Virtualios mašinos: JavaScript variklio vidinės dalies demistifikavimas

JavaScript, visur esanti kalba, kuri yra žiniatinklio pagrindas, efektyviam kodo vykdymui naudoja sudėtingus variklius. Šių variklių pagrindas yra virtualios mašinos (VM) koncepcija. Supratimas, kaip šios VM veikia, gali suteikti vertingų įžvalgų apie JavaScript našumo charakteristikas ir leisti programuotojams rašyti labiau optimizuotą kodą. Šis vadovas pateikia išsamią JavaScript VM architektūros ir veikimo analizę.

Kas yra virtuali mašina?

Iš esmės, virtuali mašina yra abstrakcija kompiuterio architektūros, įdiegta programinėje įrangoje. Ji suteikia aplinką, leidžiančią programoms, parašytoms tam tikra kalba (pvz., JavaScript), veikti nepriklausomai nuo pagrindinės aparatinės įrangos. Ši izoliacija užtikrina perkeliamumą, saugumą ir efektyvų išteklių valdymą.

Pagalvokite apie tai taip: galite paleisti „Windows“ operacinę sistemą „macOS“ viduje, naudodami VM. Panašiai JavaScript variklio VM leidžia JavaScript kodui veikti bet kurioje platformoje, kurioje yra įdiegtas tas variklis (naršyklėse, Node.js ir t. t.).

JavaScript vykdymo procesas: nuo pradinio kodo iki vykdymo

JavaScript kodo kelionė nuo pradinės būsenos iki vykdymo VM apima kelis esminius etapus:

Nagrinėjimas (Parsing): Variklis pirmiausia išnagrinėja JavaScript kodą, suskaidydamas jį į struktūrinį vaizdą, vadinamą abstrakčiu sintaksės medžiu (AST). Šis medis atspindi kodo sintaksinę struktūrą.
Kompiliavimas/Interpretavimas: Tada AST yra apdorojamas. Šiuolaikiniai JavaScript varikliai taiko hibridinį požiūrį, naudodami tiek interpretavimo, tiek kompiliavimo metodus.
Vykdymas: Sukompiliuotas arba interpretuotas kodas vykdomas VM viduje.
Optimizavimas: Kol kodas veikia, variklis nuolat stebi našumą ir taiko optimizacijas, siekdamas pagerinti vykdymo greitį.

Interpretavimas ir kompiliavimas

Istoriškai JavaScript varikliai daugiausia rėmėsi interpretavimu. Interpretatoriai apdoroja kodą eilutė po eilutės, paeiliui versdami ir vykdydami kiekvieną instrukciją. Šis metodas siūlo greitą paleidimo laiką, tačiau gali lemti lėtesnį vykdymo greitį, palyginti su kompiliavimu. Kita vertus, kompiliavimas apima viso pradinio kodo vertimą į mašininį kodą (arba tarpinį vaizdą) prieš vykdymą. Tai lemia greitesnį vykdymą, tačiau reikalauja didesnių paleidimo išlaidų.

Šiuolaikiniai varikliai naudoja „Just-In-Time“ (JIT) kompiliavimo strategiją, kuri sujungia abiejų metodų privalumus. JIT kompiliatoriai analizuoja kodą vykdymo metu ir kompiliuoja dažnai vykdomas dalis (karštuosius taškus) į optimizuotą mašininį kodą, ženkliai padidindami našumą. Apsvarstykite ciklą, kuris vykdomas tūkstančius kartų – JIT kompiliatorius gali optimizuoti šį ciklą po to, kai jis bus įvykdytas kelis kartus.

Pagrindiniai JavaScript virtualios mašinos komponentai

JavaScript VM paprastai susideda iš šių esminių komponentų:

Nagrinėtojas (Parser): Atsakingas už JavaScript pradinio kodo konvertavimą į AST.
Interpretatorius: Vykdo AST tiesiogiai arba verčia jį į baitkodą.
Kompiliatorius (JIT): Kompiliuoja dažnai vykdomą kodą į optimizuotą mašininį kodą.
Optimizatorius: Atlieka įvairias optimizacijas, siekdamas pagerinti kodo našumą (pvz., funkcijų įterpimas, neveikiančio kodo pašalinimas).
Šiukšlių surinkėjas: Automatiškai valdo atmintį, atlaisvindamas objektus, kurie nebėra naudojami.
Vykdymo sistema (Runtime System): Teikia esmines paslaugas vykdymo aplinkai, pavyzdžiui, prieigą prie DOM (naršyklėse) arba failų sistemos (Node.js).

Populiarūs JavaScript varikliai ir jų architektūros

Keletas populiarių JavaScript variklių maitina naršykles ir kitas vykdymo aplinkas. Kiekvienas variklis turi savo unikalią architektūrą ir optimizavimo metodus.

V8 („Chrome“, „Node.js“)

V8, sukurtas „Google“, yra vienas plačiausiai naudojamų JavaScript variklių. Jis naudoja pilną JIT kompiliatorių, iš pradžių kompiliuodamas JavaScript kodą į mašininį kodą. V8 taip pat integruoja tokius metodus kaip „inline caching“ ir paslėptos klasės, siekiant optimizuoti prieigą prie objektų savybių. V8 naudoja du kompiliatorius: „Full-codegen“ (originalus kompiliatorius, kuris sukuria palyginti lėtą, bet patikimą kodą) ir „Crankshaft“ (optimizuojantis kompiliatorius, kuris generuoja labai optimizuotą kodą). Neseniai V8 pristatė „TurboFan“, dar pažangesnį optimizuojantį kompiliatorių.

V8 architektūra yra labai optimizuota greičiui ir atminties efektyvumui. Ji naudoja pažangius šiukšlių surinkimo algoritmus, kad sumažintų atminties nutekėjimą ir pagerintų našumą. V8 našumas yra lemiamas tiek naršyklės našumui, tiek „Node.js“ serverio pusės programoms. Pavyzdžiui, sudėtingos žiniatinklio programos, tokios kaip „Google Docs“, labai priklauso nuo V8 greičio, kad užtikrintų jautrią vartotojo patirtį. „Node.js“ kontekste, V8 efektyvumas leidžia apdoroti tūkstančius vienu metu vykstančių užklausų mastelio keičiamuose žiniatinklio serveriuose.

SpiderMonkey („Firefox“)

„SpiderMonkey“, sukurtas „Mozilla“, yra variklis, maitinantis „Firefox“. Tai hibridinis variklis, turintis ir interpretatorių, ir kelis JIT kompiliatorius. „SpiderMonkey“ turi ilgą istoriją ir per daugelį metų patyrė didelę evoliuciją. Istoriškai „SpiderMonkey“ naudojo interpretatorių, o vėliau – „IonMonkey“ (JIT kompiliatorių). Šiuo metu „SpiderMonkey“ naudoja modernesnę architektūrą su kelių lygių JIT kompiliavimu.

„SpiderMonkey“ yra žinomas dėl savo dėmesio standartų laikymuisi ir saugumui. Jame yra tvirtos saugumo funkcijos, skirtos apsaugoti vartotojus nuo kenkėjiško kodo. Jo architektūroje pirmenybė teikiama suderinamumo su esamais žiniatinklio standartais palaikymui, kartu įdiegiant modernias našumo optimizacijas. „Mozilla“ nuolat investuoja į „SpiderMonkey“, siekdama pagerinti jo našumą ir saugumą, užtikrinant, kad „Firefox“ išliktų konkurencinga naršyklė. Europos bankas, viduje naudojantis „Firefox“, galėtų įvertinti „SpiderMonkey“ saugumo funkcijas, skirtas apsaugoti jautrius finansinius duomenis.

JavaScriptCore („Safari“)

„JavaScriptCore“, taip pat žinomas kaip „Nitro“, yra variklis, naudojamas „Safari“ ir kituose „Apple“ produktuose. Tai dar vienas variklis su JIT kompiliatoriumi. „JavaScriptCore“ naudoja LLVM (Low Level Virtual Machine) kaip savo pagrindą mašininiam kodui generuoti, kas leidžia pasiekti puikią optimizaciją. Istoriškai „JavaScriptCore“ naudojo „SquirrelFish Extreme“, ankstyvąją JIT kompiliatoriaus versiją.

„JavaScriptCore“ yra glaudžiai susijęs su „Apple“ ekosistema ir yra labai optimizuotas „Apple“ aparatinei įrangai. Jis pabrėžia energijos efektyvumą, kuris yra labai svarbus mobiliesiems įrenginiams, tokiems kaip „iPhone“ ir „iPad“. „Apple“ nuolat tobulina „JavaScriptCore“, kad užtikrintų sklandžią ir jautrią vartotojo patirtį savo įrenginiuose. „JavaScriptCore“ optimizacijos yra ypač svarbios daug išteklių reikalaujančioms užduotims, tokioms kaip sudėtingos grafikos atvaizdavimas ar didelių duomenų rinkinių apdorojimas. Pagalvokite apie žaidimą, sklandžiai veikiantį „iPad“; iš dalies tai yra dėl efektyvaus „JavaScriptCore“ našumo. Įmonė, kurianti papildytos realybės programas iOS, gautų naudos iš „JavaScriptCore“ aparatinei įrangai pritaikytų optimizacijų.

Baitkodas ir tarpinis vaizdas

Daugelis JavaScript variklių tiesiogiai neverčia AST į mašininį kodą. Vietoj to, jie generuoja tarpinį vaizdą, vadinamą baitkodu. Baitkodas yra žemo lygio, nuo platformos nepriklausomas kodo vaizdas, kurį lengviau optimizuoti ir vykdyti nei originalų JavaScript šaltinį. Tada interpretatorius arba JIT kompiliatorius vykdo baitkodą.

Baitkodo naudojimas suteikia didesnį perkeliamumą, nes tas pats baitkodas gali būti vykdomas skirtingose platformose nereikalaujant perkompiliavimo. Tai taip pat supaprastina JIT kompiliavimo procesą, nes JIT kompiliatorius gali dirbti su labiau struktūrizuotu ir optimizuotu kodo vaizdu.

Vykdymo kontekstai ir iškvietimų dėklas

JavaScript kodas vykdomas vykdymo kontekste, kuriame yra visa reikalinga informacija kodui paleisti, įskaitant kintamuosius, funkcijas ir apimties grandinę (scope chain). Kai iškviečiama funkcija, sukuriamas naujas vykdymo kontekstas ir įdedamas į iškvietimų dėklą (call stack). Iškvietimų dėklas palaiko funkcijų iškvietimų tvarką ir užtikrina, kad funkcijos grįžtų į teisingą vietą, kai baigia vykdymą.

Iškvietimų dėklo supratimas yra labai svarbus derinant JavaScript kodą. Kai įvyksta klaida, iškvietimų dėklas pateikia funkcijų iškvietimų, kurie lėmė klaidą, seką, padedant programuotojams nustatyti problemos šaltinį.

Šiukšlių surinkimas

JavaScript naudoja automatinį atminties valdymą per šiukšlių surinkėją (GC). GC automatiškai atlaisvina atmintį, kurią užima objektai, kurie nebėra pasiekiami ar naudojami. Tai apsaugo nuo atminties nutekėjimo ir supaprastina atminties valdymą programuotojams. Šiuolaikiniai JavaScript varikliai naudoja sudėtingus GC algoritmus, kad sumažintų pauzes ir pagerintų našumą. Skirtingi varikliai naudoja skirtingus GC algoritmus, tokius kaip „mark-and-sweep“ arba kartų šiukšlių surinkimas. Pavyzdžiui, kartų GC skirsto objektus pagal amžių, dažniau surenkant jaunesnius objektus nei senesnius, kas paprastai yra efektyviau.

Nors šiukšlių surinkėjas automatizuoja atminties valdymą, vis tiek svarbu atkreipti dėmesį į atminties naudojimą JavaScript kode. Didelio skaičiaus objektų kūrimas arba objektų laikymas ilgiau nei būtina gali apkrauti GC ir paveikti našumą.

JavaScript našumo optimizavimo technikos

Supratimas, kaip veikia JavaScript varikliai, gali padėti programuotojams rašyti labiau optimizuotą kodą. Štai keletas pagrindinių optimizavimo technikų:

Venkite globalių kintamųjų: Globalūs kintamieji gali sulėtinti savybių paiešką.
Naudokite lokalius kintamuosius: Lokalūs kintamieji pasiekiami greičiau nei globalūs.
Minimizuokite DOM manipuliacijas: DOM operacijos yra brangios. Kai įmanoma, atnaujinimus atlikite paketais.
Optimizuokite ciklus: Naudokite efektyvias ciklų struktūras ir minimizuokite skaičiavimus cikluose.
Naudokite memoizaciją: Išsaugokite brangių funkcijų iškvietimų rezultatus, kad išvengtumėte nereikalingų skaičiavimų.
Profiluokite savo kodą: Naudokite profiliavimo įrankius našumo problemoms nustatyti.

Pavyzdžiui, apsvarstykite scenarijų, kai reikia atnaujinti kelis elementus tinklalapyje. Užuot atnaujinę kiekvieną elementą atskirai, sujunkite atnaujinimus į vieną DOM operaciją, kad sumažintumėte pridėtines išlaidas. Panašiai, atliekant sudėtingus skaičiavimus cikle, stenkitės iš anksto apskaičiuoti bet kokias vertes, kurios išlieka pastovios viso ciklo metu, kad išvengtumėte nereikalingų skaičiavimų.

Įrankiai JavaScript našumui analizuoti

Yra keletas įrankių, padedančių programuotojams analizuoti JavaScript našumą ir nustatyti problemas:

Naršyklės programuotojų įrankiai: Dauguma naršyklių turi integruotus programuotojų įrankius, kurie suteikia profiliavimo galimybes, leidžiančias matuoti skirtingų kodo dalių vykdymo laiką.
Lighthouse: „Google“ įrankis, kuris tikrina tinklalapių našumą, prieinamumą ir kitas geriausias praktikas.
Node.js profiliuotojas: „Node.js“ suteikia integruotą profiliuotoją, kurį galima naudoti serverio pusės JavaScript kodo našumui analizuoti.

Ateities tendencijos JavaScript variklių kūrime

JavaScript variklių kūrimas yra nuolatinis procesas, nuolat stengiantis pagerinti našumą, saugumą ir standartų laikymąsi. Kai kurios pagrindinės tendencijos apima:

WebAssembly (Wasm): Binarinis instrukcijų formatas kodui vykdyti žiniatinklyje. Wasm leidžia programuotojams rašyti kodą kitomis kalbomis (pvz., C++, Rust) ir kompiliuoti jį į Wasm, kuris vėliau gali būti vykdomas naršyklėje beveik natūraliu greičiu.
Daugiapakopis kompiliavimas: Naudojant kelis JIT kompiliavimo lygius, kurių kiekvienas taiko vis agresyvesnes optimizacijas.
Patobulintas šiukšlių surinkimas: Kuriant efektyvesnius ir mažiau trikdančius šiukšlių surinkimo algoritmus.
Aparatinės įrangos spartinimas: Naudojant aparatinės įrangos funkcijas (pvz., SIMD instrukcijas) JavaScript vykdymui paspartinti.

Ypač „WebAssembly“ reiškia didelį pokytį žiniatinklio kūrime, leidžiantį programuotojams perkelti didelio našumo programas į žiniatinklio platformą. Pagalvokite apie sudėtingus 3D žaidimus ar CAD programinę įrangą, veikiančią tiesiogiai naršyklėje, dėka „WebAssembly“.

Išvada

Suprasti JavaScript variklių vidinį veikimą yra labai svarbu kiekvienam rimtam JavaScript programuotojui. Suprasdami virtualių mašinų, JIT kompiliavimo, šiukšlių surinkimo ir optimizavimo technikų koncepcijas, programuotojai gali rašyti efektyvesnį ir našesnį kodą. Kadangi JavaScript toliau vystosi ir maitina vis sudėtingesnes programas, gilus jo pagrindinės architektūros supratimas taps dar vertingesnis. Nesvarbu, ar kuriate žiniatinklio programas pasaulinei auditorijai, kuriate serverio pusės programas su „Node.js“, ar kuriate interaktyvias patirtis su JavaScript, žinios apie JavaScript variklio vidų neabejotinai pagerins jūsų įgūdžius ir leis kurti geresnę programinę įrangą.

Toliau tyrinėkite, eksperimentuokite ir plėskite JavaScript galimybių ribas!