yra skaičiai, išvengiate polimorfizmo ir leidžiate V8 efektyviau optimizuoti kodą.

2. Savybių prieigų ir „hoisting“ minimizavimas

Prieiga prie objekto savybių gali būti gana brangi, ypač jei savybė nėra saugoma tiesiogiai objekte. „Hoisting“, kai kintamųjų ir funkcijų deklaracijos perkeliamos į savo apimties viršų, taip pat gali sukelti našumo pridėtinių išlaidų. Savybių prieigų minimizavimas ir nereikalingo „hoisting“ vengimas gali pagerinti našumą.

Pavyzdys: savybių reikšmių kaupimas podėlyje (caching)

Blogai:

 function calculateDistance(point1, point2) {
 const dx = point2.x - point1.x;
 const dy = point2.y - point1.y;
 return Math.sqrt(dx * dx + dy * dy);
 }

Šiame pavyzdyje prie `point1.x`, `point1.y`, `point2.x` ir `point2.y` kreipiamasi kelis kartus. Kiekviena savybės prieiga kainuoja našumo požiūriu.

Gerai:

 function calculateDistance(point1, point2) {
 const x1 = point1.x;
 const y1 = point1.y;
 const x2 = point2.x;
 const y2 = point2.y;
 const dx = x2 - x1;
 const dy = y2 - y1;
 return Math.sqrt(dx * dx + dy * dy);
 }

Kaupdami savybių reikšmes vietiniuose kintamuosiuose, sumažinate savybių prieigų skaičių ir pagerinate našumą. Tai taip pat daug skaitomiau.

Pavyzdys: nereikalingo „hoisting“ vengimas

Blogai:

 function example() {
 console.log(myVar);
 var myVar = 10;
 }

 example(); // Išveda: undefined

Šiame pavyzdyje `myVar` yra „pakeliamas“ (hoisted) į funkcijos apimties viršų, tačiau inicializuojamas po `console.log` sakinio. Tai gali sukelti netikėtą elgesį ir potencialiai trukdyti optimizavimui.

Gerai:

 function example() {
 var myVar = 10;
 console.log(myVar);
 }

 example(); // Išveda: 10

Inicializuodami kintamąjį prieš jį naudojant, išvengiate „hoisting“ ir pagerinate kodo aiškumą.

3. Ciklų ir iteracijų optimizavimas

Ciklai yra pagrindinė daugelio JavaScript programų dalis. Ciklų optimizavimas gali turėti didelį poveikį našumui, ypač dirbant su dideliais duomenų rinkiniais.

Pavyzdys: `for` ciklų naudojimas vietoje `forEach`

Blogai:

 const arr = new Array(1000000).fill(0);

 arr.forEach(item => {
 // Atlikite kažką su elementu
 });

`forEach` yra patogus būdas iteruoti per masyvus, tačiau jis gali būti lėtesnis nei tradiciniai `for` ciklai dėl pridėtinių išlaidų, susijusių su funkcijos iškvietimu kiekvienam elementui.

Gerai:

 const arr = new Array(1000000).fill(0);

 for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
 // Atlikite kažką su arr[i]
 }

Naudojant `for` ciklą gali būti greičiau, ypač dideliems masyvams. Taip yra todėl, kad `for` ciklai paprastai turi mažiau pridėtinių išlaidų nei `forEach` ciklai. Tačiau našumo skirtumas gali būti nereikšmingas mažesniems masyvams.

Pavyzdys: masyvo ilgio kaupimas podėlyje

Blogai:

 const arr = new Array(1000000).fill(0);

 for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
 // Atlikite kažką su arr[i]
 }

Šiame pavyzdyje `arr.length` pasiekiamas kiekvienoje ciklo iteracijoje. Tai galima optimizuoti, išsaugant ilgį vietiniame kintamajame.

Gerai:

 const arr = new Array(1000000).fill(0);

 const len = arr.length;
 for (let i = 0; i < len; i++) {
 // Atlikite kažką su arr[i]
 }

Išsaugodami masyvo ilgį, išvengiate pasikartojančių savybių prieigų ir pagerinate našumą. Tai ypač naudinga ilgai trunkančiuose cikluose.

4. Eilučių sujungimas: šabloninių literalų arba masyvų sujungimo (join) naudojimas

Eilučių sujungimas yra dažna operacija JavaScript, tačiau ji gali būti neefektyvi, jei atliekama neatsargiai. Pakartotinis eilučių sujungimas naudojant `+` operatorių gali sukurti tarpines eilutes, o tai sukelia atminties pridėtinių išlaidų.

Pavyzdys: šabloninių literalų naudojimas

Blogai:

 let str = "Sveiki";
 str += " ";
 str += "Pasauli";
 str += "!";

Šis metodas sukuria kelias tarpines eilutes, o tai neigiamai veikia našumą. Reikėtų vengti pakartotinio eilučių sujungimo cikle.

Gerai:

 const str = `Sveiki Pasauli!`;

Paprastam eilučių sujungimui, šabloninių literalų naudojimas paprastai yra daug efektyvesnis.

Alternatyvus geras būdas (didėjant didesnėms eilutėms):

 const parts = [];
 parts.push("Sveiki");
 parts.push(" ");
 parts.push("Pasauli");
 parts.push("!");

 const str = parts.join('');

Kuriant dideles eilutes palaipsniui, naudojant masyvą ir tada sujungiant elementus, dažnai yra efektyviau nei pakartotinis eilučių sujungimas. Šabloniniai literalai yra optimizuoti paprastam kintamųjų pakeitimui, o masyvų sujungimai yra labiau tinkami didelėms dinaminėms konstrukcijoms. `parts.join('')` yra labai efektyvus.

5. Funkcijų iškvietimų ir uždarymų (closures) optimizavimas

Funkcijų iškvietimai ir uždarymai gali sukelti pridėtinių išlaidų, ypač jei jie naudojami per daug arba neefektyviai. Optimizuojant funkcijų iškvietimus ir uždarymus galima pagerinti našumą.

Pavyzdys: nereikalingų funkcijų iškvietimų vengimas

Blogai:

 function kvadratu(x) {
 return x * x;
 }

 function apskaiciuotiPlota(spindulys) {
 return Math.PI * kvadratu(spindulys);
 }

Nors atsakomybių atskyrimas yra gerai, nereikalingos mažos funkcijos gali kauptis. Kvadrato skaičiavimų įterpimas (inlining) kartais gali duoti pagerėjimą.

Gerai:

 function apskaiciuotiPlota(spindulys) {
 return Math.PI * spindulys * spindulys;
 }

Įterpdami `kvadratu` funkciją, išvengiate funkcijos iškvietimo pridėtinių išlaidų. Tačiau atsižvelkite į kodo skaitomumą ir palaikomumą. Kartais aiškumas yra svarbesnis už nedidelį našumo padidėjimą.

Pavyzdys: atsargus uždarymų valdymas

Blogai:

 function sukurtiSkaitikli() {
 let sk = 0;
 return function() {
 sk++;
 return sk;
 };
 }

 const skaitiklis1 = sukurtiSkaitikli();
 const skaitiklis2 = sukurtiSkaitikli();

 console.log(skaitiklis1()); // Išveda: 1
 console.log(skaitiklis2()); // Išveda: 1

Uždarymai gali būti galingi, tačiau jie taip pat gali sukelti atminties pridėtinių išlaidų, jei nėra valdomi atsargiai. Kiekvienas uždarymas užfiksuoja kintamuosius iš savo aplinkos apimties, o tai gali neleisti jiems būti surinktiems šiukšlių surinkėjo.

Gerai:

 function sukurtiSkaitikli() {
 let sk = 0;
 return function() {
 sk++;
 return sk;
 };
 }

 const skaitiklis1 = sukurtiSkaitikli();
 const skaitiklis2 = sukurtiSkaitikli();

 console.log(skaitiklis1()); // Išveda: 1
 console.log(skaitiklis2()); // Išveda: 1

Šiame konkrečiame pavyzdyje gerojo atvejo pagerėjimo nėra. Pagrindinė išvada apie uždarymus yra atkreipti dėmesį į tai, kurie kintamieji yra užfiksuojami. Jei jums reikia naudoti tik nekintamus duomenis iš išorinės apimties, apsvarstykite galimybę uždarymo kintamuosius padaryti `const`.

6. Bitų operatorių naudojimas sveikųjų skaičių operacijoms

Bitų operatoriai gali būti greitesni už aritmetinius operatorius tam tikroms sveikųjų skaičių operacijoms, ypač toms, kurios susijusios su 2 laipsniais. Tačiau našumo padidėjimas gali būti minimalus ir gali pakenkti kodo skaitomumui.

Pavyzdys: tikrinimas, ar skaičius yra lyginis

Blogai:

 function arLyginis(sk) {
 return sk % 2 === 0;
 }

Dalybos liekanos operatorius (`%`) gali būti gana lėtas.

Gerai:

 function arLyginis(sk) {
 return (sk & 1) === 0;
 }

Naudojant bitų IR operatorių (`&`) gali būti greičiau tikrinant, ar skaičius yra lyginis. Tačiau našumo skirtumas gali būti nereikšmingas, o kodas gali būti mažiau skaitomas.

7. Reguliariųjų išraiškų optimizavimas

Reguliariosios išraiškos gali būti galingas įrankis manipuliuoti eilutėmis, tačiau jos taip pat gali būti skaičiavimo požiūriu brangios, jei nėra parašytos atsargiai. Reguliariųjų išraiškų optimizavimas gali ženkliai pagerinti našumą.

Pavyzdys: grįžtamojo sekimo (backtracking) vengimas

Blogai:

 const regex = /.*abc/; // Potencialiai lėtas dėl grįžtamojo sekimo
 const str = "aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabc";
 regex.test(str);

`.*` šioje reguliariojoje išraiškoje gali sukelti perteklinį grįžtamąjį sekimą, ypač ilgoms eilutėms. Grįžtamasis sekimas įvyksta, kai reguliariosios išraiškos variklis bando kelis galimus atitikmenis prieš nepavykdamas.

Gerai:

 const regex = /[^a]*abc/; // Efektyvesnis, nes apsaugo nuo grįžtamojo sekimo
 const str = "aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabc";
 regex.test(str);

Naudodami `[^a]*`, jūs neleidžiate reguliariosios išraiškos varikliui be reikalo atlikti grįžtamąjį sekimą. Tai gali ženkliai pagerinti našumą, ypač ilgoms eilutėms. Atkreipkite dėmesį, kad priklausomai nuo įvesties, `^` gali pakeisti atitikimo elgseną. Atidžiai išbandykite savo reguliariąją išraišką.

8. WebAssembly galios panaudojimas

WebAssembly (Wasm) yra dvejetainis instrukcijų formatas, skirtas dėklo (stack-based) virtualiai mašinai. Jis sukurtas kaip nešiojamas kompiliavimo tikslas programavimo kalboms, leidžiantis diegti jį internete kliento ir serverio programoms. Skaičiavimo požiūriu intensyvioms užduotims WebAssembly gali pasiūlyti žymiai geresnį našumą, palyginti su JavaScript.

Pavyzdys: sudėtingų skaičiavimų atlikimas WebAssembly

Jei turite JavaScript programą, kuri atlieka sudėtingus skaičiavimus, tokius kaip vaizdų apdorojimas ar mokslinės simuliacijos, galite apsvarstyti tų skaičiavimų įgyvendinimą WebAssembly. Tada galite iškviesti WebAssembly kodą iš savo JavaScript programos.

JavaScript:

 // Iškviečiame WebAssembly funkciją
 const result = wasmModule.exports.calculate(input);

WebAssembly (pavyzdys naudojant AssemblyScript):

 export function calculate(input: i32): i32 {
 // Atliekame sudėtingus skaičiavimus
 return result;
 }

WebAssembly gali suteikti beveik natūralų našumą skaičiavimo požiūriu intensyvioms užduotims, todėl tai yra vertingas įrankis optimizuojant JavaScript programas. Kalbos, tokios kaip Rust, C++ ir AssemblyScript, gali būti kompiliuojamos į WebAssembly. AssemblyScript yra ypač naudingas, nes jis panašus į TypeScript ir turi žemą įėjimo barjerą JavaScript programuotojams.

Našumo profiliavimo įrankiai ir technikos

Prieš taikant bet kokius mikrooptimizavimus, būtina nustatyti našumo kliūtis jūsų programoje. Našumo profiliavimo įrankiai gali padėti nustatyti tas kodo sritis, kurios sunaudoja daugiausiai laiko. Dažniausiai naudojami profiliavimo įrankiai:

• Chrome DevTools: Chrome integruoti kūrėjo įrankiai (DevTools) suteikia galingas profiliavimo galimybes, leidžiančias įrašyti CPU naudojimą, atminties paskirstymą ir tinklo veiklą.
• Node.js profiliuotojas: Node.js turi integruotą profiliuotoją, kurį galima naudoti analizuojant serverio pusės JavaScript kodo našumą.
• Lighthouse: Lighthouse yra atvirojo kodo įrankis, kuris audituoja tinklalapius dėl našumo, prieinamumo, progresyviųjų interneto programų geriausių praktikų, SEO ir kt.
• Trečiųjų šalių profiliavimo įrankiai: Yra keletas trečiųjų šalių profiliavimo įrankių, siūlančių pažangias funkcijas ir įžvalgas apie programos našumą.

Profiluodami savo kodą, sutelkite dėmesį į tų funkcijų ir kodo sekcijų, kurios užtrunka ilgiausiai, nustatymą. Naudokite profiliavimo duomenis, kad nukreiptumėte savo optimizavimo pastangas.

Globalūs aspektai JavaScript našumui

Kuriant JavaScript programas globaliai auditorijai, svarbu atsižvelgti į tokius veiksnius kaip tinklo delsą, įrenginių galimybes ir lokalizaciją.

Tinklo delsa

Tinklo delsa gali ženkliai paveikti interneto programų našumą, ypač vartotojams geografiškai nutolusiose vietovėse. Sumažinkite tinklo užklausas:

• JavaScript failų sujungimas į paketus: Kelių JavaScript failų sujungimas į vieną paketą sumažina HTTP užklausų skaičių.
• JavaScript kodo minifikavimas: Nereikalingų simbolių ir tarpų pašalinimas iš JavaScript kodo sumažina failo dydį.
• Turinio pristatymo tinklo (CDN) naudojimas: CDN paskirsto jūsų programos išteklius serveriams visame pasaulyje, sumažindami delsą vartotojams skirtingose vietovėse.
• Podėlio naudojimas (Caching): Įgyvendinkite podėlio strategijas, kad dažnai naudojami duomenys būtų saugomi vietoje, sumažinant poreikį juos pakartotinai gauti iš serverio.

Įrenginių galimybės

Vartotojai prie interneto programų prisijungia naudodami įvairius įrenginius, nuo aukštos klasės stalinių kompiuterių iki mažos galios mobiliųjų telefonų. Optimizuokite savo JavaScript kodą, kad jis efektyviai veiktų įrenginiuose su ribotais ištekliais:

• Atidėtojo įkėlimo (lazy loading) naudojimas: Įkelkite vaizdus ir kitus išteklius tik tada, kai jų prireikia, sumažindami pradinį puslapio įkėlimo laiką.
• Animacijų optimizavimas: Naudokite CSS animacijas arba requestAnimationFrame sklandžioms ir efektyvioms animacijoms.
• Atminties nutekėjimų vengimas: Atsargiai valdykite atminties paskirstymą ir atlaisvinimą, kad išvengtumėte atminties nutekėjimų, kurie laikui bėgant gali pabloginti našumą.

Lokalizacija

Lokalizacija apima jūsų programos pritaikymą skirtingoms kalboms ir kultūrinėms konvencijoms. Lokalizuodami JavaScript kodą, atsižvelkite į šiuos dalykus:

• Tarptautinimo API (Intl) naudojimas: Intl API suteikia standartizuotą būdą formatuoti datas, skaičius ir valiutas pagal vartotojo lokalę.
• Teisingas Unicode simbolių tvarkymas: Užtikrinkite, kad jūsų JavaScript kodas gali teisingai tvarkyti Unicode simbolius, nes skirtingos kalbos gali naudoti skirtingus simbolių rinkinius.
• Vartotojo sąsajos elementų pritaikymas skirtingoms kalboms: Pritaikykite vartotojo sąsajos elementų išdėstymą ir dydį, kad atitiktų skirtingas kalbas, nes kai kurioms kalboms gali prireikti daugiau vietos nei kitoms.

Išvada

JavaScript mikrooptimizavimas gali ženkliai pagerinti jūsų programų našumą, suteikdamas sklandesnę ir jautresnę vartotojo patirtį globaliai auditorijai. Suprasdami V8 variklio architektūrą ir taikydami tikslinius optimizavimo metodus, galite išnaudoti visą JavaScript potencialą. Nepamirškite profiliuoti savo kodo prieš taikydami bet kokius optimizavimus ir visada teikite pirmenybę kodo skaitomumui ir palaikomumui. Toliau besivystant internetui, JavaScript našumo optimizavimo įgūdžiai taps vis svarbesni norint teikti išskirtines interneto patirtis.