Virtuālās mašīnas: JavaScript dzinēja iekšējās darbības demistifikācija

JavaScript, visuresoša valoda, kas darbina tīmekli, paļaujas uz sarežģītiem dzinējiem, lai efektīvi izpildītu kodu. Šo dzinēju pamatā ir virtuālās mašīnas (VM) koncepts. Izpratne par to, kā šīs VM darbojas, var sniegt vērtīgu ieskatu JavaScript veiktspējas raksturlielumos un ļaut izstrādātājiem rakstīt optimizētāku kodu. Šis ceļvedis sniedz dziļu ieskatu JavaScript VM arhitektūrā un darbībā.

Kas ir virtuālā mašīna?

Būtībā virtuālā mašīna ir abstrakta datora arhitektūra, kas realizēta programmatūrā. Tā nodrošina vidi, kas ļauj programmām, kas rakstītas noteiktā valodā (piemēram, JavaScript), darboties neatkarīgi no pamatā esošās aparatūras. Šī izolācija nodrošina pārnesamību, drošību un efektīvu resursu pārvaldību.

Iedomājieties to šādi: jūs varat palaist Windows operētājsistēmu macOS vidē, izmantojot VM. Līdzīgi, JavaScript dzinēja VM ļauj JavaScript kodam izpildīties jebkurā platformā, kurā ir instalēts šis dzinējs (pārlūkprogrammās, Node.js utt.).

JavaScript izpildes konveijers: no pirmkoda līdz izpildei

JavaScript koda ceļš no sākotnējā stāvokļa līdz izpildei VM ietvaros ietver vairākus būtiskus posmus:

Parsēšana: Dzinējs vispirms parsē JavaScript kodu, sadalot to strukturētā attēlojumā, kas pazīstams kā Abstraktās sintakses koks (AST). Šis koks atspoguļo koda sintaktisko struktūru.
Kompilācija/Interpretācija: Pēc tam AST tiek apstrādāts. Mūsdienu JavaScript dzinēji izmanto hibrīda pieeju, lietojot gan interpretācijas, gan kompilācijas tehnikas.
Izpilde: Kompilētais vai interpretētais kods tiek izpildīts VM ietvaros.
Optimizācija: Koda darbības laikā dzinējs nepārtraukti uzrauga veiktspēju un pielieto optimizācijas, lai uzlabotu izpildes ātrumu.

Interpretācija pret kompilāciju

Vēsturiski JavaScript dzinēji galvenokārt paļāvās uz interpretāciju. Interpretatori apstrādā kodu rindiņu pa rindiņai, secīgi tulkojot un izpildot katru instrukciju. Šī pieeja nodrošina ātru starta laiku, bet var novest pie lēnāka izpildes ātruma salīdzinājumā ar kompilāciju. Kompilācija, no otras puses, ietver visa pirmkoda tulkošanu mašīnkodā (vai starpkodā) pirms izpildes. Tas nodrošina ātrāku izpildi, bet prasa lielākas sākotnējās izmaksas.

Mūsdienu dzinēji izmanto Just-In-Time (JIT) kompilācijas stratēģiju, kas apvieno abu pieeju priekšrocības. JIT kompilatori analizē kodu izpildes laikā un kompilē bieži izpildītās sadaļas (karstos punktus) optimizētā mašīnkodā, ievērojami uzlabojot veiktspēju. Apsveriet ciklu, kas tiek izpildīts tūkstošiem reižu – JIT kompilators varētu optimizēt šo ciklu pēc tam, kad tas ir izpildīts dažas reizes.

JavaScript virtuālās mašīnas galvenās sastāvdaļas

JavaScript VM parasti sastāv no šādām būtiskām sastāvdaļām:

Parsētājs: Atbild par JavaScript pirmkoda pārvēršanu AST.
Interpretators: Tieši izpilda AST vai pārvērš to bitkodā.
Kompilators (JIT): Kompilē bieži izpildītu kodu optimizētā mašīnkodā.
Optimizators: Veic dažādas optimizācijas, lai uzlabotu koda veiktspēju (piemēram, funkciju iekļaušana (inlining), nedzīvā koda likvidēšana).
Atkritumu savācējs: Automātiski pārvalda atmiņu, atbrīvojot objektus, kas vairs netiek izmantoti.
Izpildlaika sistēma: Nodrošina būtiskus pakalpojumus izpildes videi, piemēram, piekļuvi DOM (pārlūkprogrammās) vai failu sistēmai (Node.js).

Populārie JavaScript dzinēji un to arhitektūras

Vairāki populāri JavaScript dzinēji darbina pārlūkprogrammas un citas izpildlaika vides. Katram dzinējam ir sava unikālā arhitektūra un optimizācijas tehnikas.

V8 (Chrome, Node.js)

V8, ko izstrādājis Google, ir viens no visplašāk izmantotajiem JavaScript dzinējiem. Tas izmanto pilnu JIT kompilatoru, sākotnēji kompilējot JavaScript kodu mašīnkodā. V8 ietver arī tādas tehnikas kā iekļautā kešatmiņa (inline caching) un slēptās klases, lai optimizētu piekļuvi objektu īpašībām. V8 izmanto divus kompilatorus: Full-codegen (sākotnējais kompilators, kas ražo relatīvi lēnu, bet uzticamu kodu) un Crankshaft (optimizējošs kompilators, kas ģenerē augsti optimizētu kodu). Nesenāk V8 ieviesa TurboFan, vēl progresīvāku optimizējošo kompilatoru.

V8 arhitektūra ir augsti optimizēta ātrumam un atmiņas efektivitātei. Tā izmanto progresīvus atkritumu savākšanas algoritmus, lai minimizētu atmiņas noplūdes un uzlabotu veiktspēju. V8 veiktspēja ir izšķiroša gan pārlūkprogrammu veiktspējai, gan Node.js servera puses lietojumprogrammām. Piemēram, sarežģītas tīmekļa lietojumprogrammas, piemēram, Google Docs, lielā mērā paļaujas uz V8 ātrumu, lai nodrošinātu atsaucīgu lietotāja pieredzi. Node.js kontekstā V8 efektivitāte ļauj apstrādāt tūkstošiem vienlaicīgu pieprasījumu mērogojamos tīmekļa serveros.

SpiderMonkey (Firefox)

SpiderMonkey, ko izstrādājusi Mozilla, ir dzinējs, kas darbina Firefox. Tas ir hibrīda dzinējs, kurā ir gan interpretators, gan vairāki JIT kompilatori. SpiderMonkey ir sena vēsture, un gadu gaitā tas ir piedzīvojis ievērojamu evolūciju. Vēsturiski SpiderMonkey izmantoja interpretatoru un pēc tam IonMonkey (JIT kompilatoru). Pašlaik SpiderMonkey izmanto modernāku arhitektūru ar vairākiem JIT kompilācijas līmeņiem.

SpiderMonkey ir pazīstams ar savu fokusu uz standartu atbilstību un drošību. Tas ietver spēcīgas drošības funkcijas, lai aizsargātu lietotājus no ļaunprātīga koda. Tā arhitektūra prioritizē saderības uzturēšanu ar esošajiem tīmekļa standartiem, vienlaikus iekļaujot modernas veiktspējas optimizācijas. Mozilla nepārtraukti investē SpiderMonkey, lai uzlabotu tā veiktspēju un drošību, nodrošinot, ka Firefox paliek konkurētspējīga pārlūkprogramma. Eiropas banka, kas iekšēji izmanto Firefox, varētu novērtēt SpiderMonkey drošības funkcijas, lai aizsargātu sensitīvus finanšu datus.

JavaScriptCore (Safari)

JavaScriptCore, pazīstams arī kā Nitro, ir dzinējs, ko izmanto Safari un citos Apple produktos. Tas ir vēl viens dzinējs ar JIT kompilatoru. JavaScriptCore izmanto LLVM (Low Level Virtual Machine) kā savu aizmugursistēmu (backend) mašīnkoda ģenerēšanai, kas nodrošina izcilu optimizāciju. Vēsturiski JavaScriptCore izmantoja SquirrelFish Extreme, agrīnu JIT kompilatora versiju.

JavaScriptCore ir cieši saistīts ar Apple ekosistēmu un ir lielā mērā optimizēts Apple aparatūrai. Tas uzsver energoefektivitāti, kas ir izšķiroša mobilajām ierīcēm, piemēram, iPhone un iPad. Apple nepārtraukti uzlabo JavaScriptCore, lai nodrošinātu vienmērīgu un atsaucīgu lietotāja pieredzi savās ierīcēs. JavaScriptCore optimizācijas ir īpaši svarīgas resursietilpīgiem uzdevumiem, piemēram, sarežģītu grafiku renderēšanai vai lielu datu kopu apstrādei. Iedomājieties spēli, kas vienmērīgi darbojas iPad ierīcē; tas daļēji ir pateicoties JavaScriptCore efektīvajai veiktspējai. Uzņēmums, kas izstrādā papildinātās realitātes lietojumprogrammas iOS, gūtu labumu no JavaScriptCore aparatūras optimizācijām.

Bitkods un starpkods

Daudzi JavaScript dzinēji tieši nepārvērš AST mašīnkodā. Tā vietā tie ģenerē starpkodu, ko sauc par bitkodu. Bitkods ir zema līmeņa, no platformas neatkarīgs koda attēlojums, kuru ir vieglāk optimizēt un izpildīt nekā sākotnējo JavaScript pirmkodu. Pēc tam interpretators vai JIT kompilators izpilda bitkodu.

Bitkoda izmantošana nodrošina lielāku pārnesamību, jo vienu un to pašu bitkodu var izpildīt dažādās platformās, neprasot atkārtotu kompilāciju. Tas arī vienkāršo JIT kompilācijas procesu, jo JIT kompilators var strādāt ar strukturētāku un optimizētāku koda attēlojumu.

Izpildes konteksti un izsaukumu steks

JavaScript kods tiek izpildīts izpildes kontekstā, kas satur visu nepieciešamo informāciju koda darbībai, ieskaitot mainīgos, funkcijas un tvēruma ķēdi (scope chain). Kad funkcija tiek izsaukta, tiek izveidots jauns izpildes konteksts un pievienots izsaukumu stekam (call stack). Izsaukumu steks uztur funkciju izsaukumu secību un nodrošina, ka funkcijas atgriežas pareizajā vietā, kad tās pabeidz izpildi.

Izsaukumu steka izpratne ir ļoti svarīga JavaScript koda atkļūdošanai. Kad rodas kļūda, izsaukumu steks sniedz funkciju izsaukumu izsekošanas informāciju, kas noveda pie kļūdas, palīdzot izstrādātājiem noteikt problēmas avotu.

Atkritumu savākšana

JavaScript izmanto automātisku atmiņas pārvaldību, izmantojot atkritumu savācēju (GC). GC automātiski atbrīvo atmiņu, ko aizņem objekti, kas vairs nav sasniedzami vai tiek izmantoti. Tas novērš atmiņas noplūdes un vienkāršo atmiņas pārvaldību izstrādātājiem. Mūsdienu JavaScript dzinēji izmanto sarežģītus GC algoritmus, lai minimizētu pauzes un uzlabotu veiktspēju. Dažādi dzinēji izmanto dažādus GC algoritmus, piemēram, iezīmēšanas un slaucīšanas (mark-and-sweep) vai paaudžu atkritumu savākšanu. Paaudžu GC, piemēram, iedala objektus kategorijās pēc vecuma, biežāk savācot jaunākus objektus nekā vecākus, kas parasti ir efektīvāk.

Lai gan atkritumu savācējs automatizē atmiņas pārvaldību, joprojām ir svarīgi apzināties atmiņas izmantošanu JavaScript kodā. Liela skaita objektu izveide vai objektu turēšana ilgāk nekā nepieciešams var noslogot GC un ietekmēt veiktspēju.

JavaScript veiktspējas optimizācijas tehnikas

Izpratne par to, kā darbojas JavaScript dzinēji, var palīdzēt izstrādātājiem rakstīt optimizētāku kodu. Šeit ir dažas galvenās optimizācijas tehnikas:

Izvairieties no globāliem mainīgajiem: Globālie mainīgie var palēnināt īpašību meklēšanu.
Izmantojiet lokālos mainīgos: Lokālajiem mainīgajiem piekļūst ātrāk nekā globālajiem mainīgajiem.
Minimizējiet DOM manipulācijas: DOM operācijas ir dārgas. Grupējiet atjauninājumus, kad vien iespējams.
Optimizējiet ciklus: Izmantojiet efektīvas ciklu struktūras un minimizējiet aprēķinus ciklu iekšienē.
Izmantojiet memoizāciju: Kešojiet dārgu funkciju izsaukumu rezultātus, lai izvairītos no liekiem aprēķiniem.
Profilējiet savu kodu: Izmantojiet profilēšanas rīkus, lai identificētu veiktspējas vājās vietas.

Piemēram, apsveriet scenāriju, kurā jums jāatjaunina vairāki elementi tīmekļa lapā. Tā vietā, lai atjauninātu katru elementu atsevišķi, grupējiet atjauninājumus vienā DOM operācijā, lai samazinātu papildu slodzi. Līdzīgi, veicot sarežģītus aprēķinus ciklā, mēģiniet iepriekš aprēķināt jebkuras vērtības, kas paliek nemainīgas visā ciklā, lai izvairītos no liekiem aprēķiniem.

Rīki JavaScript veiktspējas analīzei

Ir pieejami vairāki rīki, kas palīdz izstrādātājiem analizēt JavaScript veiktspēju un identificēt vājās vietas:

Pārlūkprogrammas izstrādātāju rīki: Lielākajai daļai pārlūkprogrammu ir iebūvēti izstrādātāju rīki, kas nodrošina profilēšanas iespējas, ļaujot izmērīt dažādu koda daļu izpildes laiku.
Lighthouse: Google rīks, kas veic tīmekļa lapu auditu attiecībā uz veiktspēju, pieejamību un citām labākajām praksēm.
Node.js Profiler: Node.js nodrošina iebūvētu profileru, ko var izmantot servera puses JavaScript koda veiktspējas analīzei.

Nākotnes tendences JavaScript dzinēju izstrādē

JavaScript dzinēju izstrāde ir nepārtraukts process ar pastāvīgiem centieniem uzlabot veiktspēju, drošību un standartu atbilstību. Dažas galvenās tendences ietver:

WebAssembly (Wasm): Binārs instrukciju formāts koda palaišanai tīmeklī. Wasm ļauj izstrādātājiem rakstīt kodu citās valodās (piem., C++, Rust) un kompilēt to uz Wasm, ko pēc tam var izpildīt pārlūkprogrammā ar gandrīz dabīgu veiktspēju.
Līmeņu kompilācija: Vairāku JIT kompilācijas līmeņu izmantošana, kur katrs līmenis piemēro arvien agresīvākas optimizācijas.
Uzlabota atkritumu savākšana: Efektīvāku un mazāk traucējošu atkritumu savākšanas algoritmu izstrāde.
Aparatūras paātrinājums: Aparatūras funkciju (piemēram, SIMD instrukciju) izmantošana, lai paātrinātu JavaScript izpildi.

Īpaši WebAssembly ir nozīmīgs pavērsiens tīmekļa izstrādē, kas ļauj izstrādātājiem ieviest augstas veiktspējas lietojumprogrammas tīmekļa platformā. Iedomājieties sarežģītas 3D spēles vai CAD programmatūru, kas darbojas tieši pārlūkprogrammā, pateicoties WebAssembly.

Noslēgums

Izpratne par JavaScript dzinēju iekšējo darbību ir ļoti svarīga jebkuram nopietnam JavaScript izstrādātājam. Izprotot virtuālo mašīnu, JIT kompilācijas, atkritumu savākšanas un optimizācijas tehniku jēdzienus, izstrādātāji var rakstīt efektīvāku un veiktspējīgāku kodu. Tā kā JavaScript turpina attīstīties un darbināt arvien sarežģītākas lietojumprogrammas, dziļa izpratne par tā pamatā esošo arhitektūru kļūs vēl vērtīgāka. Neatkarīgi no tā, vai jūs veidojat tīmekļa lietojumprogrammas globālai auditorijai, izstrādājat servera puses lietojumprogrammas ar Node.js vai veidojat interaktīvu pieredzi ar JavaScript, zināšanas par JavaScript dzinēja iekšējo darbību neapšaubāmi uzlabos jūsu prasmes un ļaus jums veidot labāku programmatūru.

Turpiniet pētīt, eksperimentēt un paplašināt JavaScript iespēju robežas!