ส่วนประกอบภายในของ JavaScript Engine: การเพิ่มประสิทธิภาพ V8 และการคอมไพล์ JIT

JavaScript ภาษาที่แพร่หลายบนเว็บ เป็นหนี้ประสิทธิภาพของมันต่อการทำงานที่ซับซ้อนของ JavaScript engine ในบรรดาเหล่านี้ Google's V8 engine โดดเด่นในฐานะที่เป็นหัวใจสำคัญของ Chrome และ Node.js และมีอิทธิพลต่อการพัฒนา engine อื่น ๆ เช่น JavaScriptCore (Safari) และ SpiderMonkey (Firefox) การทำความเข้าใจส่วนประกอบภายในของ V8 โดยเฉพาะอย่างยิ่งกลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพและการคอมไพล์ Just-In-Time (JIT) เป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักพัฒนา JavaScript ที่มุ่งมั่นที่จะเขียนโค้ดที่มีประสิทธิภาพ บทความนี้ให้ภาพรวมที่ครอบคลุมของสถาปัตยกรรมและเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพของ V8 ซึ่งสามารถนำไปใช้กับกลุ่มนักพัฒนาเว็บทั่วโลกได้

บทนำเกี่ยวกับ JavaScript Engine

JavaScript engine คือโปรแกรมที่ดำเนินการโค้ด JavaScript มันเป็นสะพานเชื่อมระหว่าง JavaScript ที่มนุษย์อ่านได้ที่เราเขียนกับคำสั่งที่เครื่องจักรสามารถดำเนินการได้ที่คอมพิวเตอร์เข้าใจ ฟังก์ชันหลัก ได้แก่:

• การแยกวิเคราะห์: แปลงโค้ด JavaScript เป็น Abstract Syntax Tree (AST)
• การคอมไพล์/การตีความ: แปลง AST เป็นโค้ดเครื่องหรือ bytecode
• การดำเนินการ: เรียกใช้โค้ดที่สร้างขึ้น
• การจัดการหน่วยความจำ: จัดสรรและยกเลิกการจัดสรรหน่วยความจำสำหรับตัวแปรและโครงสร้างข้อมูล (garbage collection)

V8 เช่นเดียวกับ engine สมัยใหม่อื่น ๆ ใช้แนวทางแบบหลายชั้น โดยรวมการตีความเข้ากับการคอมไพล์ JIT เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด สิ่งนี้ช่วยให้การดำเนินการเริ่มต้นทำได้อย่างรวดเร็วและการเพิ่มประสิทธิภาพในส่วนของโค้ดที่ใช้บ่อย (hotspots) ในภายหลัง

สถาปัตยกรรมของ V8: ภาพรวมระดับสูง

สถาปัตยกรรมของ V8 สามารถแบ่งออกเป็นส่วนประกอบต่อไปนี้:

• Parser: แปลงซอร์สโค้ด JavaScript เป็น Abstract Syntax Tree (AST) Parser ใน V8 ค่อนข้างซับซ้อน จัดการมาตรฐาน ECMAScript ต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• Ignition: ตัวตีความที่ใช้ AST และสร้าง bytecode Bytecode คือการแสดงผลระดับกลางที่ง่ายต่อการดำเนินการมากกว่าโค้ด JavaScript ดั้งเดิม
• TurboFan: คอมไพเลอร์เพิ่มประสิทธิภาพของ V8 TurboFan ใช้ bytecode ที่สร้างโดย Ignition และแปลเป็นโค้ดเครื่องที่ได้รับการปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพสูง
• Orinoco: garbage collector ของ V8 รับผิดชอบในการจัดการหน่วยความจำโดยอัตโนมัติและเรียกคืนหน่วยความจำที่ไม่ได้ใช้

โดยทั่วไปกระบวนการจะไหลดังนี้: โค้ด JavaScript ถูกแยกวิเคราะห์เป็น AST จากนั้น AST จะถูกส่งไปยัง Ignition ซึ่งสร้าง bytecode Bytecode จะถูกดำเนินการในขั้นต้นโดย Ignition ในขณะที่ดำเนินการ Ignition จะรวบรวมข้อมูลการทำโปรไฟล์ หากส่วนของโค้ด (ฟังก์ชัน) ถูกดำเนินการบ่อย ๆ จะถือว่าเป็น "hotspot" จากนั้น Ignition จะส่ง bytecode และข้อมูลการทำโปรไฟล์ไปยัง TurboFan TurboFan ใช้ข้อมูลนี้เพื่อสร้างโค้ดเครื่องที่ได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพ แทนที่ bytecode สำหรับการดำเนินการในภายหลัง การคอมไพล์ "Just-In-Time" นี้ช่วยให้ V8 บรรลุประสิทธิภาพใกล้เคียงกับ native

การคอมไพล์ Just-In-Time (JIT): หัวใจของการเพิ่มประสิทธิภาพ

การคอมไพล์ JIT เป็นเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพแบบไดนามิกที่โค้ดถูกคอมไพล์ระหว่างรันไทม์ แทนที่จะคอมไพล์ล่วงหน้า V8 ใช้การคอมไพล์ JIT เพื่อวิเคราะห์และเพิ่มประสิทธิภาพโค้ดที่ดำเนินการบ่อย (hotspots) ในทันที กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอน:

1. การทำโปรไฟล์และการตรวจจับ Hotspot

Engine ทำโปรไฟล์โค้ดที่กำลังทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อระบุ hotspots - ฟังก์ชันหรือส่วนของโค้ดที่ถูกดำเนินการซ้ำ ๆ ข้อมูลการทำโปรไฟล์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการชี้นำความพยายามในการเพิ่มประสิทธิภาพของคอมไพเลอร์ JIT

2. คอมไพเลอร์เพิ่มประสิทธิภาพ (TurboFan)

TurboFan ใช้ bytecode และข้อมูลการทำโปรไฟล์จาก Ignition และสร้างโค้ดเครื่องที่ได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพ TurboFan ใช้เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพต่างๆ รวมถึง:

• Inline Caching: ใช้ประโยชน์จากการสังเกตว่าคุณสมบัติของอ็อบเจ็กต์มักจะถูกเข้าถึงในลักษณะเดียวกันซ้ำ ๆ
• Hidden Classes (หรือ Shapes): เพิ่มประสิทธิภาพการเข้าถึงคุณสมบัติของอ็อบเจ็กต์ตามโครงสร้างของอ็อบเจ็กต์
• Inlining: แทนที่การเรียกใช้ฟังก์ชันด้วยโค้ดฟังก์ชันจริงเพื่อลด overhead
• Loop Optimization: เพิ่มประสิทธิภาพการดำเนินการ loop เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ
• Deoptimization: หากข้อสันนิษฐานที่ทำในระหว่างการเพิ่มประสิทธิภาพไม่ถูกต้อง (เช่น ประเภทของตัวแปรเปลี่ยนแปลง) โค้ดที่ได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพจะถูกละทิ้ง และ engine จะกลับไปที่ตัวตีความ

เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพหลักใน V8

มาเจาะลึกเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดที่ V8 ใช้:

1. Inline Caching

Inline caching เป็นเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพที่สำคัญสำหรับภาษาไดนามิกเช่น JavaScript มันใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าประเภทของอ็อบเจ็กต์ที่เข้าถึงในตำแหน่งโค้ดเฉพาะมักจะสอดคล้องกันในการดำเนินการหลายครั้ง V8 จัดเก็บผลลัพธ์ของการค้นหาคุณสมบัติ (เช่น ที่อยู่หน่วยความจำของคุณสมบัติ) ใน inline cache ภายในฟังก์ชัน ในครั้งต่อไปที่โค้ดเดียวกันถูกดำเนินการกับอ็อบเจ็กต์ประเภทเดียวกัน V8 สามารถดึงคุณสมบัติจากแคชได้อย่างรวดเร็ว โดยข้ามกระบวนการค้นหาคุณสมบัติที่ช้ากว่า ตัวอย่างเช่น:

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

let myObj = { x: 10 };
getProperty(myObj); // First execution: property lookup, cache populated
getProperty(myObj); // Subsequent executions: cache hit, faster access

            

              
                Copy
              
            
          

หากประเภทของ `obj` เปลี่ยนแปลง (เช่น `obj` กลายเป็น `{ y: 20 }`) inline cache จะถูกทำให้เป็นโมฆะ และกระบวนการค้นหาคุณสมบัติจะเริ่มต้นใหม่ สิ่งนี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการรักษา shapes ของอ็อบเจ็กต์ให้สอดคล้องกัน (ดู Hidden Classes ด้านล่าง)

2. Hidden Classes (Shapes)

Hidden classes (หรือที่เรียกว่า Shapes) เป็นแนวคิดหลักในกลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพของ V8 JavaScript เป็นภาษาที่พิมพ์แบบไดนามิก ซึ่งหมายความว่าประเภทของอ็อบเจ็กต์สามารถเปลี่ยนแปลงได้ระหว่างรันไทม์ อย่างไรก็ตาม V8 ติดตาม *shape* ของอ็อบเจ็กต์ ซึ่งหมายถึงลำดับและประเภทของคุณสมบัติ Objects ที่มี shape เดียวกันจะใช้ hidden class เดียวกัน สิ่งนี้ช่วยให้ V8 เพิ่มประสิทธิภาพการเข้าถึงคุณสมบัติโดยการจัดเก็บ offset ของแต่ละคุณสมบัติภายในรูปแบบหน่วยความจำของอ็อบเจ็กต์ใน hidden class เมื่อเข้าถึงคุณสมบัติ V8 สามารถดึง offset จาก hidden class ได้อย่างรวดเร็วและเข้าถึงคุณสมบัติได้โดยตรง โดยไม่ต้องทำการค้นหาคุณสมบัติที่มีค่าใช้จ่ายสูง

ตัวอย่างเช่น:

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

let p1 = new Point(1, 2);
let p2 = new Point(3, 4);

            

              
                Copy
              
            
          

ทั้ง `p1` และ `p2` จะมี hidden class เดียวกันในตอนแรกเนื่องจากถูกสร้างขึ้นด้วย constructor เดียวกันและมีคุณสมบัติเดียวกันในลำดับเดียวกัน หากเราเพิ่มคุณสมบัติให้กับ `p1` หลังจากการสร้าง:

            p1.z = 5;

            

              
                Copy
              
            
          

`p1` จะเปลี่ยนไปเป็น hidden class ใหม่เนื่องจาก shape มีการเปลี่ยนแปลง สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การ deoptimization และการเข้าถึงคุณสมบัติที่ช้าลงหาก `p1` และ `p2` ถูกใช้ร่วมกันในโค้ดเดียวกัน เพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งนี้ แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดคือการเริ่มต้นคุณสมบัติทั้งหมดของอ็อบเจ็กต์ใน constructor

3. Inlining

Inlining คือกระบวนการแทนที่การเรียกใช้ฟังก์ชันด้วย body ของฟังก์ชันเอง สิ่งนี้จะกำจัด overhead ที่เกี่ยวข้องกับการเรียกใช้ฟังก์ชัน (เช่น การสร้าง stack frame ใหม่ การบันทึก registers) ซึ่งนำไปสู่การปรับปรุงประสิทธิภาพ V8 aggressively inlines ฟังก์ชันขนาดเล็กที่เรียกบ่อย อย่างไรก็ตาม excessive inlining สามารถเพิ่มขนาดโค้ด ซึ่งอาจนำไปสู่ cache misses และประสิทธิภาพที่ลดลง V8 สร้างสมดุลระหว่างข้อดีและข้อเสียของ inlining อย่างรอบคอบเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

ตัวอย่างเช่น:

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

function calculate(x, y) {
  return add(x, y) * 2;
}

            

              
                Copy
              
            
          

V8 อาจ inline ฟังก์ชัน `add` ลงในฟังก์ชัน `calculate` ส่งผลให้:

            function calculate(x, y) {
  return (a + b) * 2; // 'add' function inlined
}

            

              
                Copy
              
            
          

4. Loop Optimization

Loops เป็นแหล่งที่มาทั่วไปของ bottlenecks ด้านประสิทธิภาพในโค้ด JavaScript V8 ใช้เทคนิคต่างๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการดำเนินการ loop รวมถึง:

• Unrolling: ทำซ้ำ body ของ loop หลายครั้งเพื่อลดจำนวน loop iterations
• Induction Variable Elimination: แทนที่ induction variables ของ loop (ตัวแปรที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงในแต่ละ iteration) ด้วย expressions ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
• Strength Reduction: แทนที่ operations ที่มีค่าใช้จ่ายสูง (เช่น การคูณ) ด้วย operations ที่ถูกกว่า (เช่น การบวก)

ตัวอย่างเช่น พิจารณา loop อย่างง่ายนี้:

            for (let i = 0; i < 10; i++) {
  sum += i;
}

            

              
                Copy
              
            
          

V8 อาจ unroll loop นี้ ส่งผลให้:

            sum += 0;
sum += 1;
sum += 2;
sum += 3;
sum += 4;
sum += 5;
sum += 6;
sum += 7;
sum += 8;
sum += 9;

            

              
                Copy
              
            
          

สิ่งนี้จะกำจัด loop overhead ซึ่งนำไปสู่การดำเนินการที่เร็วขึ้น

5. Garbage Collection (Orinoco)

Garbage collection คือกระบวนการเรียกคืนหน่วยความจำที่ไม่ได้ใช้งานโดยโปรแกรมโดยอัตโนมัติ garbage collector ของ V8, Orinoco, เป็น generational, parallel และ concurrent garbage collector มันแบ่งหน่วยความจำออกเป็น generations ต่างๆ (young generation และ old generation) และใช้ strategies การ collection ที่แตกต่างกันสำหรับแต่ละ generation สิ่งนี้ช่วยให้ V8 จัดการหน่วยความจำได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดผลกระทบของการ garbage collection ต่อประสิทธิภาพของแอปพลิเคชัน การใช้แนวทางปฏิบัติในการเขียนโค้ดที่ดีเพื่อลดการสร้างอ็อบเจ็กต์และหลีกเลี่ยง memory leaks เป็นสิ่งสำคัญสำหรับประสิทธิภาพการ garbage collection ที่ดีที่สุด Objects ที่ไม่ได้อ้างอิงอีกต่อไปเป็น candidates สำหรับ garbage collection ทำให้หน่วยความจำว่างสำหรับแอปพลิเคชัน

การเขียน JavaScript ที่มีประสิทธิภาพ: แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับ V8

การทำความเข้าใจเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพของ V8 ช่วยให้นักพัฒนาสามารถเขียนโค้ด JavaScript ที่มีแนวโน้มที่จะได้รับการเพิ่มประสิทธิภาพโดย engine มากขึ้น นี่คือแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดที่ควรปฏิบัติตาม:

• รักษา shapes ของอ็อบเจ็กต์ให้สอดคล้องกัน: เริ่มต้นคุณสมบัติทั้งหมดของอ็อบเจ็กต์ใน constructor และหลีกเลี่ยงการเพิ่มหรือลบคุณสมบัติแบบไดนามิกหลังจากที่อ็อบเจ็กต์ถูกสร้างขึ้น
• ใช้ types ข้อมูลที่สอดคล้องกัน: หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนประเภทของตัวแปรในระหว่างรันไทม์ สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การ deoptimization และการดำเนินการที่ช้าลง
• หลีกเลี่ยงการใช้ `eval()` และ `with()`: คุณสมบัติเหล่านี้อาจทำให้ V8 เพิ่มประสิทธิภาพโค้ดของคุณได้ยาก
• ลดการจัดการ DOM: การจัดการ DOM มักจะเป็น bottlenecks ด้านประสิทธิภาพ แคช DOM elements และลดจำนวน DOM updates
• ใช้โครงสร้างข้อมูลที่มีประสิทธิภาพ: เลือกโครงสร้างข้อมูลที่เหมาะสมสำหรับงาน ตัวอย่างเช่น ใช้ `Set` และ `Map` แทน plain objects สำหรับการจัดเก็บ unique values และ key-value pairs ตามลำดับ
• หลีกเลี่ยงการสร้างอ็อบเจ็กต์ที่ไม่จำเป็น: การสร้างอ็อบเจ็กต์เป็นการดำเนินการที่มีค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง นำอ็อบเจ็กต์ที่มีอยู่นำกลับมาใช้ใหม่เมื่อเป็นไปได้
• ใช้ strict mode: Strict mode ช่วยป้องกัน JavaScript errors ทั่วไปและเปิดใช้งาน optimizations เพิ่มเติม
• ทำโปรไฟล์และ benchmark โค้ดของคุณ: ใช้ Chrome DevTools หรือ Node.js profiling tools เพื่อระบุ bottlenecks ด้านประสิทธิภาพและวัดผลกระทบของการ optimizations ของคุณ
• ทำให้ฟังก์ชันมีขนาดเล็กและเน้น: ฟังก์ชันที่เล็กลงนั้นง่ายกว่าสำหรับ engine ในการ inline
• ระมัดระวังเกี่ยวกับประสิทธิภาพของ loop: เพิ่มประสิทธิภาพ loops โดยลดการคำนวณที่ไม่จำเป็นและหลีกเลี่ยงเงื่อนไขที่ซับซ้อน

การดีบักและการทำโปรไฟล์โค้ด V8

Chrome DevTools ให้เครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับการดีบักและการทำโปรไฟล์โค้ด JavaScript ที่ทำงานใน V8 คุณสมบัติหลัก ได้แก่:

• The JavaScript Profiler: ช่วยให้คุณบันทึกเวลาดำเนินการของ JavaScript functions และระบุ bottlenecks ด้านประสิทธิภาพ
• The Memory Profiler: ช่วยให้คุณระบุ memory leaks และติดตามการใช้หน่วยความจำ
• The Debugger: ช่วยให้คุณ step through โค้ดของคุณ ตั้ง breakpoints และตรวจสอบตัวแปร

การใช้เครื่องมือเหล่านี้ คุณจะได้รับข้อมูลเชิงลึกที่มีค่าเกี่ยวกับวิธีการที่ V8 กำลังดำเนินการโค้ดของคุณและระบุพื้นที่สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ การทำความเข้าใจวิธีการทำงานของ engine ช่วยให้นักพัฒนาเขียนโค้ดที่ optimized มากขึ้น

V8 และ JavaScript Engines อื่นๆ

ในขณะที่ V8 เป็นแรงผลักดันที่โดดเด่น JavaScript engines อื่น ๆ เช่น JavaScriptCore (Safari) และ SpiderMonkey (Firefox) ก็ใช้เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพที่ซับซ้อนเช่นกัน รวมถึงการคอมไพล์ JIT และ inline caching ในขณะที่การ implementations เฉพาะอาจแตกต่างกัน หลักการพื้นฐานมักจะคล้ายคลึงกัน การทำความเข้าใจแนวคิดทั่วไปที่กล่าวถึงในบทความนี้จะเป็นประโยชน์ไม่ว่า JavaScript engine ใดที่โค้ดของคุณกำลังทำงาน เทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพมากมาย เช่น การใช้ shapes ของอ็อบเจ็กต์ที่สอดคล้องกันและการหลีกเลี่ยงการสร้างอ็อบเจ็กต์ที่ไม่จำเป็น สามารถนำไปใช้ได้อย่างสากล

อนาคตของ V8 และ JavaScript Optimization

V8 มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยมีเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพใหม่ ๆ ที่ได้รับการพัฒนาและเทคนิคที่มีอยู่ได้รับการปรับปรุง ทีม V8 ทำงานอย่างต่อเนื่องในการปรับปรุงประสิทธิภาพ ลดการใช้หน่วยความจำ และปรับปรุงสภาพแวดล้อมการดำเนินการ JavaScript โดยรวม การติดตามข่าวสารล่าสุดเกี่ยวกับ V8 releases และ blog posts จากทีม V8 สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีค่าเกี่ยวกับทิศทางในอนาคตของการ JavaScript optimization นอกจากนี้ คุณสมบัติ ECMAScript ที่ใหม่กว่ามักจะแนะนำโอกาสในการเพิ่มประสิทธิภาพระดับ engine

สรุป

การทำความเข้าใจส่วนประกอบภายในของ JavaScript engines เช่น V8 เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเขียนโค้ด JavaScript ที่มีประสิทธิภาพ การทำความเข้าใจวิธีการที่ V8 เพิ่มประสิทธิภาพโค้ดผ่านการคอมไพล์ JIT, inline caching, hidden classes และเทคนิคอื่น ๆ นักพัฒนาสามารถเขียนโค้ดที่มีแนวโน้มที่จะได้รับการเพิ่มประสิทธิภาพโดย engine มากขึ้น การปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด เช่น การรักษา shapes ของอ็อบเจ็กต์ให้สอดคล้องกัน การใช้ types ข้อมูลที่สอดคล้องกัน และการลดการจัดการ DOM สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของ JavaScript applications ของคุณได้อย่างมาก การใช้การดีบักและการทำโปรไฟล์ tools ที่มีอยู่ใน Chrome DevTools ช่วยให้คุณได้รับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิธีการที่ V8 กำลังดำเนินการโค้ดของคุณและระบุพื้นที่สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ ด้วยความก้าวหน้าที่กำลังดำเนินอยู่ใน V8 และ JavaScript engines อื่นๆ การติดตามข้อมูลเกี่ยวกับเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพล่าสุดเป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักพัฒนาในการมอบประสบการณ์บนเว็บที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพแก่ผู้ใช้ทั่วโลก