JavaScript V8 iekļautā kešatmiņa un polimorfisms: īpašību piekļuves optimizācijas analīze

Lai gan JavaScript ir ļoti elastīga un dinamiska valoda, tās interpretētā rakstura dēļ bieži rodas veiktspējas problēmas. Tomēr modernie JavaScript dzinēji, piemēram, Google V8 (kas tiek izmantots Chrome un Node.js), izmanto sarežģītus optimizācijas paņēmienus, lai mazinātu plaisu starp dinamisko elastību un izpildes ātrumu. Viens no svarīgākajiem šādiem paņēmieniem ir iekļautā kešatmiņa (inline caching), kas ievērojami paātrina piekļuvi īpašībām. Šajā bloga ierakstā sniegta visaptveroša V8 iekļautās kešatmiņas mehānisma analīze, koncentrējoties uz to, kā tas apstrādā polimorfismu un optimizē piekļuvi īpašībām, lai uzlabotu JavaScript veiktspēju.

Pamatu izpratne: īpašību piekļuve JavaScript

JavaScript valodā piekļuve objekta īpašībām šķiet vienkārša: var izmantot punktu notāciju (object.property) vai kvadrātiekavu notāciju (object['property']). Tomēr zem pārsega dzinējam ir jāveic vairākas darbības, lai atrastu un iegūtu ar īpašību saistīto vērtību. Šīs darbības ne vienmēr ir vienkāršas, īpaši ņemot vērā JavaScript dinamisko dabu.

Apsveriet šo piemēru:

const obj = { x: 10, y: 20 };
console.log(obj.x); // Piekļuve īpašībai 'x'

Dzinējam vispirms ir:

• Jāpārbauda, vai obj ir derīgs objekts.
• Jāatrod īpašība x objekta struktūrā.
• Jāiegūst ar x saistītā vērtība.

Bez optimizācijas katra piekļuve īpašībai ietvertu pilnīgu uzmeklēšanu, padarot izpildi lēnu. Šeit talkā nāk iekļautā kešatmiņa.

Iekļautā kešatmiņa: veiktspējas paātrinātājs

Iekļautā kešatmiņa ir optimizācijas paņēmiens, kas paātrina piekļuvi īpašībām, saglabājot kešatmiņā iepriekšējo uzmeklēšanu rezultātus. Galvenā ideja ir tāda, ka, ja jūs vairākkārt piekļūstat tai pašai īpašībai uz tāda paša veida objekta, dzinējs var atkārtoti izmantot informāciju no iepriekšējās uzmeklēšanas, izvairoties no liekiem meklējumiem.

Lūk, kā tas darbojas:

1. Pirmā piekļuve: Kad īpašībai piekļūst pirmo reizi, dzinējs veic pilnu uzmeklēšanas procesu, identificējot īpašības atrašanās vietu objektā.
2. Kešatmiņas izveide: Dzinējs saglabā informāciju par īpašības atrašanās vietu (piemēram, tās nobīdi atmiņā) un objekta slēpto klasi (vairāk par to vēlāk) nelielā iekļautajā kešatmiņā, kas saistīta ar konkrēto koda rindu, kura veica piekļuvi.
3. Nākamās piekļuves: Turpmākajās piekļuvēs tai pašai īpašībai no tās pašas koda vietas dzinējs vispirms pārbauda iekļauto kešatmiņu. Ja kešatmiņa satur derīgu informāciju par objekta pašreizējo slēpto klasi, dzinējs var tieši iegūt īpašības vērtību, neveicot pilnu uzmeklēšanu.

Šis kešatmiņas mehānisms var ievērojami samazināt piekļuves īpašībām pieskaitāmās izmaksas, īpaši bieži izpildāmās koda daļās, piemēram, ciklos un funkcijās.

Slēptās klases: efektīvas kešatmiņas atslēga

Būtisks jēdziens, lai izprastu iekļauto kešatmiņu, ir slēpto klašu (zināmas arī kā kartes vai formas) ideja. Slēptās klases ir iekšējas datu struktūras, ko V8 izmanto, lai attēlotu JavaScript objektu struktūru. Tās apraksta, kādas īpašības objektam ir un kāds ir to izkārtojums atmiņā.

Tā vietā, lai tipa informāciju saistītu tieši ar katru objektu, V8 grupē objektus ar vienādu struktūru vienā slēptajā klasē. Tas ļauj dzinējam efektīvi pārbaudīt, vai objektam ir tāda pati struktūra kā iepriekš redzētiem objektiem.

Kad tiek izveidots jauns objekts, V8 tam piešķir slēpto klasi, pamatojoties uz tā īpašībām. Ja diviem objektiem ir vienādas īpašības tādā pašā secībā, tiem būs viena un tā pati slēptā klase.

Apsveriet šo piemēru:

const obj1 = { x: 10, y: 20 };
const obj2 = { x: 5, y: 15 };
const obj3 = { y: 30, x: 40 }; // Atšķirīga īpašību secība

// obj1 un obj2, visticamāk, būs viena un tā pati slēptā klase
// obj3 būs cita slēptā klase

Secība, kādā objektam tiek pievienotas īpašības, ir nozīmīga, jo tā nosaka objekta slēpto klasi. Objektiem, kuriem ir vienādas īpašības, bet tās definētas citā secībā, tiks piešķirtas atšķirīgas slēptās klases. Tas var ietekmēt veiktspēju, jo iekļautā kešatmiņa paļaujas uz slēptajām klasēm, lai noteiktu, vai kešatmiņā saglabātā īpašības atrašanās vieta joprojām ir derīga.

Polimorfisms un iekļautās kešatmiņas uzvedība

Polimorfisms, kas ir funkcijas vai metodes spēja darboties ar dažādu tipu objektiem, rada izaicinājumu iekļautajai kešatmiņai. JavaScript dinamiskā daba veicina polimorfismu, bet tas var novest pie dažādiem koda ceļiem un objektu struktūrām, potenciāli padarot iekļautās kešatmiņas nederīgas.

Pamatojoties uz dažādo slēpto klašu skaitu, kas sastaptas konkrētā īpašības piekļuves vietā, iekļautās kešatmiņas var klasificēt šādi:

• Monomorfisks: Īpašības piekļuves vieta ir saskārusies tikai ar vienas slēptās klases objektiem. Šis ir ideāls scenārijs iekļautajai kešatmiņai, jo dzinējs var droši atkārtoti izmantot kešatmiņā saglabāto īpašības atrašanās vietu.
• Polimorfisks: Īpašības piekļuves vieta ir saskārusies ar vairāku (parasti neliela skaita) slēpto klašu objektiem. Dzinējam ir jāapstrādā vairākas potenciālās īpašību atrašanās vietas. V8 atbalsta polimorfiskas iekļautās kešatmiņas, saglabājot nelielu tabulu ar slēpto klašu/īpašību atrašanās vietu pāriem.
• Megamorfisks: Īpašības piekļuves vieta ir saskārusies ar lielu skaitu dažādu slēpto klašu objektu. Šajā scenārijā iekļautā kešatmiņa kļūst neefektīva, jo dzinējs nevar efektīvi uzglabāt visus iespējamos slēpto klašu/īpašību atrašanās vietu pārus. Megamorfiskos gadījumos V8 parasti izmanto lēnāku, vispārīgāku īpašību piekļuves mehānismu.

Ilustrēsim to ar piemēru:

function getX(obj) {
  return obj.x;
}

const obj1 = { x: 10, y: 20 };
const obj2 = { x: 5, z: 15 };
const obj3 = { x: 7, a: 8, b: 9 };

console.log(getX(obj1)); // Pirmais izsaukums: monomorfisks
console.log(getX(obj2)); // Otrais izsaukums: polimorfisks (divas slēptās klases)
console.log(getX(obj3)); // Trešais izsaukums: potenciāli megamorfisks (vairāk nekā dažas slēptās klases)

Šajā piemērā funkcija getX sākotnēji ir monomorfiska, jo tā darbojas tikai ar objektiem, kuriem ir viena un tā pati slēptā klase (sākotnēji tikai ar objektiem, piemēram, obj1). Tomēr, izsaucot to ar obj2, iekļautā kešatmiņa kļūst polimorfiska, jo tai tagad ir jāapstrādā objekti ar divām dažādām slēptajām klasēm (objekti kā obj1 un obj2). Izsaucot to ar obj3, dzinējam var nākties padarīt iekļauto kešatmiņu nederīgu, jo sastapts pārāk daudz slēpto klašu, un piekļuve īpašībai kļūst mazāk optimizēta.

Polimorfisma ietekme uz veiktspēju

Polimorfisma pakāpe tieši ietekmē īpašību piekļuves veiktspēju. Monomorfisks kods parasti ir visātrākais, savukārt megamorfisks kods ir vislēnākais.

• Monomorfisks: Ātrākā piekļuve īpašībām, pateicoties tiešiem kešatmiņas trāpījumiem.
• Polimorfisks: Lēnāks nekā monomorfisks, bet joprojām pietiekami efektīvs, īpaši ar nelielu skaitu dažādu objektu tipu. Iekļautā kešatmiņa var uzglabāt ierobežotu skaitu slēpto klašu/īpašību atrašanās vietu pāru.
• Megamorfisks: Ievērojami lēnāks kešatmiņas netrāpījumu un sarežģītāku īpašību uzmeklēšanas stratēģiju nepieciešamības dēļ.

Polimorfisma samazināšana var būtiski ietekmēt jūsu JavaScript koda veiktspēju. Mērķis ir rakstīt monomorfisku vai, sliktākajā gadījumā, polimorfisku kodu, kas ir galvenā optimizācijas stratēģija.

Praktiski piemēri un optimizācijas stratēģijas

Tagad aplūkosim dažus praktiskus piemērus un stratēģijas, kā rakstīt JavaScript kodu, kas izmanto V8 iekļautās kešatmiņas priekšrocības un samazina polimorfisma negatīvo ietekmi.

1. Konsekventas objektu formas

Nodrošiniet, lai objektiem, kas tiek nodoti tai pašai funkcijai, būtu konsekventa struktūra. Definējiet visas īpašības jau sākumā, nevis pievienojiet tās dinamiski.

Slikti (dinamiska īpašību pievienošana):

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

const p1 = new Point(10, 20);
const p2 = new Point(5, 15);

if (Math.random() > 0.5) {
  p1.z = 30; // Dinamiski pievieno īpašību
}

function printPointX(point) {
  console.log(point.x);
}

printPointX(p1);
printPointX(p2);

Šajā piemērā objektam p1 var būt īpašība z, bet p2 tās nav, kas noved pie dažādām slēptajām klasēm un samazinātas veiktspējas funkcijā printPointX.

Labi (konsekventa īpašību definēšana):

function Point(x, y, z) {
  this.x = x;
  this.y = y;
  this.z = z === undefined ? undefined : z; // Vienmēr definējiet 'z', pat ja tā ir nedefinēta
}

const p1 = new Point(10, 20, 30);
const p2 = new Point(5, 15);

function printPointX(point) {
  console.log(point.x);
}

printPointX(p1);
printPointX(p2);

Vienmēr definējot īpašību z, pat ja tā ir nedefinēta, jūs nodrošināt, ka visiem Point objektiem ir viena un tā pati slēptā klase.

2. Izvairieties no īpašību dzēšanas

Īpašību dzēšana no objekta maina tā slēpto klasi un var padarīt iekļautās kešatmiņas nederīgas. Ja iespējams, izvairieties no īpašību dzēšanas.

Slikti (īpašību dzēšana):

const obj = { a: 1, b: 2, c: 3 };

delete obj.b;

function accessA(object) {
  return object.a;
}

accessA(obj);

obj.b dzēšana maina obj slēpto klasi, potenciāli ietekmējot accessA veiktspēju.

Labi (iestatīšana uz nedefinētu):

const obj = { a: 1, b: 2, c: 3 };

obj.b = undefined; // Dzēšanas vietā iestatiet uz nedefinētu

function accessA(object) {
  return object.a;
}

accessA(obj);

Īpašības iestatīšana uz undefined saglabā objekta slēpto klasi un novērš iekļauto kešatmiņu padarīšanu par nederīgām.

3. Izmantojiet rūpnīcfunkcijas (factory functions)

Rūpnīcfunkcijas var palīdzēt nodrošināt konsekventas objektu formas un samazināt polimorfismu.

Slikti (nekonsekventa objektu veidošana):

function createObject(type, data) {
  if (type === 'A') {
    return { x: data.x, y: data.y };
  } else if (type === 'B') {
    return { a: data.a, b: data.b };
  }
}

const objA = createObject('A', { x: 10, y: 20 });
const objB = createObject('B', { a: 5, b: 15 });

function processX(obj) {
  return obj.x;
}

processX(objA);
processX(objB); // 'objB' nav 'x', radot problēmas un polimorfismu

Tas noved pie tā, ka objekti ar ļoti atšķirīgām formām tiek apstrādāti ar tām pašām funkcijām, palielinot polimorfismu.

Labi (rūpnīcfunkcija ar konsekventu formu):

function createObjectA(data) {
  return { x: data.x, y: data.y, a: undefined, b: undefined }; // Nodrošiniet konsekventas īpašības
}

function createObjectB(data) {
  return { x: undefined, y: undefined, a: data.a, b: data.b }; // Nodrošiniet konsekventas īpašības
}

const objA = createObjectA({ x: 10, y: 20 });
const objB = createObjectB({ a: 5, b: 15 });

function processX(obj) {
  return obj.x;
}

// Lai gan tas tieši nepalīdz processX, tas ir piemērs labai praksei, lai izvairītos no tipu neskaidrībām.
// Reālā scenārijā, visticamāk, būtu vēlams izmantot specifiskākas funkcijas A un B tipiem.
// Lai demonstrētu rūpnīcfunkciju izmantošanu polimorfisma samazināšanai pie avota, šī struktūra ir noderīga.

Šī pieeja, lai gan prasa vairāk struktūras, veicina konsekventu objektu izveidi katram konkrētam tipam, tādējādi samazinot polimorfisma risku, kad šie objektu tipi ir iesaistīti kopīgos apstrādes scenārijos.

4. Izvairieties no jauktu tipu masīviem

Masīvi, kas satur dažādu tipu elementus, var radīt tipu neskaidrības un samazinātu veiktspēju. Centieties izmantot masīvus, kas satur viena tipa elementus.

Slikti (jaukti tipi masīvā):

const arr = [1, 'hello', { x: 10 }];

for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
  console.log(arr[i]);
}

Tas var radīt veiktspējas problēmas, jo dzinējam ir jāapstrādā dažādu tipu elementi masīvā.

Labi (konsekventi tipi masīvā):

const arr = [1, 2, 3]; // Skaitļu masīvs

for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
  console.log(arr[i]);
}

Masīvu ar konsekventiem elementu tipiem izmantošana ļauj dzinējam efektīvāk optimizēt piekļuvi masīvam.

5. Izmantojiet tipu norādes (piesardzīgi)

Daži JavaScript kompilatori un rīki ļauj kodam pievienot tipu norādes. Lai gan pats JavaScript ir dinamiski tipizēts, šīs norādes var sniegt dzinējam vairāk informācijas koda optimizēšanai. Tomēr pārmērīga tipu norāžu izmantošana var padarīt kodu mazāk elastīgu un grūtāk uzturamu, tāpēc izmantojiet tās apdomīgi.

Piemērs (izmantojot TypeScript tipu norādes):

function add(a: number, b: number): number {
  return a + b;
}

console.log(add(5, 10));

TypeScript nodrošina tipu pārbaudi un var palīdzēt identificēt potenciālas ar tipiem saistītas veiktspējas problēmas. Lai gan kompilētajam JavaScript kodam nav tipu norāžu, TypeScript izmantošana ļauj kompilatoram labāk saprast, kā optimizēt JavaScript kodu.

Padziļināti V8 jēdzieni un apsvērumi

Vēl dziļākai optimizācijai var būt noderīga izpratne par V8 dažādo kompilācijas līmeņu mijiedarbību.

• Ignition: V8 interpretators, kas atbild par sākotnējo JavaScript koda izpildi. Tas vāc profilēšanas datus, ko izmanto optimizācijas vadīšanai.
• TurboFan: V8 optimizējošais kompilators. Pamatojoties uz profilēšanas datiem no Ignition, TurboFan kompilē bieži izpildāmu kodu augsti optimizētā mašīnkodā. TurboFan lielā mērā paļaujas uz iekļauto kešatmiņu un slēptajām klasēm efektīvai optimizācijai.

Kods, ko sākotnēji izpilda Ignition, vēlāk var tikt optimizēts ar TurboFan. Tāpēc, rakstot kodu, kas ir draudzīgs iekļautajai kešatmiņai un slēptajām klasēm, tas galu galā gūs labumu no TurboFan optimizācijas iespējām.

Reālās pasaules ietekme: globālas lietojumprogrammas

Iepriekš apspriestie principi ir aktuāli neatkarīgi no izstrādātāju ģeogrāfiskās atrašanās vietas. Tomēr šo optimizāciju ietekme var būt īpaši svarīga scenārijos ar:

• Mobilās ierīces: JavaScript veiktspējas optimizēšana ir ļoti svarīga mobilajām ierīcēm ar ierobežotu procesora jaudu un akumulatora darbības laiku. Slikti optimizēts kods var novest pie gausas veiktspējas un palielināta akumulatora patēriņa.
• Augstas apmeklētības vietnes: Vietnēm ar lielu lietotāju skaitu pat nelieli veiktspējas uzlabojumi var nozīmēt ievērojamus izmaksu ietaupījumus un uzlabotu lietotāja pieredzi. JavaScript optimizēšana var samazināt servera slodzi un uzlabot lapas ielādes laiku.
• IoT ierīces: Daudzas IoT ierīces izpilda JavaScript kodu. Šī koda optimizēšana ir būtiska, lai nodrošinātu šo ierīču vienmērīgu darbību un samazinātu to enerģijas patēriņu.
• Starpplatformu lietojumprogrammas: Lietojumprogrammas, kas izveidotas ar ietvariem, piemēram, React Native vai Electron, lielā mērā paļaujas uz JavaScript. JavaScript koda optimizēšana šajās lietojumprogrammās var uzlabot veiktspēju dažādās platformās.

Piemēram, jaunattīstības valstīs ar ierobežotu interneta joslas platumu JavaScript optimizēšana, lai samazinātu failu izmērus un uzlabotu ielādes laikus, ir īpaši svarīga, lai nodrošinātu labu lietotāja pieredzi. Līdzīgi e-komercijas platformām, kas mērķētas uz globālu auditoriju, veiktspējas optimizācija var palīdzēt samazināt atlēcienu līmeni (bounce rates) un palielināt konversijas rādītājus.

Rīki veiktspējas analīzei un uzlabošanai

Vairāki rīki var palīdzēt analizēt un uzlabot jūsu JavaScript koda veiktspēju:

• Chrome DevTools: Chrome DevTools nodrošina jaudīgu profilēšanas rīku komplektu, kas var palīdzēt identificēt veiktspējas vājās vietas jūsu kodā. Izmantojiet cilni Performance, lai ierakstītu jūsu lietojumprogrammas darbības laika grafiku un analizētu CPU izmantošanu, atmiņas piešķiršanu un atkritumu savākšanu (garbage collection).
• Node.js Profiler: Node.js nodrošina iebūvētu profilētāju, kas var palīdzēt analizēt jūsu servera puses JavaScript koda veiktspēju. Izmantojiet karodziņu --prof, palaižot savu Node.js lietojumprogrammu, lai ģenerētu profilēšanas failu.
• Lighthouse: Lighthouse ir atvērtā koda rīks, kas pārbauda tīmekļa lapu veiktspēju, pieejamību un SEO. Tas var sniegt vērtīgu ieskatu jomās, kurās jūsu vietni var uzlabot.
• Benchmark.js: Benchmark.js ir JavaScript etalonuzdevumu (benchmarking) bibliotēka, kas ļauj salīdzināt dažādu koda fragmentu veiktspēju. Izmantojiet Benchmark.js, lai novērtētu savu optimizācijas pasākumu ietekmi.

Secinājums

V8 iekļautās kešatmiņas mehānisms ir jaudīgs optimizācijas paņēmiens, kas ievērojami paātrina piekļuvi īpašībām JavaScript. Izprotot, kā darbojas iekļautā kešatmiņa, kā to ietekmē polimorfisms, un pielietojot praktiskas optimizācijas stratēģijas, jūs varat rakstīt veiktspējīgāku JavaScript kodu. Atcerieties, ka objektu veidošana ar konsekventām formām, izvairīšanās no īpašību dzēšanas un tipu variāciju samazināšana ir būtiskas prakses. Arī modernu rīku izmantošana koda analīzei un etalonuzdevumiem spēlē būtisku lomu, lai maksimāli izmantotu JavaScript optimizācijas paņēmienu priekšrocības. Koncentrējoties uz šiem aspektiem, izstrādātāji visā pasaulē var uzlabot lietojumprogrammu veiktspēju, nodrošināt labāku lietotāja pieredzi un optimizēt resursu izmantošanu dažādās platformās un vidēs.

Nepārtraukta koda novērtēšana un prakses pielāgošana, pamatojoties uz veiktspējas ieskatiem, ir ļoti svarīga, lai uzturētu optimizētas lietojumprogrammas dinamiskajā JavaScript ekosistēmā.