JavaScript V8 optimizuojančio kompiliatoriaus konvejeris: „TurboFan“ kodo generavimo analizė

V8 JavaScript variklis, sukurtas „Google“, yra vykdymo aplinka, kurią naudoja „Chrome“ ir „Node.js“. Jo nenuilstamas našumo siekis pavertė jį modernaus žiniatinklio kūrimo kertiniu akmeniu. Esminis V8 našumo komponentas yra jo optimizuojantis kompiliatorius „TurboFan“. Šiame straipsnyje pateikiama išsami „TurboFan“ kodo generavimo konvejerio analizė, nagrinėjami jo optimizavimo metodai ir jų pasekmės žiniatinklio programų našumui visame pasaulyje.

Įvadas į V8 ir jo kompiliavimo konvejerį

V8 naudoja kelių lygių kompiliavimo konvejerį, kad pasiektų optimalų našumą. Iš pradžių „Ignition“ interpretatorius vykdo JavaScript kodą. Nors „Ignition“ užtikrina greitą paleidimo laiką, jis nėra optimizuotas ilgai veikiančiam ar dažnai vykdomam kodui. Būtent čia įsikiša „TurboFan“.

Kompiliavimo procesą V8 galima grubiai suskirstyti į šiuos etapus:

• Analizė (Parsing): Pirminis kodas yra išanalizuojamas ir paverčiamas į Abstraktų Sintaksės Medį (AST).
• Ignition: AST yra interpretuojamas „Ignition“ interpretatoriaus.
• Profiliavimas: V8 stebi kodo vykdymą „Ignition“ viduje, identifikuodamas „karštąsias vietas“.
• TurboFan: „Karštosios“ funkcijos yra kompiliuojamos „TurboFan“ į optimizuotą mašininį kodą.
• Deoptimizavimas: Jei kompiliavimo metu „TurboFan“ padarytos prielaidos pasirodo esančios klaidingos, kodas deoptimizuojamas atgal į „Ignition“.

Šis pakopinis požiūris leidžia V8 efektyviai subalansuoti paleidimo laiką ir maksimalų našumą, užtikrinant jautrią vartotojo patirtį žiniatinklio programose visame pasaulyje.

„TurboFan“ kompiliatorius: išsami analizė

„TurboFan“ yra sudėtingas optimizuojantis kompiliatorius, kuris paverčia JavaScript kodą į itin efektyvų mašininį kodą. Kad tai pasiektų, jis naudoja įvairias technikas, įskaitant:

• Statinio vienkartinio priskyrimo (SSA) forma: „TurboFan“ pateikia kodą SSA forma, kuri supaprastina daugelį optimizavimo etapų. SSA formoje kiekvienam kintamajam reikšmė priskiriama tik vieną kartą, todėl duomenų srautų analizė tampa paprastesnė.
• Valdymo srauto grafas (CFG): Kompiliatorius sukuria CFG, kad pavaizduotų programos valdymo srautą. Tai leidžia atlikti tokias optimizacijas kaip negyvo kodo pašalinimas ir ciklų išvyniojimas.
• Tipų grįžtamasis ryšys: V8 renka informaciją apie tipus vykdant kodą „Ignition“. Šį tipų grįžtamąjį ryšį „TurboFan“ naudoja specializuodamas kodą konkretiems tipams, o tai lemia didelį našumo pagerėjimą.
• Įterpimas (Inlining): „TurboFan“ įterpia funkcijų iškvietimus, pakeisdamas iškvietimo vietą funkcijos turiniu. Tai pašalina funkcijų iškvietimų pridėtines išlaidas ir leidžia atlikti tolesnį optimizavimą.
• Ciklų optimizavimas: „TurboFan“ taiko įvairias optimizacijas ciklams, tokias kaip ciklų išvyniojimas, ciklų suliejimas ir operacijų stiprumo mažinimas.
• Sąmoningumas apie šiukšlių surinkimą: Kompiliatorius žino apie šiukšlių surinkėją ir generuoja kodą, kuris sumažina jo poveikį našumui.

Nuo JavaScript iki mašininio kodo: „TurboFan“ konvejeris

„TurboFan“ kompiliavimo konvejerį galima suskirstyti į kelis pagrindinius etapus:

1. Grafo sudarymas: Pradinis žingsnis apima AST konvertavimą į grafo reprezentaciją. Šis grafas yra duomenų srautų grafas, vaizduojantis JavaScript kodo atliekamus skaičiavimus.
2. Tipų išvedimas: „TurboFan“ išveda kintamųjų ir išraiškų tipus kode, remdamasis tipų grįžtamuoju ryšiu, surinktu vykdymo metu. Tai leidžia kompiliatoriui specializuoti kodą konkretiems tipams.
3. Optimizavimo etapai: Grafui taikomi keli optimizavimo etapai, įskaitant konstantų sulankstymą, negyvo kodo pašalinimą ir ciklų optimizavimą. Šiais etapais siekiama supaprastinti grafą ir pagerinti generuojamo kodo efektyvumą.
4. Mašininio kodo generavimas: Optimizuotas grafas tada verčiamas į mašininį kodą. Tai apima tinkamų instrukcijų parinkimą tikslinei architektūrai ir registrų paskyrimą kintamiesiems.
5. Kodo užbaigimas: Paskutinis žingsnis apima sugeneruoto mašininio kodo pataisymą ir susiejimą su kitu programos kodu.

Pagrindinės optimizavimo technikos „TurboFan“

„TurboFan“ naudoja platų optimizavimo technikų spektrą, kad generuotų efektyvų mašininį kodą. Kai kurios svarbiausių technikų apima:

Tipų specializacija

JavaScript yra dinamiškai tipizuota kalba, o tai reiškia, kad kintamojo tipas nėra žinomas kompiliavimo metu. Dėl to kompiliatoriams gali būti sunku optimizuoti kodą. „TurboFan“ sprendžia šią problemą naudodamas tipų grįžtamąjį ryšį, kad specializuotų kodą konkretiems tipams.

Pavyzdžiui, apsvarstykite šį JavaScript kodą:

function add(x, y) {
 return x + y;
}

Neturėdamas informacijos apie tipus, „TurboFan“ turi generuoti kodą, kuris gali apdoroti bet kokio tipo įvestį `x` ir `y`. Tačiau, jei kompiliatorius žino, kad `x` ir `y` visada yra skaičiai, jis gali generuoti daug efektyvesnį kodą, kuris tiesiogiai atlieka sveikųjų skaičių sudėtį. Ši tipų specializacija gali žymiai pagerinti našumą.

Įterpimas (Inlining)

Įterpimas yra technika, kai funkcijos turinys įterpiamas tiesiai į iškvietimo vietą. Tai pašalina funkcijų iškvietimų pridėtines išlaidas ir leidžia atlikti tolesnį optimizavimą. „TurboFan“ atlieka įterpimą agresyviai, įterpdamas tiek mažas, tiek dideles funkcijas.

Apsvarstykite šį JavaScript kodą:

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

function calculateArea(radius) {
 return Math.PI * square(radius);
}

Jei „TurboFan“ įterptų `square` funkciją į `calculateArea` funkciją, gautas kodas būtų:

function calculateArea(radius) {
 return Math.PI * (radius * radius);
}

Šis įterptas kodas pašalina funkcijos iškvietimo pridėtines išlaidas ir leidžia kompiliatoriui atlikti tolesnes optimizacijas, pavyzdžiui, konstantų sulankstymą (jei `Math.PI` yra žinomas kompiliavimo metu).

Ciklų optimizavimas

Ciklai yra dažnas našumo problemų šaltinis JavaScript kode. „TurboFan“ naudoja kelias technikas ciklams optimizuoti, įskaitant:

• Ciklų išvyniojimas: Ši technika dubliuoja ciklo turinį kelis kartus, sumažindama ciklo valdymo pridėtines išlaidas.
• Ciklų suliejimas: Ši technika sujungia kelis ciklus į vieną, sumažindama ciklo valdymo pridėtines išlaidas ir pagerindama duomenų lokališkumą.
• Operacijų stiprumo mažinimas: Ši technika pakeičia brangias operacijas ciklo viduje pigesnėmis. Pavyzdžiui, daugyba iš konstantos gali būti pakeista sudėčių ir postūmių seka.

Deoptimizavimas

Nors „TurboFan“ siekia generuoti labai optimizuotą kodą, ne visada įmanoma tobulai numatyti JavaScript kodo elgseną vykdymo metu. Jei kompiliavimo metu „TurboFan“ padarytos prielaidos pasirodo esančios klaidingos, kodas turi būti deoptimizuotas atgal į „Ignition“.

Deoptimizavimas yra brangi operacija, nes ji apima optimizuoto mašininio kodo atmetimą ir grįžimą prie interpretatoriaus. Siekdamas sumažinti deoptimizavimo dažnumą, „TurboFan“ naudoja apsaugos sąlygas, kad patikrintų savo prielaidas vykdymo metu. Jei apsaugos sąlyga neįvykdoma, kodas deoptimizuojamas.

Pavyzdžiui, jei „TurboFan“ daro prielaidą, kad kintamasis visada yra skaičius, jis gali įterpti apsaugos sąlygą, kuri tikrina, ar kintamasis iš tiesų yra skaičius. Jei kintamasis tampa eilute, apsaugos sąlyga nebus įvykdyta ir kodas bus deoptimizuotas.

Našumo pasekmės ir geriausios praktikos

Supratimas, kaip veikia „TurboFan“, gali padėti kūrėjams rašyti efektyvesnį JavaScript kodą. Štai keletas geriausių praktikų, kurias verta prisiminti:

• Naudokite griežtąjį režimą (Strict Mode): Griežtasis režimas taiko griežtesnę analizę ir klaidų tvarkymą, o tai gali padėti „TurboFan“ generuoti labiau optimizuotą kodą.
• Venkite tipų painiavos: Laikykitės nuoseklių kintamųjų tipų, kad „TurboFan“ galėtų efektyviai specializuoti kodą. Tipų maišymas gali sukelti deoptimizavimą ir našumo sumažėjimą.
• Rašykite mažas, konkrečias funkcijas: Mažesnes funkcijas „TurboFan“ lengviau įterpti ir optimizuoti.
• Optimizuokite ciklus: Atkreipkite dėmesį į ciklų našumą, nes ciklai dažnai yra našumo problemų šaltinis. Naudokite tokias technikas kaip ciklų išvyniojimas ir ciklų suliejimas, kad pagerintumėte našumą.
• Profiluokite savo kodą: Naudokite profiliavimo įrankius, kad nustatytumėte našumo problemas savo kode. Tai padės sutelkti optimizavimo pastangas į sritis, kurios turės didžiausią poveikį. „Chrome DevTools“ ir „Node.js“ integruotas profiliuotojas yra vertingi įrankiai.

Įrankiai „TurboFan“ našumui analizuoti

Keli įrankiai gali padėti kūrėjams analizuoti „TurboFan“ našumą ir nustatyti optimizavimo galimybes:

• Chrome DevTools: „Chrome DevTools“ suteikia įvairių įrankių JavaScript kodo profiliavimui ir derinimui, įskaitant galimybę peržiūrėti „TurboFan“ sugeneruotą kodą ir nustatyti deoptimizavimo taškus.
• Node.js profiliuotojas: „Node.js“ turi integruotą profiliuotoją, kurį galima naudoti našumo duomenims apie „Node.js“ aplinkoje veikiantį JavaScript kodą rinkti.
• V8 d8 apvalkalas (shell): d8 apvalkalas yra komandinės eilutės įrankis, leidžiantis kūrėjams vykdyti JavaScript kodą V8 variklyje. Jis gali būti naudojamas eksperimentuoti su skirtingomis optimizavimo technikomis ir analizuoti jų poveikį našumui.

Pavyzdys: „Chrome DevTools“ naudojimas „TurboFan“ analizei

Panagrinėkime paprastą pavyzdį, kaip naudoti „Chrome DevTools“ „TurboFan“ našumui analizuoti. Naudosime šį JavaScript kodą:

function slowFunction(x) {
 let result = 0;
 for (let i = 0; i < 100000; i++) {
 result += x * i;
 }
 return result;
}

console.time("slowFunction");
slowFunction(5);
console.timeEnd("slowFunction");

Norėdami išanalizuoti šį kodą naudojant „Chrome DevTools“, atlikite šiuos veiksmus:

1. Atidarykite „Chrome DevTools“ (Ctrl+Shift+I arba Cmd+Option+I).
2. Eikite į skirtuką „Performance“.
3. Spauskite mygtuką „Record“.
4. Atnaujinkite puslapį arba paleiskite JavaScript kodą.
5. Spauskite mygtuką „Stop“.

Skirtuke „Performance“ bus rodoma JavaScript kodo vykdymo laiko juosta. Galite priartinti „slowFunction“ iškvietimą, kad pamatytumėte, kaip „TurboFan“ optimizavo kodą. Taip pat galite peržiūrėti sugeneruotą mašininį kodą ir nustatyti bet kokius deoptimizavimo taškus.

„TurboFan“ ir JavaScript našumo ateitis

„TurboFan“ yra nuolat tobulinamas kompiliatorius, o „Google“ nuolat stengiasi gerinti jo našumą. Kai kurios sritys, kuriose tikimasi „TurboFan“ patobulinimų ateityje, yra:

• Geresnis tipų išvedimas: Pagerinus tipų išvedimą, „TurboFan“ galės efektyviau specializuoti kodą, o tai leis pasiekti dar didesnį našumą.
• Agresyvesnis įterpimas: Daugiau funkcijų įterpimas pašalins daugiau funkcijų iškvietimų pridėtinių išlaidų ir leis atlikti tolesnį optimizavimą.
• Patobulintas ciklų optimizavimas: Efektyvesnis ciklų optimizavimas pagerins daugelio JavaScript programų našumą.
• Geresnis „WebAssembly“ palaikymas: „TurboFan“ taip pat naudojamas „WebAssembly“ kodui kompiliuoti. Pagerinus jo palaikymą „WebAssembly“, kūrėjai galės rašyti didelio našumo žiniatinklio programas naudodami įvairias kalbas.

Globalūs aspektai JavaScript optimizavimui

Optimizuojant JavaScript kodą, būtina atsižvelgti į globalų kontekstą. Skirtinguose regionuose gali skirtis tinklo greitis, įrenginių galimybės ir vartotojų lūkesčiai. Štai keletas pagrindinių aspektų:

• Tinklo delsa: Vartotojai regionuose su didele tinklo delsa gali patirti ilgesnį įkėlimo laiką. Kodo dydžio optimizavimas ir tinklo užklausų skaičiaus mažinimas gali pagerinti našumą šiuose regionuose.
• Įrenginių galimybės: Vartotojai besivystančiose šalyse gali turėti senesnius ar mažiau galingus įrenginius. Kodo optimizavimas šiems įrenginiams gali pagerinti našumą ir prieinamumą.
• Lokalizavimas: Apsvarstykite lokalizavimo poveikį našumui. Lokalizuotos eilutės gali būti ilgesnės arba trumpesnės už originalias, o tai gali paveikti išdėstymą ir našumą.
• Internacionalizavimas: Dirbdami su internacionalizuotais duomenimis, naudokite efektyvius algoritmus ir duomenų struktūras. Pavyzdžiui, naudokite Unicode palaikančias eilučių manipuliavimo funkcijas, kad išvengtumėte našumo problemų.
• Prieinamumas: Užtikrinkite, kad jūsų kodas būtų prieinamas vartotojams su negalia. Tai apima alternatyvaus teksto pateikimą paveikslėliams, semantinio HTML naudojimą ir prieinamumo gairių laikymąsi.

Atsižvelgdami į šiuos globalius veiksnius, kūrėjai gali sukurti JavaScript programas, kurios gerai veikia vartotojams visame pasaulyje.

Išvados

„TurboFan“ yra galingas optimizuojantis kompiliatorius, kuris atlieka lemiamą vaidmenį V8 našumui. Suprasdami, kaip veikia „TurboFan“, ir laikydamiesi geriausių praktikų rašant efektyvų JavaScript kodą, kūrėjai gali sukurti žiniatinklio programas, kurios yra greitos, reaguojančios ir prieinamos vartotojams visame pasaulyje. Nuolatiniai „TurboFan“ tobulinimai užtikrina, kad JavaScript išliktų konkurencinga platforma kuriant didelio našumo žiniatinklio programas pasaulinei auditorijai. Nuolatinis domėjimasis naujausiais V8 ir „TurboFan“ pasiekimais leis kūrėjams išnaudoti visą JavaScript ekosistemos potencialą ir teikti išskirtines vartotojų patirtis įvairiose aplinkose ir įrenginiuose.