JavaScript V8 spekuliatyvusis optimizavimas: nuodugni nuspėjamojo kodo tobulinimo analizė

JavaScript, kalba, kuria grindžiamas internetas, labai priklauso nuo jos vykdymo aplinkų našumo. Google V8 variklis, naudojamas Chrome ir Node.js, yra vienas iš lyderių šioje srityje, taikantis sudėtingus optimizavimo metodus, kad užtikrintų greitą ir efektyvų JavaScript vykdymą. Vienas svarbiausių V8 našumo aspektų yra jo naudojamas spekuliatyvusis optimizavimas. Šiame tinklaraščio įraše pateikiama išsami spekuliatyviojo optimizavimo V8 variklyje analizė, detalizuojant, kaip jis veikia, kokie jo privalumai ir kaip programuotojai gali rašyti kodą, kuris iš to gautų naudos.

Kas yra spekuliatyvusis optimizavimas?

Spekuliatyvusis optimizavimas – tai optimizavimo tipas, kai kompiliatorius daro prielaidas apie kodo elgseną vykdymo metu. Šios prielaidos grindžiamos stebimais šablonais ir euristikomis. Jei prielaidos pasitvirtina, optimizuotas kodas gali veikti žymiai greičiau. Tačiau, jei prielaidos pažeidžiamos (deoptimizavimas), variklis turi grįžti prie mažiau optimizuotos kodo versijos, o tai sukelia našumo nuostolius.

Įsivaizduokite tai kaip virėją, kuris numato kitą recepto žingsnį ir iš anksto paruošia ingredientus. Jei numatytas žingsnis yra teisingas, gaminimo procesas tampa efektyvesnis. Bet jei virėjas numato neteisingai, jam tenka grįžti atgal ir pradėti iš naujo, švaistant laiką ir resursus.

V8 optimizavimo konvejeris: Crankshaft ir Turbofan

Norint suprasti spekuliatyvųjį optimizavimą V8 variklyje, svarbu žinoti apie skirtingus jo optimizavimo konvejerio lygius. Tradiciškai V8 naudojo du pagrindinius optimizuojančius kompiliatorius: Crankshaft ir Turbofan. Nors Crankshaft vis dar egzistuoja, Turbofan dabar yra pagrindinis optimizuojantis kompiliatorius šiuolaikinėse V8 versijose. Šiame įraše daugiausia dėmesio bus skiriama Turbofan, bet trumpai bus paliestas ir Crankshaft.

Crankshaft

Crankshaft buvo senesnis V8 optimizuojantis kompiliatorius. Jis naudojo tokius metodus kaip:

• Paslėptosios klasės: V8 priskiria objektams „paslėptąsias klases“ pagal jų struktūrą (jų savybių tvarką ir tipus). Kai objektai turi tą pačią paslėptąją klasę, V8 gali optimizuoti prieigą prie savybių.
• Įterptinis podėliavimas (Inline Caching): Crankshaft kaupia savybių paieškos rezultatus. Jei prie tos pačios savybės prieinama objekte su ta pačia paslėptąja klase, V8 gali greitai gauti reikšmę iš podėlio.
• Deoptimizavimas: Jei kompiliavimo metu padarytos prielaidos pasirodo esančios klaidingos (pvz., pasikeičia paslėptoji klasė), Crankshaft deoptimizuoja kodą ir grįžta prie lėtesnio interpretatoriaus.

Turbofan

Turbofan yra šiuolaikinis V8 optimizuojantis kompiliatorius. Jis yra lankstesnis ir efektyvesnis nei Crankshaft. Pagrindinės Turbofan savybės:

• Tarpinis vaizdas (IR): Turbofan naudoja sudėtingesnį tarpinį vaizdą, kuris leidžia atlikti agresyvesnius optimizavimus.
• Tipų grįžtamasis ryšys: Turbofan remiasi tipų grįžtamuoju ryšiu, kad surinktų informaciją apie kintamųjų tipus ir funkcijų elgseną vykdymo metu. Ši informacija naudojama pagrįstiems optimizavimo sprendimams priimti.
• Spekuliatyvusis optimizavimas: Turbofan daro prielaidas apie kintamųjų tipus ir funkcijų elgseną. Jei šios prielaidos pasitvirtina, optimizuotas kodas gali veikti žymiai greičiau. Jei prielaidos pažeidžiamos, Turbofan deoptimizuoja kodą ir grįžta prie mažiau optimizuotos versijos.

Kaip veikia spekuliatyvusis optimizavimas V8 (Turbofan)

Turbofan naudoja kelis spekuliatyviojo optimizavimo metodus. Štai pagrindinių žingsnių apžvalga:

1. Profiliavimas ir tipų grįžtamasis ryšys: V8 stebi JavaScript kodo vykdymą, renkant informaciją apie kintamųjų tipus ir funkcijų elgseną. Tai vadinama tipų grįžtamuoju ryšiu. Pavyzdžiui, jei funkcija kelis kartus iškviečiama su sveikųjų skaičių argumentais, V8 gali spėlioti, kad ji visada bus kviečiama su sveikųjų skaičių argumentais.
2. Prielaidų generavimas: Remdamasis tipų grįžtamuoju ryšiu, Turbofan generuoja prielaidas apie kodo elgseną. Pavyzdžiui, jis gali daryti prielaidą, kad kintamasis visada bus sveikasis skaičius arba kad funkcija visada grąžins tam tikro tipo reikšmę.
3. Optimizuoto kodo generavimas: Turbofan generuoja optimizuotą mašininį kodą remdamasis sugeneruotomis prielaidomis. Šis optimizuotas kodas dažnai yra daug greitesnis už neoptimizuotą. Pavyzdžiui, jei Turbofan daro prielaidą, kad kintamasis visada yra sveikasis skaičius, jis gali generuoti kodą, kuris tiesiogiai atlieka sveikųjų skaičių aritmetiką, netikrindamas kintamojo tipo.
4. Apsaugų įterpimas: Turbofan įterpia apsaugas į optimizuotą kodą, kad patikrintų, ar prielaidos vis dar galioja vykdymo metu. Šios apsaugos yra maži kodo fragmentai, kurie tikrina kintamųjų tipus ar funkcijų elgseną.
5. Deoptimizavimas: Jei apsauga nepavyksta, tai reiškia, kad viena iš prielaidų buvo pažeista. Tokiu atveju Turbofan deoptimizuoja kodą ir grįžta prie mažiau optimizuotos versijos. Deoptimizavimas gali būti brangus, nes jis apima optimizuoto kodo išmetimą ir funkcijos perkompiliavimą.

Pavyzdys: spekuliatyvusis sudėties optimizavimas

Apsvarstykite šią JavaScript funkciją:

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

add(1, 2); // Pradinis iškvietimas su sveikaisiais skaičiais
add(3, 4);
add(5, 6);

V8 pastebi, kad `add` funkcija yra kviečiama su sveikųjų skaičių argumentais kelis kartus. Jis spėlioja, kad `x` ir `y` visada bus sveikieji skaičiai. Remdamasis šia prielaida, Turbofan generuoja optimizuotą mašininį kodą, kuris tiesiogiai atlieka sveikųjų skaičių sudėtį, netikrindamas `x` ir `y` tipų. Jis taip pat įterpia apsaugas, kad patikrintų, ar `x` ir `y` iš tikrųjų yra sveikieji skaičiai prieš atliekant sudėtį.

Dabar apsvarstykite, kas atsitinka, jei funkcija iškviečiama su eilutės argumentu:

add("hello", "world"); // Vėlesnis iškvietimas su eilutėmis

Apsauga nepavyksta, nes `x` ir `y` nebėra sveikieji skaičiai. Turbofan deoptimizuoja kodą ir grįžta prie mažiau optimizuotos versijos, kuri gali apdoroti eilutes. Mažiau optimizuota versija patikrina `x` ir `y` tipus prieš atlikdama sudėtį ir, jei jie yra eilutės, atlieka eilučių sujungimą.

Spekuliatyviojo optimizavimo privalumai

Spekuliatyvusis optimizavimas suteikia keletą privalumų:

• Pagerintas našumas: Darant prielaidas ir generuojant optimizuotą kodą, spekuliatyvusis optimizavimas gali žymiai pagerinti JavaScript kodo našumą.
• Dinaminis prisitaikymas: V8 gali prisitaikyti prie besikeičiančios kodo elgsenos vykdymo metu. Jei kompiliavimo metu padarytos prielaidos tampa negaliojančios, variklis gali deoptimizuoti kodą ir jį iš naujo optimizuoti pagal naują elgseną.
• Sumažintos pridėtinės išlaidos: Vengiant nereikalingų tipų patikrinimų, spekuliatyvusis optimizavimas gali sumažinti JavaScript vykdymo pridėtines išlaidas.

Spekuliatyviojo optimizavimo trūkumai

Spekuliatyvusis optimizavimas taip pat turi keletą trūkumų:

• Deoptimizavimo pridėtinės išlaidos: Deoptimizavimas gali būti brangus, nes jis apima optimizuoto kodo išmetimą ir funkcijos perkompiliavimą. Dažni deoptimizavimai gali panaikinti spekuliatyviojo optimizavimo teikiamą našumo naudą.
• Kodo sudėtingumas: Spekuliatyvusis optimizavimas padidina V8 variklio sudėtingumą. Dėl šio sudėtingumo gali būti sunkiau derinti ir prižiūrėti variklį.
• Nenuspėjamas našumas: Dėl spekuliatyviojo optimizavimo JavaScript kodo našumas gali būti nenuspėjamas. Nedideli kodo pakeitimai kartais gali lemti didelius našumo skirtumus.

Kaip rašyti kodą, kurį V8 galėtų efektyviai optimizuoti

Programuotojai gali rašyti kodą, kuris yra labiau tinkamas spekuliatyviam optimizavimui, laikydamiesi tam tikrų gairių:

• Naudokite nuoseklius tipus: Venkite keisti kintamųjų tipus. Pavyzdžiui, nepriskirkite kintamajam iš pradžių sveikojo skaičiaus, o vėliau – eilutės.
• Venkite polimorfizmo: Venkite naudoti funkcijas su skirtingų tipų argumentais. Jei įmanoma, sukurkite atskiras funkcijas skirtingiems tipams.
• Inicijuokite savybes konstruktoriuje: Užtikrinkite, kad visos objekto savybės būtų inicijuotos konstruktoriuje. Tai padeda V8 sukurti nuoseklias paslėptąsias klases.
• Naudokite griežtąjį režimą (Strict Mode): Griežtasis režimas gali padėti išvengti atsitiktinių tipų konversijų ir kitokios elgsenos, kuri gali trukdyti optimizavimui.
• Matuokite savo kodo našumą: Naudokite našumo matavimo įrankius, kad išmatuotumėte savo kodo našumą ir nustatytumėte galimas kliūtis.

Praktiniai pavyzdžiai ir geriausios praktikos

1 pavyzdys: tipų painiavos vengimas

Bloga praktika:

function processData(data) {
  let value = 0;
  if (typeof data === 'number') {
    value = data * 2;
  } else if (typeof data === 'string') {
    value = data.length;
  }
  return value;
}

Šiame pavyzdyje kintamasis `value` gali būti skaičius arba eilutė, priklausomai nuo įvesties. Tai apsunkina V8 galimybes optimizuoti funkciją.

Gera praktika:

function processNumber(data) {
  return data * 2;
}

function processString(data) {
  return data.length;
}

function processData(data) {
  if (typeof data === 'number') {
    return processNumber(data);
  } else if (typeof data === 'string') {
    return processString(data);
  } else {
    return 0; // Arba tinkamai apdorokite klaidą
  }
}

Čia mes atskyrėme logiką į dvi funkcijas: vieną skaičiams ir vieną eilutėms. Tai leidžia V8 optimizuoti kiekvieną funkciją atskirai.

2 pavyzdys: objekto savybių inicijavimas

Bloga praktika:

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

const point = new Point(10);
point.y = 20; // Savybės pridėjimas po objekto sukūrimo

Pridėjus `y` savybę po objekto sukūrimo, gali pasikeisti paslėptoji klasė ir įvykti deoptimizavimas.

Gera praktika:

function Point(x, y) {
  this.x = x;
  this.y = y || 0; // Inicijuokite visas savybes konstruktoriuje
}

const point = new Point(10, 20);

Visų savybių inicijavimas konstruktoriuje užtikrina nuoseklią paslėptąją klasę.

Įrankiai V8 optimizavimo analizei

Yra keletas įrankių, kurie gali padėti analizuoti, kaip V8 optimizuoja jūsų kodą:

• Chrome DevTools: Chrome DevTools teikia įrankius JavaScript kodo profiliavimui, paslėptųjų klasių tikrinimui ir optimizavimo statistikos analizei.
• V8 registravimas (Logging): V8 galima sukonfigūruoti, kad registruotų optimizavimo ir deoptimizavimo įvykius. Tai gali suteikti vertingų įžvalgų apie tai, kaip variklis optimizuoja jūsų kodą. Naudokite `--trace-opt` ir `--trace-deopt` vėliavėles, kai vykdote Node.js arba Chrome su atidarytais DevTools.
• Node.js Inspector: Node.js integruotas inspektorius leidžia derinti ir profiliuoti kodą panašiai kaip Chrome DevTools.

Pavyzdžiui, galite naudoti Chrome DevTools, kad įrašytumėte našumo profilį ir tada išnagrinėtumėte „Bottom-Up“ arba „Call Tree“ rodinius, kad nustatytumėte funkcijas, kurių vykdymas trunka ilgai. Taip pat galite ieškoti funkcijų, kurios yra dažnai deoptimizuojamos. Norėdami pasigilinti, įjunkite V8 registravimo galimybes, kaip minėta aukščiau, ir analizuokite išvestį, kad sužinotumėte deoptimizavimo priežastis.

Bendrieji JavaScript optimizavimo aspektai

Optimizuodami JavaScript kodą pasaulinei auditorijai, atsižvelkite į šiuos dalykus:

• Tinklo delsa: Tinklo delsa gali būti reikšmingas veiksnys interneto programų našumui. Optimizuokite savo kodą, kad sumažintumėte tinklo užklausų skaičių ir perduodamų duomenų kiekį. Apsvarstykite galimybę naudoti tokius metodus kaip kodo padalijimas ir atidėtasis įkėlimas (lazy loading).
• Įrenginių galimybės: Vartotojai visame pasaulyje prie interneto jungiasi naudodami įvairius įrenginius su skirtingomis galimybėmis. Užtikrinkite, kad jūsų kodas gerai veiktų ir prastesnių parametrų įrenginiuose. Apsvarstykite galimybę naudoti tokius metodus kaip adaptyvusis dizainas (responsive design) ir prisitaikantis įkėlimas (adaptive loading).
• Internacionalizavimas ir lokalizavimas: Jei jūsų programa turi palaikyti kelias kalbas, naudokite internacionalizavimo ir lokalizavimo metodus, kad jūsų kodas būtų pritaikomas skirtingoms kultūroms ir regionams.
• Prieinamumas: Užtikrinkite, kad jūsų programa būtų prieinama vartotojams su negalia. Naudokite ARIA atributus ir laikykitės prieinamumo gairių.

Pavyzdys: prisitaikantis įkėlimas pagal tinklo greitį

Galite naudoti `navigator.connection` API, kad nustatytumėte vartotojo tinklo ryšio tipą ir atitinkamai pritaikytumėte resursų įkėlimą. Pavyzdžiui, galėtumėte įkelti mažesnės raiškos vaizdus ar mažesnius JavaScript paketus vartotojams su lėtu ryšiu.

if (navigator.connection && navigator.connection.effectiveType === 'slow-2g') {
  // Įkelti mažos raiškos vaizdus
  loadLowResImages();
}

Spekuliatyviojo optimizavimo ateitis V8 variklyje

V8 spekuliatyviojo optimizavimo metodai nuolat tobulėja. Ateities pokyčiai gali apimti:

• Sudėtingesnė tipų analizė: V8 gali naudoti pažangesnius tipų analizės metodus, kad darytų tikslesnes prielaidas apie kintamųjų tipus.
• Patobulintos deoptimizavimo strategijos: V8 gali sukurti efektyvesnes deoptimizavimo strategijas, siekiant sumažinti deoptimizavimo pridėtines išlaidas.
• Integracija su mašininiu mokymusi: V8 gali naudoti mašininį mokymąsi, kad prognozuotų JavaScript kodo elgseną ir priimtų labiau pagrįstus optimizavimo sprendimus.

Išvada

Spekuliatyvusis optimizavimas yra galingas metodas, leidžiantis V8 užtikrinti greitą ir efektyvų JavaScript vykdymą. Suprasdami, kaip veikia spekuliatyvusis optimizavimas ir laikydamiesi geriausių praktikų rašant optimizuojamą kodą, programuotojai gali žymiai pagerinti savo JavaScript programų našumą. V8 toliau tobulėjant, spekuliatyvusis optimizavimas tikriausiai atliks dar svarbesnį vaidmenį užtikrinant interneto našumą.

Atminkite, kad našaus JavaScript rašymas – tai ne tik V8 optimizavimas; tai taip pat apima geras kodavimo praktikas, efektyvius algoritmus ir atidų dėmesį resursų naudojimui. Derindami gilų V8 optimizavimo metodų supratimą su bendraisiais našumo principais, galite sukurti greitas, jautrias ir malonias naudoti interneto programas pasaulinei auditorijai.