Віртуальні машини: демістифікація внутрішньої роботи рушіїв JavaScript

JavaScript, повсюдна мова, що лежить в основі Інтернету, покладається на складні рушії для ефективного виконання коду. В основі цих рушіїв лежить концепція віртуальної машини (ВМ). Розуміння того, як функціонують ці ВМ, може надати цінні відомості про характеристики продуктивності JavaScript і дозволити розробникам писати більш оптимізований код. Цей посібник пропонує глибоке занурення в архітектуру та роботу ВМ JavaScript.

Що таке віртуальна машина?

По суті, віртуальна машина — це абстрактна комп'ютерна архітектура, реалізована програмно. Вона створює середовище, яке дозволяє програмам, написаним певною мовою (наприклад, JavaScript), виконуватися незалежно від базового апаратного забезпечення. Така ізоляція забезпечує портативність, безпеку та ефективне керування ресурсами.

Уявіть це так: ви можете запустити операційну систему Windows у macOS за допомогою ВМ. Аналогічно, ВМ рушія JavaScript дозволяє виконувати код JavaScript на будь-якій платформі, де встановлено цей рушій (браузери, Node.js тощо).

Конвеєр виконання JavaScript: від вихідного коду до виконання

Шлях коду JavaScript від його початкового стану до виконання у ВМ включає кілька важливих етапів:

Парсинг: Рушій спочатку аналізує (парсить) код JavaScript, розбиваючи його на структуроване представлення, відоме як абстрактне синтаксичне дерево (AST). Це дерево відображає синтаксичну структуру коду.
Компіляція/Інтерпретація: Потім AST обробляється. Сучасні рушії JavaScript використовують гібридний підхід, застосовуючи як методи інтерпретації, так і компіляції.
Виконання: Скомпільований або інтерпретований код виконується всередині ВМ.
Оптимізація: Під час роботи коду рушій постійно відстежує продуктивність і застосовує оптимізації для підвищення швидкості виконання.

Інтерпретація проти компіляції

Історично рушії JavaScript переважно покладалися на інтерпретацію. Інтерпретатори обробляють код рядок за рядком, послідовно перекладаючи та виконуючи кожну інструкцію. Цей підхід забезпечує швидкий запуск, але може призвести до меншої швидкості виконання порівняно з компіляцією. Компіляція, з іншого боку, передбачає перетворення всього вихідного коду на машинний код (або проміжне представлення) перед виконанням. Це призводить до швидшого виконання, але вимагає більших витрат на запуск.

Сучасні рушії використовують стратегію Just-In-Time (JIT) компіляції, яка поєднує переваги обох підходів. JIT-компілятори аналізують код під час виконання та компілюють часто виконувані ділянки (гарячі точки) в оптимізований машинний код, що значно підвищує продуктивність. Розглянемо цикл, який виконується тисячі разів – JIT-компілятор може оптимізувати цей цикл після кількох його виконань.

Ключові компоненти віртуальної машини JavaScript

ВМ JavaScript зазвичай складаються з наступних основних компонентів:

Парсер: Відповідає за перетворення вихідного коду JavaScript на AST.
Інтерпретатор: Виконує AST безпосередньо або перетворює його на байт-код.
Компілятор (JIT): Компілює часто виконуваний код в оптимізований машинний код.
Оптимізатор: Виконує різноманітні оптимізації для покращення продуктивності коду (наприклад, вбудовування функцій, усунення мертвого коду).
Збирач сміття: Автоматично керує пам'яттю, звільняючи об'єкти, які більше не використовуються.
Система виконання (Runtime): Надає основні сервіси для середовища виконання, такі як доступ до DOM (у браузерах) або файлової системи (у Node.js).

Популярні рушії JavaScript та їхні архітектури

Кілька популярних рушіїв JavaScript живлять браузери та інші середовища виконання. Кожен рушій має свою унікальну архітектуру та техніки оптимізації.

V8 (Chrome, Node.js)

V8, розроблений Google, є одним із найпоширеніших рушіїв JavaScript. Він використовує повний JIT-компілятор, спочатку компілюючи код JavaScript у машинний код. V8 також використовує такі техніки, як вбудоване кешування та приховані класи для оптимізації доступу до властивостей об'єктів. V8 використовує два компілятори: Full-codegen (оригінальний компілятор, що створює відносно повільний, але надійний код) та Crankshaft (оптимізуючий компілятор, що генерує високооптимізований код). Нещодавно V8 представив TurboFan, ще більш просунутий оптимізуючий компілятор.

Архітектура V8 високо оптимізована для швидкості та ефективного використання пам'яті. Він використовує передові алгоритми збору сміття для мінімізації витоків пам'яті та підвищення продуктивності. Продуктивність V8 має вирішальне значення як для швидкодії браузера, так і для серверних додатків на Node.js. Наприклад, складні веб-додатки, такі як Google Docs, значною мірою покладаються на швидкість V8 для забезпечення чутливого користувацького досвіду. У контексті Node.js ефективність V8 дозволяє обробляти тисячі одночасних запитів на масштабованих веб-серверах.

SpiderMonkey (Firefox)

SpiderMonkey, розроблений Mozilla, є рушієм, що працює у Firefox. Це гібридний рушій, що має як інтерпретатор, так і кілька JIT-компіляторів. SpiderMonkey має довгу історію і зазнав значних змін протягом багатьох років. Історично SpiderMonkey використовував інтерпретатор, а потім IonMonkey (JIT-компілятор). Наразі SpiderMonkey використовує більш сучасну архітектуру з кількома рівнями JIT-компіляції.

SpiderMonkey відомий своєю орієнтацією на відповідність стандартам і безпеку. Він містить надійні функції безпеки для захисту користувачів від шкідливого коду. Його архітектура надає пріоритет збереженню сумісності з існуючими веб-стандартами, одночасно впроваджуючи сучасні оптимізації продуктивності. Mozilla постійно інвестує в SpiderMonkey для підвищення його продуктивності та безпеки, забезпечуючи Firefox статус конкурентоспроможного браузера. Європейський банк, що використовує Firefox у внутрішній мережі, може оцінити функції безпеки SpiderMonkey для захисту конфіденційних фінансових даних.

JavaScriptCore (Safari)

JavaScriptCore, також відомий як Nitro, є рушієм, що використовується в Safari та інших продуктах Apple. Це ще один рушій з JIT-компілятором. JavaScriptCore використовує LLVM (Low Level Virtual Machine) як свій бекенд для генерації машинного коду, що дозволяє досягти чудової оптимізації. Історично JavaScriptCore використовував SquirrelFish Extreme, ранню версію JIT-компілятора.

JavaScriptCore тісно пов'язаний з екосистемою Apple і значно оптимізований для апаратного забезпечення Apple. Він робить акцент на енергоефективності, що є критично важливим для мобільних пристроїв, таких як iPhone та iPad. Apple постійно вдосконалює JavaScriptCore, щоб забезпечити плавний та чутливий користувацький досвід на своїх пристроях. Оптимізації JavaScriptCore особливо важливі для завдань, що вимагають значних ресурсів, таких як рендеринг складної графіки або обробка великих наборів даних. Уявіть гру, що плавно працює на iPad; це частково завдяки ефективній продуктивності JavaScriptCore. Компанія, що розробляє додатки доповненої реальності для iOS, виграє від оптимізацій JavaScriptCore, орієнтованих на апаратне забезпечення.

Байт-код та проміжне представлення

Багато рушіїв JavaScript не перетворюють AST безпосередньо в машинний код. Замість цього вони генерують проміжне представлення, яке називається байт-код. Байт-код — це низькорівневе, незалежне від платформи представлення коду, яке легше оптимізувати та виконувати, ніж оригінальний вихідний код JavaScript. Інтерпретатор або JIT-компілятор потім виконує цей байт-код.

Використання байт-коду забезпечує більшу портативність, оскільки той самий байт-код може виконуватися на різних платформах без необхідності перекомпіляції. Це також спрощує процес JIT-компіляції, оскільки JIT-компілятор може працювати з більш структурованим та оптимізованим представленням коду.

Контексти виконання та стек викликів

Код JavaScript виконується в межах контексту виконання, який містить всю необхідну інформацію для роботи коду, включаючи змінні, функції та ланцюжок областей видимості. Коли функція викликається, створюється новий контекст виконання, який додається на вершину стека викликів. Стек викликів підтримує порядок викликів функцій і гарантує, що функції повертаються до правильного місця після завершення їх виконання.

Розуміння стека викликів є вирішальним для налагодження коду JavaScript. Коли виникає помилка, стек викликів надає трасування викликів функцій, які призвели до помилки, допомагаючи розробникам визначити джерело проблеми.

Збирання сміття

JavaScript використовує автоматичне керування пам'яттю за допомогою збирача сміття (GC). GC автоматично звільняє пам'ять, зайняту об'єктами, які більше не доступні або не використовуються. Це запобігає витокам пам'яті та спрощує керування пам'яттю для розробників. Сучасні рушії JavaScript використовують складні алгоритми GC, щоб мінімізувати паузи та підвищити продуктивність. Різні рушії використовують різні алгоритми GC, такі як mark-and-sweep (познач та очисти) або збирання сміття за поколіннями. Наприклад, збирання сміття за поколіннями класифікує об'єкти за віком, збираючи молоді об'єкти частіше, ніж старі, що, як правило, є більш ефективним.

Хоча збирач сміття автоматизує керування пам'яттю, все одно важливо уважно ставитися до використання пам'яті в коді JavaScript. Створення великої кількості об'єктів або утримання об'єктів довше, ніж це необхідно, може навантажити GC і вплинути на продуктивність.

Техніки оптимізації для продуктивності JavaScript

Розуміння того, як працюють рушії JavaScript, може допомогти розробникам писати більш оптимізований код. Ось кілька ключових технік оптимізації:

Уникайте глобальних змінних: Глобальні змінні можуть сповільнювати пошук властивостей.
Використовуйте локальні змінні: Доступ до локальних змінних швидший, ніж до глобальних.
Мінімізуйте маніпуляції з DOM: Операції з DOM є ресурсовитратними. Групуйте оновлення, коли це можливо.
Оптимізуйте цикли: Використовуйте ефективні структури циклів і мінімізуйте обчислення всередині них.
Використовуйте мемоізацію: Кешуйте результати ресурсовитратних викликів функцій, щоб уникнути зайвих обчислень.
Профілюйте свій код: Використовуйте інструменти профілювання для виявлення вузьких місць у продуктивності.

Наприклад, розглянемо сценарій, коли вам потрібно оновити кілька елементів на веб-сторінці. Замість того, щоб оновлювати кожен елемент окремо, згрупуйте оновлення в одну операцію з DOM, щоб мінімізувати накладні витрати. Аналогічно, при виконанні складних обчислень у циклі, спробуйте попередньо обчислити будь-які значення, які залишаються постійними протягом усього циклу, щоб уникнути зайвих обчислень.

Інструменти для аналізу продуктивності JavaScript

Існує кілька інструментів, які допомагають розробникам аналізувати продуктивність JavaScript та виявляти вузькі місця:

Інструменти розробника в браузері: Більшість браузерів мають вбудовані інструменти розробника, які надають можливості профілювання, дозволяючи вимірювати час виконання різних частин вашого коду.
Lighthouse: Інструмент від Google, який проводить аудит веб-сторінок на предмет продуктивності, доступності та інших найкращих практик.
Профілювальник Node.js: Node.js надає вбудований профілювальник, який можна використовувати для аналізу продуктивності серверного коду JavaScript.

Майбутні тенденції в розробці рушіїв JavaScript

Розробка рушіїв JavaScript — це безперервний процес, з постійними зусиллями щодо покращення продуктивності, безпеки та відповідності стандартам. Деякі ключові тенденції включають:

WebAssembly (Wasm): Бінарний формат інструкцій для виконання коду в Інтернеті. Wasm дозволяє розробникам писати код іншими мовами (наприклад, C++, Rust) і компілювати його у Wasm, який потім можна виконувати в браузері з продуктивністю, близькою до нативної.
Багаторівнева компіляція: Використання декількох рівнів JIT-компіляції, де кожен наступний рівень застосовує все більш агресивні оптимізації.
Вдосконалене збирання сміття: Розробка більш ефективних і менш нав'язливих алгоритмів збирання сміття.
Апаратне прискорення: Використання апаратних можливостей (наприклад, інструкцій SIMD) для прискорення виконання JavaScript.

WebAssembly, зокрема, являє собою значний зсув у веб-розробці, дозволяючи розробникам переносити високопродуктивні додатки на веб-платформу. Уявіть собі складні 3D-ігри або CAD-програми, що працюють безпосередньо в браузері, завдяки WebAssembly.

Висновок

Розуміння внутрішньої роботи рушіїв JavaScript є вирішальним для будь-якого серйозного розробника JavaScript. Осягнувши концепції віртуальних машин, JIT-компіляції, збирання сміття та технік оптимізації, розробники можуть писати більш ефективний та продуктивний код. Оскільки JavaScript продовжує розвиватися і живити все складніші додатки, глибоке розуміння його базової архітектури стане ще ціннішим. Незалежно від того, чи створюєте ви веб-додатки для глобальної аудиторії, розробляєте серверні додатки на Node.js, чи створюєте інтерактивні продукти за допомогою JavaScript, знання внутрішньої роботи рушіїв JavaScript, безсумнівно, покращить ваші навички та дозволить створювати краще програмне забезпечення.

Продовжуйте досліджувати, експериментувати та розширювати межі можливого з JavaScript!