WebAssembly tiesinės atminties kompactavimas: atminties fragmentacijos sprendimas siekiant pagerinti našumą

WebAssembly (Wasm) tapo galinga technologija, leidžiančia pasiekti beveik gimtąjį našumą kodui, vykdomam žiniatinklio naršyklėse ir ne tik. Jo smėlio dėžės vykdymo aplinka ir efektyvus instrukcijų rinkinys daro jį idealų sudėtingoms kompiuterinėms užduotims. Pagrindinis WebAssembly veikimo aspektas yra jo tiesinė atmintis, ištisinis atminties blokas, prie kurio gali prieiti Wasm moduliai. Tačiau, kaip ir bet kuri atminties valdymo sistema, tiesinė atmintis gali nukentėti nuo atminties fragmentacijos, kuri gali pabloginti našumą ir padidinti išteklių naudojimą.

Šiame įraše gilinamės į WebAssembly tiesinės atminties subtilybes, fragmentacijos keliamus iššūkius ir kritinį atminties kompactavimo vaidmenį sprendžiant šias problemas. Išnagrinėsime, kodėl tai yra būtina globalioms programoms, reikalaujančioms didelio našumo ir efektyvaus išteklių naudojimo įvairiose aplinkose.

WebAssembly tiesinės atminties supratimas

Iš esmės WebAssembly veikia su konceptualia tiesine atmintimi. Tai yra vienas, neapribotas baitų masyvas, prie kurio Wasm moduliai gali skaityti ir rašyti. Praktiškai šią tiesinę atmintį valdo pagrindinė aplinka, paprastai „JavaScript“ variklis naršyklėse arba Wasm vykdymo aplinka atskirose programose. Pagrindinis variklis yra atsakingas už šios atminties vietos skyrimą ir valdymą, padarydamas ją prieinamą Wasm moduliui.

Pagrindinės tiesinės atminties savybės:

• Ištisinis blokas: Tiesinė atmintis pateikiama kaip vienas, ištisinis baitų masyvas. Šis paprastumas leidžia Wasm moduliams tiesiogiai ir efektyviai pasiekti atminties adresus.
• Adresuojama baitais: Kiekvienas tiesinės atminties baitas turi unikalų adresą, leidžiantį tiksliai pasiekti atmintį.
• Valdoma pagrindinio kompiuterio: Faktinį fizinės atminties skyrimą ir valdymą atlieka „JavaScript“ variklis arba Wasm vykdymo aplinka. Ši abstrakcija yra labai svarbi saugumui ir išteklių kontrolei.
• Dinamiškai plečiasi: Tiesinė atmintis gali būti dinamiškai plečiama Wasm modulio (arba pagrindinio kompiuterio jo vardu) pagal poreikį, leidžiant lanksčias duomenų struktūras ir didesnes programas.

Kai Wasm moduliui reikia saugoti duomenis, skirti objektus ar valdyti savo vidinę būseną, jis sąveikauja su šia tiesine atmintimi. Kalboms, tokioms kaip C++, Rust ar Go, kompiliuojamoms į Wasm, kalbos vykdymo aplinka arba standartinė biblioteka paprastai valdo šią atmintį, skiriant dalis kintamiesiems, duomenų struktūroms ir krūvai.

Atminties fragmentacijos problema

Atminties fragmentacija atsiranda, kai laisva atmintis yra padalyta į mažus, nesusijusius blokus. Įsivaizduokite biblioteką, kurioje knygos nuolat pridedamos ir išimamos. Laikui bėgant, net jei bendros lentynų vietos yra pakankamai, gali būti sunku rasti pakankamai didelę ištisinę sekciją, kad būtų galima pastatyti naują, didelę knygą, nes turima vieta yra išsibarsčiusi į daugybę mažų tarpų.

WebAssembly tiesinės atminties kontekste fragmentacija gali kilti dėl:

• Dažnos skirimų ir atlaisvinimų: Kai Wasm modulis skiria atmintį objektui, o vėliau ją atlaisvina, gali likti maži tarpai. Jei šie atlaisvinimai nėra atidžiai valdomi, šie tarpai gali tapti per maži, kad atitiktų būsimus didesnių objektų skirimo prašymus.
• Kintamo dydžio objektai: Įvairūs objektai ir duomenų struktūros turi skirtingus atminties poreikius. Įvairaus dydžio objektų skirimai ir atlaisvinimai prisideda prie nelygios laisvos atminties pasiskirstymo.
• Ilgai gyvuojantys ir trumpai gyvuojantys objektai: Objektų su skirtingu gyvavimo ciklu derinys gali pabloginti fragmentaciją. Trumpai gyvuojantys objektai gali būti greitai skiriami ir atlaisvinami, sukuriant mažus tarpus, o ilgai gyvuojantys objektai užima ištisinius blokus ilgą laiką.

Atminties fragmentacijos pasekmės:

• Našumo pablogėjimas: Kai atminties skiriamasis mechanizmas negali rasti pakankamai didelio ištisinio bloko naujam skyrimui, jis gali imtis neefektyvių strategijų, tokių kaip didelis laisvų sąrašų paieškojimas arba netgi pilnas atminties dydžio pakeitimas, o tai gali būti brangi operacija. Tai lemia padidėjusį delsą ir sumažėjusį programos reagavimą.
• Padidėjęs atminties naudojimas: Net jei bendra laisva atmintis yra pakankama, fragmentacija gali lemti situacijas, kai Wasm moduliui reikia padidinti savo tiesinę atmintį labiau nei būtina, kad būtų galima sutalpinti didelį skyrimą, kuris būtų tilpęs mažesnėje, ištisinėje erdvėje, jei atmintis būtų labiau konsoliduota. Tai eikvoja fizinę atmintį.
• Klaidų „atmintis baigėsi“: Sunkiais atvejais fragmentacija gali sukelti akivaizdžias atminties trūkumo sąlygas, net kai bendra skirta atmintis yra ribose. Skiriamasis mechanizmas gali nesugebėti rasti tinkamo bloko, todėl programa gali sugesti arba atsirasti klaidų.
• Padidėjęs šiukšlių rinkimo antkainis (jei taikoma): Kalboms su šiukšlių rinkimu fragmentacija gali apsunkinti GC darbą. Jam gali tekti nuskaityti didesnius atminties regionus arba atlikti sudėtingesnes operacijas, kad perkeltų objektus.

Atminties kompactavimo vaidmuo

Atminties kompactavimas yra technika, naudojama kovojant su atminties fragmentacija. Jo pagrindinis tikslas yra sutelkti laisvą atmintį į didesnius, ištisinius blokus, perkeliant paskirtus objektus arčiau vienas kito. Pagalvokite apie tai kaip apie bibliotekos tvarkymą pertvarkant knygas taip, kad visos tuščios lentynos būtų sugrupuotos kartu, todėl būtų lengviau pastatyti naujas, dideles knygas.

Kompactavimas paprastai apima šiuos veiksmus:

1. Fragmentuotų sričių nustatymas: Atminties tvarkytuvė analizuoja atminties vietą, kad rastų vietas su dideliu fragmentacijos laipsniu.
2. Objektų perkėlimas: Gyvi objektai (tie, kurie vis dar naudojami programos) yra perkelti į tiesinės atminties dalį, kad užpildytų tuos tarpus, kuriuos sukūrė atlaisvinti objektai.
3. Nuorodų atnaujinimas: Svarbiausia, kad visos nuorodos ar adresai, rodantys į perkeltus objektus, turi būti atnaujinti, kad atspindėtų jų naujus atminties adresus. Tai yra kritinė ir sudėtinga kompactavimo proceso dalis.
4. Laisvos vietos konsolidavimas: Po objektų perkėlimo likusi laisva atmintis yra sujungiama į didesnius, ištisinius blokus.

Kompactavimas gali būti resursų reikalaujanti operacija. Jai reikia atminties naršymo, duomenų kopijavimo ir nuorodų atnaujinimo. Todėl ji paprastai atliekama periodiškai arba kai fragmentacija pasiekia tam tikrą ribą, o ne nuolat.

Kompactavimo strategijų tipai:

• Pažymėjimas ir kompactavimas: Tai dažna šiukšlių rinkimo strategija. Pirma, pažymimi visi gyvi objektai. Tada gyvi objektai perkeliami į vieną atminties vietos galą, o laisva vieta yra konsoliduojama. Nuorodos atnaujinamos perkėlimo fazės metu.
• Kopijavimo šiukšlių rinkimas: Atmintis padalijama į dvi dalis. Objektai kopijuojami iš vienos dalies į kitą, paliekant pirminę dalį tuščią ir konsoliduotą. Tai dažnai paprasčiau, bet reikalauja dvigubai daugiau atminties.
• Inkrementinis kompactavimas: Siekiant sumažinti pauzes, susijusias su kompactavimu, naudojamos technikos, leidžiančios kompaktuoti mažesniais, dažnesniais žingsniais, pertraukiamais programos vykdymu.

Kompactavimas WebAssembly ekosistemoje

Atminties kompactavimo įgyvendinimas ir veiksmingumas WebAssembly sistemoje labai priklauso nuo Wasm vykdymo aplinkos ir kalbos įrankių rinkinių, naudojamų kodui kompiliuoti į Wasm.

„JavaScript“ vykdymo aplinkos (naršyklės):

Šiuolaikiniai „JavaScript“ varikliai, tokie kaip „V8“ (naudojamas „Chrome“ ir „Node.js“), „SpiderMonkey“ („Firefox“) ir „JavaScriptCore“ („Safari“), turi sudėtingus šiukšlių rinktuvus ir atminties valdymo sistemas. Kai Wasm veikia šiose aplinkose, „JavaScript“ variklio GC ir atminties valdymas dažnai gali apimti Wasm tiesinę atmintį. Šie varikliai dažnai naudoja kompactavimo technikas kaip savo bendro šiukšlių rinkimo ciklo dalį.

Pavyzdys: Kai „JavaScript“ programa įkelia Wasm modulį, „JavaScript“ variklis skiria `WebAssembly.Memory` objektą. Šis objektas atstovauja tiesinę atmintį. Variklio vidinis atminties tvarkytuvė tada tvarkys atminties skyrimą ir atlaisvinimą šioje `WebAssembly.Memory` objekte. Jei fragmentacija tampa problema, variklio GC, kuris gali apimti kompactavimą, ją išspręs.

Atskiros Wasm vykdymo aplinkos:

Serverio pusės Wasm (pvz., naudojant Wasmtime, Wasmer, WAMR) atveju situacija gali skirtis. Kai kurios vykdymo aplinkos gali tiesiogiai naudoti pagrindinės OS atminties valdymą, o kitos gali įgyvendinti savo atminties skiriamuosius mechanizmus ir šiukšlių rinktuvus. Kompactavimo strategijų buvimas ir veiksmingumas priklausys nuo konkrečios vykdymo aplinkos dizaino.

Pavyzdys: Individuali Wasm vykdymo aplinka, skirta įterptosioms sistemoms, gali naudoti labai optimizuotą atminties skiriamąjį mechanizmą, kuris apima kompactavimą kaip pagrindinę funkciją, siekiant užtikrinti prognozuojamą našumą ir minimalų atminties pėdsaką.

Kalbos specifinės vykdymo aplinkos Wasm viduje:

Kompiliuojant kalbas, tokias kaip C++, Rust ar Go, į Wasm, jų atitinkamos vykdymo aplinkos ar standartinės bibliotekos dažnai valdo Wasm tiesinę atmintį Wasm modulio vardu. Tai apima jų pačių krūvos skiriamuosius mechanizmus.

• C/C++: Standartinės `malloc` ir `free` implementacijos (pvz., jemalloc ar glibc `malloc`) gali turėti fragmentacijos problemų, jei nėra suderintos. Į Wasm kompiliuojamos bibliotekos dažnai atneša savo atminties valdymo strategijas. Kai kurios pažangios C/C++ vykdymo aplinkos Wasm viduje gali integruotis su pagrindinio kompiuterio GC arba įgyvendinti savo kompaktuojančius rinktuvus.
• Rust: Rust savininko sistema padeda išvengti daugelio su atmintimi susijusių klaidų, tačiau dinaminiai skyrimai krūvoje vis tiek atsiranda. Numatytasis Rust naudojamas skiriamasis mechanizmas gali naudoti strategijas, siekiant sumažinti fragmentaciją. Norint daugiau kontrolės, kūrėjai gali pasirinkti alternatyvius skiriamuosius mechanizmus.
• Go: Go turi sudėtingą šiukšlių rinktuvą, kuris yra sukurtas siekiant minimalizuoti pauzes ir efektyviai valdyti atmintį, įskaitant strategijas, kurios gali apimti kompactavimą. Kai Go yra kompiliuojamas į Wasm, jo GC veikia Wasm tiesinėje atmintyje.

Globalus požiūris: Kūrėjai, kuriantys programas įvairioms globalioms rinkoms, turi atsižvelgti į pagrindinę vykdymo aplinką ir kalbos įrankių rinkinį. Pavyzdžiui, programa, veikianti mažo išteklių krašto įrenginyje viename regione, gali reikalauti agresyvesnės kompactavimo strategijos nei didelio našumo debesų programa kitame.

Kompactavimo įgyvendinimas ir nauda

Wasm kūrėjams supratimas, kaip veikia kompactavimas ir kaip jį išnaudoti, gali lemti reikšmingus našumo pagerinimus.

Wasm modulio kūrėjams (pvz., C++, Rust, Go):

• Pasirinkite tinkamus įrankių rinkinius: Kompiliuojant į Wasm, pasirinkite įrankių rinkinius ir kalbų vykdymo aplinkas, žinomas dėl efektyvaus atminties valdymo. Pavyzdžiui, naudokite „Go“ versiją su optimizuotu GC, skirta Wasm tikslams.
• Profiliuokite atminties naudojimą: Reguliariai profilokite savo Wasm modulio atminties elgseną. Įrankiai, tokie kaip naršyklės kūrėjų konsolės (Wasm naršyklėje) arba Wasm vykdymo aplinkos profiliavimo įrankiai, gali padėti nustatyti per didelį atminties skyrimą, fragmentaciją ir galimas GC problemas.
• Atsižvelkite į atminties skirimo modelius: Suprojektuokite savo programą taip, kad būtų minimalus nereikalingas dažnas mažų objektų skirimas ir atlaisvinimas, ypač jei jūsų kalbos vykdymo aplinkos GC nėra labai veiksmingas kompaktuojant.
• Eksplicitinis atminties valdymas (kai įmanoma): Kalbose, tokiose kaip C++, jei rašote individualų atminties valdymą, atkreipkite dėmesį į fragmentaciją ir apsvarstykite galimybę įgyvendinti kompaktuojantį skiriamąjį mechanizmą arba naudoti biblioteką, kuri tai daro.

Wasm vykdymo aplinkos ir pagrindinių aplinkų kūrėjams:

• Optimizuokite šiukšlių rinkimą: Įgyvendinkite arba pasinaudokite pažangiais šiukšlių rinkimo algoritmais, kurie apima veiksmingas kompactavimo strategijas. Tai labai svarbu palaikant gerą našumą ilgai veikiančioms programoms.
• Pateikite atminties profiliavimo įrankius: Pateikite patikimus įrankius, kad kūrėjai galėtų tikrinti atminties naudojimą, fragmentacijos lygius ir GC elgseną savo Wasm moduliuose.
• Derinkite skiriamuosius mechanizmus: Atskiroms vykdymo aplinkoms atidžiai pasirinkite ir derinkite pagrindinius atminties skiriamuosius mechanizmus, kad subalansuotumėte greitį, atminties naudojimą ir atsparumą fragmentacijai.

Pavyzdys: globali vaizdo transliacijos paslauga

Apsvarstykite hipotetinę globalią vaizdo transliacijos paslaugą, kuri naudoja WebAssembly kliento pusės vaizdo dekodavimui ir atvaizdavimui. Šis Wasm modulis turi:

• Dekoduoti gaunamus vaizdo kadrus, kuriems reikia dažnų atminties skyrimų kadro buferiams.
• Apdirbti šiuos kadrus, galimai naudojant laikinas duomenų struktūras.
• Atvaizduoti kadrus, kurie gali apimti didesnius, ilgai gyvuojančius buferius.
• Apdoroti vartotojo sąveikas, kurios gali paskatinti naujus dekodavimo prašymus arba pakeisti atkūrimo būseną, todėl bus daugiau atminties veiklos.

Be veiksmingo atminties kompactavimo, Wasm modulio tiesinė atmintis greitai gali tapti fragmentuota. Tai lemia:

• Padidėjęs delsimas: Lėtėjimas dekodavime dėl to, kad skiriamasis mechanizmas sunkiai randa ištisinę erdvę naujiems kadrams.
• Pertraukiamas atkūrimas: Našumo pablogėjimas, turintis įtakos sklandžiam vaizdo atkūrimui.
• Didesnis baterijos suvartojimas: Neefektyvus atminties valdymas gali lemti ilgesnį CPU darbą, išeikvojant įrenginių baterijas, ypač mobiliuosiuose įrenginiuose visame pasaulyje.

Užtikrinus, kad Wasm vykdymo aplinka (tikėtina, kad tai bus „JavaScript“ variklis šiuo naršykle pagrįstu scenarijumi) naudoja patikimas kompactavimo technikas, vaizdo kadrų ir apdirbimo buferių atmintis lieka konsoliduota. Tai leidžia greitai, efektyviai skirti ir atlaisvinti atmintį, užtikrinant sklandžią, aukštos kokybės transliacijos patirtį vartotojams skirtinguose kontinentuose, įvairiuose įrenginiuose ir esant skirtingoms tinklo sąlygoms.

Fragmentacijos sprendimas daugialypėse Wasm gijose

WebAssembly tobulėja, kad palaikytų daugialypę giją. Kai kelios Wasm gijos dalijasi prieigą prie tiesinės atminties arba turi savo atmintis, atminties valdymo ir fragmentacijos sudėtingumas žymiai padidėja.

• Dalijamoji atmintis: Jei Wasm gijos dalijasi tą pačią tiesinę atmintį, jų skirimo ir atlaisvinimo modeliai gali trukdyti vienas kitam, o tai gali lemti spartesnę fragmentaciją. Kompactavimo strategijos turi atsižvelgti į gijų sinchronizavimą ir vengti tokių problemų, kaip aklavietės ar lenktynių sąlygos objektų perkėlimo metu.
• Atskiros atmintys: Jei gijos turi savo atmintis, fragmentacija gali atsirasti nepriklausomai kiekvienos gijos atminties erdvėje. Pagrindinė vykdymo aplinka turėtų valdyti kompactavimą kiekvienam atminties instancijui.

Globalus poveikis: Programos, sukurtos dideliam lygiagretumui ant galingų daugiašerdžių procesorių visame pasaulyje, vis labiau priklausys nuo efektyvaus daugialypės gijos Wasm. Todėl patikimi kompactavimo mechanizmai, tvarkantys daugialypės gijos atminties prieigą, yra gyvybiškai svarbūs mastelio didinimui.

Būsimos kryptys ir išvados

WebAssembly ekosistema nuolat bręsta. Kai Wasm išeina iš naršyklių ir pereina į tokias sritis kaip debesų kompiuterija, krašto kompiuterija ir serverless funkcijos, efektyvus ir prognozuojamas atminties valdymas, įskaitant kompactavimą, tampa dar svarbesnis.

Galimi patobulinimai:

• Standartizuotos atminties valdymo API: Būsimose Wasm specifikacijose gali būti standartizuotų būdų vykdymo aplinkoms ir moduliams sąveikauti su atminties valdymu, potencialiai siūlant smulkesnės kontrolės galimybes kompactavimui.
• Vykdymo aplinkos specifinės optimizacijos: Kai Wasm vykdymo aplinkos tampa labiau specializuotos įvairioms aplinkoms (pvz., įterptosios sistemos, didelio našumo skaičiavimas), galime pamatyti labai pritaikytas atminties kompactavimo strategijas, optimizuotas tiems konkretiems naudojimo atvejams.
• Kalbos įrankių rinkinio integracija: Gilinamas ryšys tarp Wasm kalbos įrankių rinkinių ir pagrindinio vykdymo aplinkos atminties tvarkytuvų galėtų lemti protingesnį ir mažiau įkyrų kompactavimą.

Apibendrinant, WebAssembly tiesinė atmintis yra galinga abstrakcija, tačiau, kaip ir visos atminties sistemos, ji yra linkusi į fragmentaciją. Atminties kompactavimas yra gyvybiškai svarbi technika, skirta šioms problemoms spręsti, užtikrinant, kad Wasm programos išliktų našios, efektyvios ir stabilios. Nesvarbu, ar jos veikia žiniatinklio naršyklėje vartotojo įrenginyje, ar galingame serverio duomenų centre, veiksmingas atminties kompactavimas prisideda prie geresnės vartotojo patirties ir patikimesnio globalių programų veikimo. Nuolat sparčiai plečiantis WebAssembly, supratimas ir sudėtingų atminties valdymo strategijų įgyvendinimas bus raktas į visapusiško jo potencialo atskleidimą.