WebAssembly GC: Yuqori samarali veb-ilovalar uchun yangi ufq

WebAssembly (Wasm) ulkan va'da bilan paydo bo'ldi: vebga deyarli tabiiy ishlash samaradorligini olib kelish, ko'plab dasturlash tillari uchun universal kompilyatsiya maqsadini yaratish. C++, C va Rust kabi tizimli tillar bilan ishlaydigan dasturchilar uchun bu va'da nisbatan tez amalga oshirildi. Bu tillar xotirani nozik nazorat qilish imkonini beradi, bu esa Wasmning sodda va kuchli chiziqli xotira modeliga toza mos keladi. Biroq, global dasturchilar hamjamiyatining katta qismi uchun — Java, C#, Kotlin, Go va Dart kabi yuqori darajali, boshqariladigan tillardan foydalanadiganlar uchun — WebAssemblyga yo'l qiyinchiliklarga to'la bo'ldi.

Asosiy muammo har doim xotirani boshqarish bo'lgan. Bu tillar endi ishlatilmayotgan xotirani avtomatik ravishda qaytarib olish uchun chiqindilarni yig'uvchiga (GC) tayanadi, bu esa dasturchilarni qo'lda ajratish va bo'shatish murakkabliklaridan ozod qiladi. Ushbu modelni Wasmning izolyatsiyalangan chiziqli xotirasi bilan integratsiyalash tarixan noqulay vaqtinchalik yechimlarni talab qildi, bu esa shishirilgan binar fayllarga, ishlash samaradorligidagi to'siqlarga va murakkab 'yopishtiruvchi kodga' olib keldi.

Mana, WebAssembly GC (WasmGC) sahnaga chiqadi. Ushbu transformatsion takliflar to'plami shunchaki bosqichma-bosqich yangilanish emas; bu boshqariladigan tillarning vebda ishlash usulini tubdan qayta belgilaydigan paradigma o'zgarishidir. WasmGC to'g'ridan-to'g'ri Wasm standartiga birinchi darajali, yuqori samarali chiqindilarni yig'ish tizimini kiritadi, bu esa boshqariladigan tillar va veb-platforma o'rtasida uzluksiz, samarali va to'g'ridan-to'g'ri integratsiyani ta'minlaydi. Ushbu keng qamrovli qo'llanmada biz WasmGC nima ekanligini, u qanday muammolarni hal qilishini, qanday ishlashini va nima uchun u yangi sinfdagi kuchli, murakkab veb-ilovalar uchun kelajakni ifodalashini o'rganamiz.

Klassik WebAssemblydagi Xotira Muammosi

WasmGCning ahamiyatini to'liq anglash uchun, avvalo u hal qiladigan cheklovlarni tushunishimiz kerak. Dastlabki WebAssembly MVP (Minimum Viable Product) spetsifikatsiyasi ajoyib darajada sodda xotira modeliga ega edi: chiziqli xotira deb ataladigan katta, yaxlit va izolyatsiyalangan xotira bloki.

Buni Wasm moduli o'zi xohlagancha o'qishi va yozishi mumkin bo'lgan ulkan baytlar massivi deb tasavvur qiling. JavaScript xosti ham bu xotiraga kira oladi, lekin faqat uning qismlarini o'qish va yozish orqali. Ushbu model nihoyatda tez va xavfsiz, chunki Wasm moduli o'z xotira maydoni ichida cheklangan. Bu xotirani ko'rsatkichlar (Wasmda ushbu chiziqli xotira massiviga butun sonli siljishlar sifatida ifodalangan) orqali boshqarish kontseptsiyasi atrofida ishlab chiqilgan C++ va Rust kabi tillar uchun mukammal mos keladi.

'Yopishtiruvchi kod' solig'i

Muammo JavaScript va Wasm o'rtasida murakkab ma'lumotlar tuzilmalarini uzatmoqchi bo'lganingizda paydo bo'ladi. Wasmning chiziqli xotirasi faqat sonlarni (butun va suzuvchi nuqtali) tushunganligi sababli, siz shunchaki JavaScript obyektini Wasm funksiyasiga uzata olmaysiz. Buning o'rniga, siz qimmatga tushadigan tarjima jarayonini amalga oshirishingiz kerak edi:

• Serializatsiya: JavaScript obyekti Wasm tushuna oladigan formatga, odatda JSON kabi baytlar oqimiga yoki Protocol Buffers kabi binar formatga o'tkaziladi.
• Xotiraga nusxalash: Keyin bu serializatsiya qilingan ma'lumotlar Wasm modulining chiziqli xotirasiga nusxalanadi.
• Wasm tomonidan qayta ishlash: Wasm moduli chiziqli xotiradagi ma'lumotlar joylashuviga ko'rsatkich (butun sonli siljish) oladi, uni o'zining ichki ma'lumotlar tuzilmalariga qayta deserializatsiya qiladi va keyin uni qayta ishlaydi.
• Teskari jarayon: Murakkab natijani qaytarish uchun butun jarayon teskari tartibda bajarilishi kerak edi.

Bu butun jarayon ko'pincha Rust uchun `wasm-bindgen` yoki C++ uchun Emscripten kabi vositalar tomonidan avtomatik yaratilgan 'yopishtiruvchi kod' tomonidan boshqarilgan. Garchi bu vositalar muhandislik mo''jizalari bo'lsa-da, ular doimiy serializatsiya, deserializatsiya va xotiraga nusxalashning o'ziga xos qo'shimcha yukini bartaraf eta olmaydi. Ko'pincha 'JS/Wasm chegara xarajati' deb ataladigan bu qo'shimcha yuk, tez-tez xost bilan o'zaro aloqada bo'ladigan ilovalar uchun Wasm-dan foydalanishning ko'plab samaradorlik afzalliklarini yo'qqa chiqarishi mumkin edi.

Mustaqil GCning yuki

Boshqariladigan tillar uchun muammo yanada chuqurroq edi. Chiqindilarni yig'uvchisi bo'lmagan muhitda bunday yig'uvchini talab qiladigan tilni qanday ishga tushirish mumkin? Asosiy yechim tilning butun ish vaqti, shu jumladan o'zining chiqindilarni yig'uvchisini Wasm modulining o'ziga kompilyatsiya qilish edi. Keyin GC o'zining uyumini (heap) boshqarardi, bu esa Wasmning chiziqli xotirasi ichida ajratilgan katta maydon edi.

Bu yondashuv bir nechta katta kamchiliklarga ega edi:

• Katta hajmdagi binar fayllar: To'liq GC va tilning ish vaqtini birga jo'natish yakuniy `.wasm` fayliga bir necha megabayt qo'shishi mumkin. Dastlabki yuklanish vaqti muhim bo'lgan veb-ilovalar uchun bu ko'pincha qabul qilinishi mumkin emas.
• Samaradorlik muammolari: Birlashtirilgan GC xost muhitining (ya'ni, brauzerning) GCsi haqida hech qanday ma'lumotga ega emas. Ikki tizim mustaqil ishlaydi, bu esa samarasizlikka olib kelishi mumkin. Brauzerning JavaScript GCsi o'n yillar davomida takomillashtirilgan, yuqori darajada optimallashtirilgan, avlodli va parallel ishlaydigan texnologiyadir. Wasmga kompilyatsiya qilingan maxsus GC bunday murakkablik darajasi bilan raqobatlasha olmaydi.
• Xotira sizib chiqishi: Bu murakkab xotira boshqaruvi holatini yaratadi, bunda brauzerning GCsi JavaScript obyektlarini, Wasm modulining GCsi esa o'zining ichki obyektlarini boshqaradi. Ikkalasini xotira sizib chiqmasdan bog'lash juda qiyin.

WebAssembly GC sahnaga chiqadi: Paradigma o'zgarishi

WebAssembly GC bu muammolarni to'g'ridan-to'g'ri hal qiladi va Wasm yadrosini xotirani boshqarish uchun yangi imkoniyatlar bilan kengaytiradi. WasmGC Wasm modullarini hamma narsani chiziqli xotira ichida boshqarishga majburlash o'rniga, ularga xostning chiqindilarni yig'ish ekotizimida bevosita ishtirok etish imkonini beradi.

Ushbu taklif ikkita asosiy tushunchani kiritadi: Malumot turlari va Boshqariladigan ma'lumotlar tuzilmalari (Strukturalar va Massivlar).

Malumot turlari: Xost bilan ko'prik

Malumot turlari Wasm moduliga xost tomonidan boshqariladigan obyektga to'g'ridan-to'g'ri, shaffof bo'lmagan havola saqlash imkonini beradi. Bularning eng muhimi `externref` (tashqi havola) hisoblanadi. `externref` aslida JavaScript obyektiga (yoki DOM tuguni, Web API kabi boshqa har qanday xost obyektiga) xavfsiz 'tutqich'dir.

`externref` yordamida siz JavaScript obyektini Wasm funksiyasiga havola orqali uzatishingiz mumkin. Wasm moduli obyektning ichki tuzilishini bilmaydi, lekin u havolani ushlab turishi, saqlashi va uni JavaScriptga yoki boshqa xost API'lariga qaytarib berishi mumkin. Bu ko'plab o'zaro ishlash stsenariylari uchun serializatsiya zaruratini butunlay yo'q qiladi. Bu mashinaning batafsil chizmasini pochta orqali yuborish (serializatsiya) va shunchaki mashina kalitlarini topshirish (havola) o'rtasidagi farqqa o'xshaydi.

Strukturalar va Massivlar: Yagona uyumdagi boshqariladigan ma'lumotlar

`externref` xost bilan o'zaro ishlash uchun inqilobiy bo'lsa-da, WasmGCning ikkinchi qismi tilni amalga oshirish uchun yanada kuchliroqdir. WasmGC to'g'ridan-to'g'ri WebAssemblyda yangi, yuqori darajali tur konstruksiyalarini belgilaydi: `struct` (nomlangan maydonlar to'plami) va `array` (elementlar ketma-ketligi).

Eng muhimi, bu strukturalar va massivlarning nusxalari Wasm modulining chiziqli xotirasida ajratilmaydi. Buning o'rniga, ular xost muhiti (brauzerning V8, SpiderMonkey yoki JavaScriptCore dvigateli) tomonidan boshqariladigan umumiy, chiqindilarni yig'ishga asoslangan uyumda ajratiladi.

Bu WasmGCning markaziy innovatsiyasidir. Endi Wasm moduli xost GCsi tabiiy ravishda tushunadigan murakkab, tuzilgan ma'lumotlarni yaratishi mumkin. Natijada JavaScript obyektlari va Wasm obyektlari birgalikda mavjud bo'lib, bir-biriga muammosiz havola qila oladigan yagona uyum paydo bo'ladi.

WebAssembly GC qanday ishlaydi: Chuqurroq tahlil

Keling, ushbu yangi modelning mexanikasini tahlil qilaylik. Kotlin yoki Dart kabi til WasmGCga kompilyatsiya qilinganda, u xotirani boshqarish uchun yangi Wasm ko'rsatmalari to'plamini nishonga oladi.

• Ajratish: Chiziqli xotira blokini zaxiralash uchun `malloc`ni chaqirish o'rniga, kompilyator `struct.new` yoki `array.new` kabi ko'rsatmalarni chiqaradi. Wasm dvigateli bu ko'rsatmalarni ushlab oladi va GC uyumida ajratishni amalga oshiradi.
• Maydonga kirish: Bu boshqariladigan obyektlarning maydonlariga kirish uchun `struct.get` va `struct.set` kabi ko'rsatmalar ishlatiladi. Dvigatel xotiraga kirishni xavfsiz va samarali boshqaradi.
• Chiqindilarni yig'ish: Wasm moduliga o'zining GCsi kerak emas. Xost GCsi ishlaganda, u obyekt havolalarining butun grafigini ko'ra oladi, ular JavaScriptdan yoki Wasmdan kelib chiqqanidan qat'i nazar. Agar Wasm tomonidan ajratilgan obyektga endi Wasm moduli yoki JavaScript xosti tomonidan havola qilinmasa, xost GCsi uning xotirasini avtomatik ravishda qaytarib oladi.

Ikki uyum haqidagi ertak birga aylanadi

Eski model qat'iy ajratishni talab qilardi: JS uyumi va Wasm chiziqli xotira uyumi. WasmGC bilan bu devor buzib tashlanadi. JavaScript obyekti Wasm strukturasiga havola saqlashi mumkin va bu Wasm strukturasi boshqa JavaScript obyektiga havola saqlashi mumkin. Xostning chiqindilarni yig'uvchisi bu butun grafikni kezib chiqishi mumkin, bu esa butun ilova uchun samarali, yagona xotira boshqaruvini ta'minlaydi.

Aynan shu chuqur integratsiya tillarga o'zlarining maxsus ish vaqti va GC'laridan voz kechishga imkon beradi. Endi ular har bir zamonaviy veb-brauzerda mavjud bo'lgan kuchli, yuqori darajada optimallashtirilgan GCga tayanishlari mumkin.

WasmGCning global dasturchilar uchun sezilarli afzalliklari

WasmGCning nazariy afzalliklari butun dunyodagi dasturchilar va yakuniy foydalanuvchilar uchun aniq, o'yinni o'zgartiruvchi foydalarga aylanadi.

1. Binar fayllar hajmining keskin kamayishi

Bu eng darhol ko'zga tashlanadigan afzallikdir. Tilning xotira boshqaruvi ish vaqti va GC'sini birlashtirish zaruratini yo'qotish orqali Wasm modullari sezilarli darajada kichrayadi. Google va JetBrains jamoalarining dastlabki tajribalari hayratlanarli natijalarni ko'rsatdi:

• Oddiy Kotlin/Wasm 'Salom, Dunyo' ilovasi, avval o'zining ish vaqtini birlashtirganda bir necha megabayt (MB) og'irlikda bo'lgan bo'lsa, WasmGC bilan bir necha yuz kilobaytga (KB) qisqaradi.
• Flutter (Dart) veb-ilovasi WasmGC-ga asoslangan kompilyatorga o'tganda kompilyatsiya qilingan kod hajmining 30% dan ortiq kamayganini ko'rdi.

Internet tezligi keskin farq qilishi mumkin bo'lgan global auditoriya uchun kichikroq yuklab olish hajmlari ilovaning tezroq yuklanishini, ma'lumotlar uchun kamroq xarajatlarni va ancha yaxshi foydalanuvchi tajribasini anglatadi.

2. Katta darajada yaxshilangan samaradorlik

Samaradorlikning o'sishi bir necha manbalardan kelib chiqadi:

• Tezroq ishga tushish: Kichikroq binar fayllar nafaqat tezroq yuklab olinadi, balki brauzer dvigateli tomonidan tahlil qilish, kompilyatsiya qilish va ishga tushirish uchun ham tezroqdir.
• Nol xarajatli o'zaro ishlash: JS/Wasm chegarasidagi qimmat serializatsiya va xotiraga nusxalash bosqichlari asosan yo'q qilinadi. Ikki muhit o'rtasida obyektlarni uzatish ko'rsatkichni uzatish kabi arzon bo'ladi. Bu brauzer API'lari yoki JS kutubxonalari bilan tez-tez aloqada bo'ladigan ilovalar uchun katta yutuqdir.
• Samarali, yetuk GC: Brauzer GC dvigatellari muhandislik durdonalaridir. Ular avlodli, bosqichma-bosqich va ko'pincha parallel ishlaydi, ya'ni ular o'z ishlarini ilovaning asosiy oqimiga minimal ta'sir bilan bajarishi mumkin, bu esa to'xtab qolish va 'jank'ning oldini oladi. WasmGC ilovalari bu jahon darajasidagi texnologiyadan bepul foydalanish imkoniyatiga ega bo'ladi.

3. Sodda va kuchliroq dasturchi tajribasi

WasmGC boshqariladigan tillardan vebni nishonga olishni tabiiy va ergonomik his qildiradi.

• Kamroq 'yopishtiruvchi kod': Dasturchilar Wasm chegarasi bo'ylab ma'lumotlarni oldinga va orqaga o'tkazish uchun zarur bo'lgan murakkab o'zaro ishlash kodini yozish va tuzatishga kamroq vaqt sarflaydilar.
• DOM bilan to'g'ridan-to'g'ri manipulyatsiya: `externref` yordamida Wasm moduli endi DOM elementlariga to'g'ridan-to'g'ri havolalarni saqlashi mumkin. Bu C# yoki Kotlin kabi tillarda yozilgan yuqori samarali UI freymvorklari uchun DOMni mahalliy JavaScript freymvorklari kabi samarali manipulyatsiya qilish imkoniyatini ochadi.
• Kod ko'chirish osonroq: Java, C# yoki Go-da yozilgan mavjud desktop yoki server tomonidagi kod bazalarini olib, ularni veb uchun qayta kompilyatsiya qilish ancha osonlashadi, chunki asosiy xotira boshqaruvi modeli bir xil bo'lib qoladi.

Amaliy oqibatlar va kelajakdagi yo'l

WasmGC endi uzoq orzu emas; bu haqiqat. 2023 yil oxiriga kelib, u Google Chrome (V8 dvigateli) va Mozilla Firefox (SpiderMonkey) da standart sifatida yoqilgan. Apple'ning Safari (JavaScriptCore) brauzerida amalga oshirish jarayoni davom etmoqda. Yirik brauzer ishlab chiqaruvchilarining bu keng qo'llab-quvvatlashi WasmGC kelajak ekanligidan dalolat beradi.

Til va freymvorklar tomonidan qabul qilinishi

Ekotizim bu yangi imkoniyatni tezda o'zlashtirmoqda:

• Kotlin/Wasm: JetBrains asosiy tarafdor bo'lib kelmoqda va Kotlin WasmGC nishoni uchun yetuk, ishlab chiqarishga tayyor qo'llab-quvvatlashga ega bo'lgan birinchi tillardan biridir.
• Dart & Flutter: Google'dagi Flutter jamoasi yuqori samarali Flutter ilovalarini vebga olib kelish uchun WasmGCdan faol foydalanmoqda va o'zlarining avvalgi JavaScriptga asoslangan kompilyatsiya strategiyasidan voz kechmoqda.
• Java & TeaVM: Java baytkodi uchun oldindan kompilyator bo'lgan TeaVM loyihasi WasmGC nishonini qo'llab-quvvatlaydi, bu esa Java ilovalarining brauzerda samarali ishlashiga imkon beradi.
• C# & Blazor: Blazor an'anaviy ravishda Wasmga kompilyatsiya qilingan .NET ish vaqtini (o'zining birlashtirilgan GCsi bilan) ishlatgan bo'lsa-da, jamoa WasmGCni samaradorlikni keskin oshirish va yuklama hajmini kamaytirish usuli sifatida faol o'rganmoqda.
• Go: Rasmiy Go kompilyatori WasmGC-ga asoslangan nishonni qo'shmoqda (`-target=wasip1/wasm-gc`).

C++ va Rust dasturchilari uchun muhim eslatma: WasmGC qo'shimcha xususiyatdir. U chiziqli xotirani almashtirmaydi yoki eskirgan deb hisoblamaydi. O'z xotirasini boshqaradigan tillar chiziqli xotiradan avvalgidek foydalanishi mumkin va shunday qilishda davom etadi. WasmGC shunchaki undan foyda ko'rishi mumkin bo'lgan tillar uchun yangi, ixtiyoriy vositani taqdim etadi. Hatto ikkala model bir ilova ichida birgalikda mavjud bo'lishi mumkin.

Kontseptual misol: WasmGCdan oldin va keyin

Farqni aniqroq ko'rsatish uchun, keling, foydalanuvchi ma'lumotlari obyektini JavaScriptdan Wasmga uzatishning kontseptual ish jarayonini ko'rib chiqaylik.

WasmGCdan oldin (masalan, wasm-bindgen bilan Rust)

JavaScript tomoni:

            
const user = { id: 101, name: "Alice", isActive: true };
// 1. Obyektni serializatsiya qilish
const userJson = JSON.stringify(user);

// 2. UTF-8 ga kodlash va Wasm xotirasiga yozish
const wasmMemoryBuffer = new Uint8Array(wasmModule.instance.exports.memory.buffer);
const pointer = wasmModule.instance.exports.allocate_memory(userJson.length + 1);
// ... stringni 'pointer'dagi wasmMemoryBufferga yozish kodi ...

// 3. Wasm funksiyasini ko'rsatkich va uzunlik bilan chaqirish
const resultPointer = wasmModule.instance.exports.process_user(pointer, userJson.length);
// ... natija stringini Wasm xotirasidan o'qish kodi ...

            

              
                Copy
              
            
          

Bu bir nechta qadamlar, ma'lumotlarni o'zgartirish va har ikki tomonda ehtiyotkorlik bilan xotirani boshqarishni o'z ichiga oladi.

WasmGCdan keyin (masalan, Kotlin/Wasm)

JavaScript tomoni:

            
const user = { id: 101, name: "Alice", isActive: true };

// 1. Shunchaki eksport qilingan Wasm funksiyasini chaqirish va obyektni uzatish
const result = wasmModule.instance.exports.process_user(user);

console.log(`Qayta ishlangan nom qabul qilindi: ${result.name}`);

            

              
                Copy
              
            
          

Farq juda katta. O'zaro ishlash chegarasining murakkabligi yo'qoladi. Dasturchi ham JavaScriptda, ham Wasmga kompilyatsiya qilingan tilda obyektlar bilan tabiiy ravishda ishlashi mumkin, va Wasm dvigateli aloqani samarali va shaffof tarzda boshqaradi.

Komponent modeliga bog'liqlik

WasmGC shuningdek, WebAssembly uchun kengroq qarash — Komponent modeli sari muhim qadamdir. Komponent modeli har qanday tilda yozilgan dasturiy ta'minot komponentlari bir-biri bilan oddiy sonlar emas, balki boy, yuqori darajali interfeyslar yordamida muammosiz muloqot qila oladigan kelajakni yaratishni maqsad qiladi. Bunga erishish uchun komponentlar o'rtasida satrlar, ro'yxatlar va yozuvlar kabi murakkab ma'lumotlar turlarini tavsiflash va uzatishning standartlashtirilgan usuli kerak. WasmGC bu yuqori darajali turlarni qayta ishlashni samarali va mumkin qilish uchun fundamental xotira boshqaruvi texnologiyasini ta'minlaydi.

Xulosa: Kelajak boshqariladigan va tez

WebAssembly GC shunchaki texnik xususiyat emas; u bir qulfni ochishdir. U boshqariladigan tillarning ulkan ekotizimi va ularning dasturchilarini WebAssembly inqilobida to'liq ishtirok etishiga to'sqinlik qilgan asosiy to'siqni yo'q qiladi. Yuqori darajali tillarni brauzerning tabiiy, yuqori darajada optimallashtirilgan chiqindilarni yig'uvchisi bilan integratsiyalash orqali, WasmGC kuchli yangi va'dani amalga oshiradi: endi vebda yuqori darajadagi unumdorlik va yuqori samaradorlik o'rtasida tanlov qilishingiz shart emas.

Buning ta'siri chuqur bo'ladi. Biz ijodiy vositalar va ma'lumotlar vizualizatsiyasidan tortib, to'liq korporativ dasturiy ta'minotgacha — avval brauzer uchun amaliy bo'lmagan tillar va freymvorklar bilan yaratilgan yangi to'lqindagi murakkab, ma'lumotlarga boy va samarali veb-ilovalarni ko'ramiz. Bu veb samaradorligini demokratlashtiradi, butun dunyodagi dasturchilarga Java, C# va Kotlin kabi tillardagi mavjud ko'nikmalaridan foydalanib, keyingi avlod veb-tajribalarini yaratish imkoniyatini beradi.

Boshqariladigan tilning qulayligi va Wasmning samaradorligi o'rtasida tanlash davri tugadi. WasmGC tufayli, veb-ishlab chiqish kelajagi ham boshqariladigan, ham nihoyatda tezdir.