Оптимізація за допомогою векторів зворотного зв'язку в JavaScript V8: Глибокий аналіз вивчення шаблонів доступу до властивостей

Рушій JavaScript V8, який використовується в Chrome та Node.js, відомий своєю продуктивністю. Важливим компонентом цієї продуктивності є його складний конвеєр оптимізації, який значною мірою покладається на вектори зворотного зв'язку. Ці вектори є основою здатності V8 вивчати та адаптуватися до поведінки вашого JavaScript-коду під час виконання, що дозволяє значно підвищити швидкість, особливо при доступі до властивостей. Ця стаття надає глибокий аналіз того, як V8 використовує вектори зворотного зв'язку для оптимізації шаблонів доступу до властивостей, використовуючи вбудоване кешування та приховані класи.

Розуміння основних концепцій

Що таке вектори зворотного зв'язку?

Вектори зворотного зв'язку — це структури даних, які V8 використовує для збору інформації про операції, що виконуються кодом JavaScript під час роботи. Ця інформація включає типи об'єктів, що обробляються, властивості, до яких здійснюється доступ, та частоту різних операцій. Уявляйте їх як спосіб V8 спостерігати та навчатися на основі поведінки вашого коду в реальному часі.

Зокрема, вектори зворотного зв'язку пов'язані з конкретними інструкціями байт-коду. Кожна інструкція може мати кілька слотів у своєму векторі зворотного зв'язку. Кожен слот зберігає інформацію, пов'язану з виконанням саме цієї інструкції.

Приховані класи: Основа ефективного доступу до властивостей

JavaScript — це динамічно типізована мова, що означає, що тип змінної може змінюватися під час виконання. Це створює проблему для оптимізації, оскільки рушій не знає структуру об'єкта на етапі компіляції. Щоб вирішити цю проблему, V8 використовує приховані класи (також іноді їх називають картами або формами). Прихований клас описує структуру (властивості та їхні зміщення) об'єкта. Щоразу, коли створюється новий об'єкт, V8 призначає йому прихований клас. Якщо два об'єкти мають однакові імена властивостей у тому ж порядку, вони будуть використовувати один і той самий прихований клас.

Розглянемо ці об'єкти JavaScript:

const obj1 = { x: 10, y: 20 };
const obj2 = { x: 5, y: 15 };

Обидва obj1 та obj2, ймовірно, будуть використовувати один і той самий прихований клас, оскільки вони мають однакові властивості в однаковому порядку. Однак, якщо ми додамо властивість до obj1 після його створення:

obj1.z = 30;

obj1 тепер перейде до нового прихованого класу. Цей перехід є вирішальним, оскільки V8 потрібно оновити своє розуміння структури об'єкта.

Вбудовані кеші (ICs): Прискорення пошуку властивостей

Вбудовані кеші (ICs) є ключовою технікою оптимізації, яка використовує приховані класи для прискорення доступу до властивостей. Коли V8 зустрічає доступ до властивості, йому не потрібно виконувати повільний пошук загального призначення. Натомість він може використовувати прихований клас, пов'язаний з об'єктом, для прямого доступу до властивості за відомим зміщенням у пам'яті.

При першому доступі до властивості IC є неініціалізованим. V8 виконує пошук властивості та зберігає прихований клас і зміщення в IC. Подальші звернення до тієї ж властивості на об'єктах з однаковим прихованим класом можуть використовувати кешоване зміщення, уникаючи дороговартісного процесу пошуку. Це величезний виграш у продуктивності.

Ось спрощена ілюстрація:

1. Перший доступ: V8 зустрічає obj.x. IC неініціалізований.
2. Пошук: V8 знаходить зміщення x у прихованому класі об'єкта obj.
3. Кешування: V8 зберігає прихований клас та зміщення в IC.
4. Подальші доступи: Якщо obj (або інший об'єкт) має той самий прихований клас, V8 використовує кешоване зміщення для прямого доступу до x.

Як вектори зворотного зв'язку та приховані класи працюють разом

Вектори зворотного зв'язку відіграють вирішальну роль в управлінні прихованими класами та вбудованими кешами. Вони записують спостережувані приховані класи під час доступу до властивостей. Ця інформація використовується для:

• Ініціювання переходів прихованих класів: Коли V8 спостерігає зміну структури об'єкта (наприклад, додавання нової властивості), вектор зворотного зв'язку допомагає ініціювати перехід до нового прихованого класу.
• Оптимізація IC: Вектор зворотного зв'язку інформує систему IC про поширені приховані класи для певного доступу до властивості. Це дозволяє V8 оптимізувати IC для найпоширеніших випадків.
• Деоптимізація коду: Якщо спостережувані приховані класи значно відрізняються від очікуваних IC, V8 може деоптимізувати код і повернутися до повільнішого, більш загального механізму пошуку властивостей. Це відбувається тому, що IC більше не є ефективним і завдає більше шкоди, ніж користі.

Приклад сценарію: Динамічне додавання властивостей

Повернімося до попереднього прикладу і подивимося, як залучені вектори зворотного зв'язку:

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

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

// Access properties
console.log(p1.x + p1.y);
console.log(p2.x + p2.y);

// Now, add a property to p1
p1.z = 30;

// Access properties again
console.log(p1.x + p1.y + p1.z);
console.log(p2.x + p2.y);

Ось що відбувається "під капотом":

1. Початковий прихований клас: Коли p1 та p2 створюються, вони використовують один і той самий початковий прихований клас (що містить x та y).
2. Доступ до властивостей (перший раз): При першому доступі до p1.x та p1.y, вектори зворотного зв'язку відповідних інструкцій байт-коду порожні. V8 виконує пошук властивостей та заповнює IC прихованим класом та зміщеннями.
3. Доступ до властивостей (наступні рази): При другому доступі до p2.x та p2.y відбувається влучання в IC, і доступ до властивостей відбувається набагато швидше.
4. Додавання властивості z: Додавання p1.z призводить до переходу p1 до нового прихованого класу. Вектор зворотного зв'язку, пов'язаний з операцією присвоєння властивості, зафіксує цю зміну.
5. Деоптимізація (потенційно): Коли до p1.x та p1.y звертаються знову *після* додавання p1.z, IC можуть бути інвалідовані (залежно від евристик V8). Це відбувається тому, що прихований клас p1 тепер відрізняється від очікуваного IC. У простіших випадках V8 може створити дерево переходів, що пов'язує старий прихований клас з новим, підтримуючи певний рівень оптимізації. У складніших сценаріях може відбутися деоптимізація.
6. Оптимізація (зрештою): З часом, якщо до p1 часто звертаються з новим прихованим класом, V8 вивчить новий шаблон доступу та оптимізує його відповідно, потенційно створюючи нові IC, спеціалізовані для оновленого прихованого класу.

Практичні стратегії оптимізації

Розуміння того, як V8 оптимізує шаблони доступу до властивостей, дозволяє писати більш продуктивний JavaScript-код. Ось кілька практичних стратегій:

1. Ініціалізуйте всі властивості об'єкта в конструкторі

Завжди ініціалізуйте всі властивості об'єкта в конструкторі або об'єктному літералі, щоб гарантувати, що всі об'єкти одного "типу" мають однаковий прихований клас. Це особливо важливо в коді, критичному до продуктивності.

// Погано: Додавання властивостей поза конструктором
function BadPoint(x, y) {
 this.x = x;
 this.y = y;
}

const badPoint = new BadPoint(1, 2);
badPoint.z = 3; // Уникайте цього!

// Добре: Ініціалізація всіх властивостей у конструкторі
function GoodPoint(x, y, z) {
 this.x = x;
 this.y = y;
 this.z = z !== undefined ? z : 0; // Значення за замовчуванням
}

const goodPoint = new GoodPoint(1, 2, 3);

Конструктор GoodPoint гарантує, що всі об'єкти GoodPoint мають однакові властивості, незалежно від того, чи надано значення z. Навіть якщо z не завжди використовується, попереднє виділення його зі значенням за замовчуванням часто є більш продуктивним, ніж додавання його пізніше.

2. Додавайте властивості в однаковому порядку

Порядок, у якому властивості додаються до об'єкта, впливає на його прихований клас. Щоб максимізувати спільне використання прихованих класів, додавайте властивості в однаковому порядку для всіх об'єктів одного "типу".

// Непослідовний порядок властивостей (Погано)
const objA = { a: 1, b: 2 };
const objB = { b: 2, a: 1 }; // Інший порядок

// Послідовний порядок властивостей (Добре)
const objC = { a: 1, b: 2 };
const objD = { a: 1, b: 2 }; // Однаковий порядок

Хоча objA та objB мають однакові властивості, вони, ймовірно, матимуть різні приховані класи через різний порядок властивостей, що призведе до менш ефективного доступу до них.

3. Уникайте динамічного видалення властивостей

Видалення властивостей з об'єкта може інвалідувати його прихований клас і змусити V8 повернутися до повільніших механізмів пошуку властивостей. Уникайте видалення властивостей, якщо це не є абсолютно необхідним.

// Уникайте видалення властивостей (Погано)
const obj = { a: 1, b: 2, c: 3 };
delete obj.b; // Уникайте!

// Використовуйте null або undefined натомість (Добре)
const obj2 = { a: 1, b: 2, c: 3 };
obj2.b = null; // Або undefined

Встановлення властивості в null або undefined зазвичай більш продуктивне, ніж її видалення, оскільки це зберігає прихований клас об'єкта.

4. Використовуйте типізовані масиви для числових даних

При роботі з великими обсягами числових даних розглядайте можливість використання типізованих масивів. Типізовані масиви надають спосіб представлення масивів конкретних типів даних (наприклад, Int32Array, Float64Array) більш ефективним способом, ніж звичайні масиви JavaScript. V8 часто може оптимізувати операції з типізованими масивами ефективніше.

// Звичайний масив JavaScript
const arr = [1, 2, 3, 4, 5];

// Типізований масив (Int32Array)
const typedArr = new Int32Array([1, 2, 3, 4, 5]);

// Виконання операцій (наприклад, сума)
let sum = 0;
for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
 sum += arr[i];
}

let typedSum = 0;
for (let i = 0; i < typedArr.length; i++) {
 typedSum += typedArr[i];
}

Типізовані масиви особливо корисні при виконанні числових обчислень, обробці зображень або інших завдань, що інтенсивно працюють з даними.

5. Профілюйте свій код

Найефективніший спосіб виявлення вузьких місць у продуктивності — це профілювання вашого коду за допомогою таких інструментів, як Chrome DevTools. DevTools може надати інформацію про те, де ваш код витрачає найбільше часу, та визначити місця, де ви можете застосувати техніки оптимізації, обговорені в цій статті.

1. Відкрийте Chrome DevTools: Клацніть правою кнопкою миші на веб-сторінці та виберіть "Inspect" (Перевірити). Потім перейдіть на вкладку "Performance" (Продуктивність).
2. Запис: Натисніть кнопку запису та виконайте дії, які ви хочете профілювати.
3. Аналіз: Зупиніть запис та проаналізуйте результати. Шукайте функції, які виконуються довго або викликають часті збори сміття.

Додаткові аспекти

Поліморфні вбудовані кеші

Іноді доступ до властивості може здійснюватися на об'єктах з різними прихованими класами. У таких випадках V8 використовує поліморфні вбудовані кеші (PIC). PIC може кешувати інформацію для кількох прихованих класів, що дозволяє йому обробляти обмежений ступінь поліморфізму. Однак, якщо кількість різних прихованих класів стає занадто великою, PIC може стати неефективним, і V8 може вдатися до мегаморфного пошуку (найповільніший шлях).

Дерева переходів

Як згадувалося раніше, коли до об'єкта додається властивість, V8 може створити дерево переходів, що з'єднує старий прихований клас з новим. Це дозволяє V8 підтримувати певний рівень оптимізації, навіть коли об'єкти переходять до різних прихованих класів. Однак надмірні переходи все ще можуть призвести до зниження продуктивності.

Деоптимізація

Якщо V8 виявляє, що його оптимізації більше не є дійсними (наприклад, через несподівані зміни прихованих класів), він може деоптимізувати код. Деоптимізація передбачає повернення до повільнішого, більш загального шляху виконання. Деоптимізації можуть бути дорогими, тому важливо уникати ситуацій, що їх викликають.

Приклади з реального світу та аспекти інтернаціоналізації

Техніки оптимізації, обговорені тут, є універсально застосовними, незалежно від конкретного застосунку чи географічного розташування користувачів. Однак певні шаблони кодування можуть бути більш поширеними в певних регіонах чи галузях. Наприклад:

• Застосунки, що інтенсивно працюють з даними (наприклад, фінансове моделювання, наукові симуляції): Ці застосунки часто виграють від використання типізованих масивів та ретельного управління пам'яттю. Код, написаний командами в Індії, США та Європі, що працюють над такими застосунками, має бути оптимізований для обробки величезних обсягів даних.
• Веб-застосунки з динамічним контентом (наприклад, сайти електронної комерції, соціальні мережі): Ці застосунки часто включають часте створення та маніпулювання об'єктами. Оптимізація шаблонів доступу до властивостей може значно покращити швидкість реакції цих застосунків, приносячи користь користувачам по всьому світу. Уявіть собі оптимізацію часу завантаження для сайту електронної комерції в Японії, щоб зменшити кількість відмов.
• Мобільні застосунки: Мобільні пристрої мають обмежені ресурси, тому оптимізація JavaScript-коду є ще більш важливою. Техніки, такі як уникнення непотрібного створення об'єктів та використання типізованих масивів, можуть допомогти зменшити споживання батареї та покращити продуктивність. Наприклад, картографічний застосунок, який активно використовується в країнах Африки на південь від Сахари, має бути продуктивним на слабких пристроях з повільним мережевим з'єднанням.

Крім того, при розробці застосунків для глобальної аудиторії важливо враховувати найкращі практики інтернаціоналізації (i18n) та локалізації (l10n). Хоча це окремі питання від оптимізації V8, вони можуть опосередковано впливати на продуктивність. Наприклад, складні операції з рядками або форматування дат можуть бути інтенсивними з точки зору продуктивності. Тому використання оптимізованих бібліотек i18n та уникнення непотрібних операцій може додатково покращити загальну продуктивність вашого застосунку.

Висновок

Розуміння того, як V8 оптимізує шаблони доступу до властивостей, є важливим для написання високопродуктивного JavaScript-коду. Дотримуючись найкращих практик, викладених у цій статті, таких як ініціалізація властивостей об'єкта в конструкторі, додавання властивостей в однаковому порядку та уникнення динамічного видалення властивостей, ви можете допомогти V8 оптимізувати ваш код та покращити загальну продуктивність ваших застосунків. Не забувайте профілювати свій код, щоб виявляти вузькі місця та застосовувати ці техніки стратегічно. Переваги у продуктивності можуть бути значними, особливо в критично важливих до продуктивності застосунках. Пишучи ефективний JavaScript, ви забезпечите кращий користувацький досвід для вашої глобальної аудиторії.

Оскільки V8 продовжує розвиватися, важливо бути в курсі останніх технік оптимізації. Регулярно звертайтеся до блогу V8 та інших ресурсів, щоб підтримувати свої навички актуальними та гарантувати, що ваш код повною мірою використовує можливості рушія.

Застосовуючи ці принципи, розробники по всьому світу можуть сприяти створенню швидших, ефективніших та більш чуйних веб-досвідів для всіх.