Otimizando tudo: uma semana, 68 lançamentos e uma aceleração JSON de 547x

O último artigo do blog foi publicado com o Perry na v0.5.12. Hoje estamos na v0.5.80. Isso são 68 releases de patch em sete dias, quase inteiramente focadas numa coisa: transformar cada slow path restante num fast path.

A migração para o LLVM na v0.5.0 recuperou a paridade com o Cranelift na v0.5.12. Esse foi o fim de uma história e o início de outra. O LLVM vê tudo agora. A pergunta deixou de ser “porque é que isto está lento?” e passou a ser “porque é que isto ainda não está rápido?” — uma pergunta muito mais tratável.

Este artigo é um passeio pela semana. JSON ganhou um speedup de 547x. mimalloc tornou-se o alocador global. O acesso a propriedades ganhou um inline cache monomórfico. Buffers ganharam slots de ponteiros tipados com metadados noalias. Servidores Fastify e WebSocket deixaram de crashar após um minuto. E os benchmarks moveram-se novamente.

1. JSON: fechando uma lacuna de 547x

Na v0.5.29, o JSON.parse do Perry num array de 20 registos era 547x mais lento que o Node. Na v0.5.46 era 1,3x. Esse número é o maior delta da semana, e vale a pena percorrê-lo porque cada outra otimização neste artigo é uma variação do mesmo tema: não faça trabalho que não precisa de fazer.

O parser original alocava um Vec por propriedade, um Vec de chaves por objeto, e um thread-local protegido por RefCell para o cache de chaves. Copiava cada string. Fazia re-hash de cada nome de campo. Construiía uma shape de objeto totalmente nova para cada registo, mesmo quando todos os 20 registos tinham exatamente os mesmos campos na mesma ordem. O parser do Node lida com isto detetando o padrão e partilhando uma única shape entre todos os registos. O do Perry não.

A correção chegou em quatro passos:

1. Interning de chaves via um PARSE_KEY_CACHE thread-local (v0.5.45). O primeiro registo aloca N strings de chave; os registos 2 a 20 alocam zero. Chaves repetidas resolvem para o mesmo ponteiro, o que as torna utilizáveis como chaves de lookup no cache de shapes sem um strcmp.
2. Partilha de shapes através do cache de transições (v0.5.45). Objetos construídos por js_object_set_field_by_name percorrem o mesmo grafo de transições. Quando o schema se repete, o ponteiro keys_array é partilhado, e isso é o que um inline cache polimórfico precisa para acertar.
3. Parsing de strings zero-copy + construção incremental de objetos (v0.5.46). parse_string_bytes agora retorna ParsedStr::Borrowed(&[u8]) quando não há escapes com backslash — que é o caso comum para cada chave e para a maioria dos valores. parse_object escreve campos diretamente em vez de coletar num Vec primeiro.
4. Supressão do GC durante o parse (v0.5.60, fecha #59). Fazer parse de um array grande aloca milhares de pequenos objetos num loop apertado. Cada um estava a despoletar a verificação de threshold do GC. Definir uma flag de “parsing em progresso” adia a coleta até o parse retornar — mesmo tamanho efetivo de heap, muito menos branches de bookkeeping.

Depois o stringify. JSON.stringify em arrays homogéneos — a mesma shape, milhões de vezes — estava a fazer iteração completa de propriedades por objeto, o que para um array com shape estável é puro desperdício. Uma correção em cinco passos fechou a maior parte dessa lacuna também:

• v0.5.62: fast paths itoa / ryu para números, verificação de referência circular baseada em profundidade em vez de um HashSet.
• v0.5.63: guarda de toJSON + cache de chaves persistente + dispatch inline (os três custos por chamada que se acumulavam).
• v0.5.65: template de stringify para shape homogénea + fast path de escape ASCII. Quando cada elemento tem a mesma shape, a estrutura de chave/dois-pontos/vírgula é pré-calculada uma vez.
• v0.5.70, v0.5.72, v0.5.75: cache de shape-template por chamada, fechar a lacuna do GC residual do parse, eliminar o overhead fixo por chamada restante.
• v0.5.79: o caminho de valores pequenos. Números, booleanos e strings curtas passam por um caminho direto que não configura nenhuma da maquinaria de objetos.

O resultado cumulativo: um pipeline de JSON que estava 547x atrás do Node no início da semana está agora aproximadamente 1,3x atrás no parse e competitivo no stringify, em workloads realistas.

2. A história do alocador

O Perry aloca muito. Cada objeto literal, cada array literal, cada concatenação de string, cada closure. O alocador é quente, e durante a maior parte da v0.5 foi o alocador de sistema padrão do Rust mais uma arena thread-local para valores de curta duração.

A v0.5.67 substituiu o alocador global por mimalloc. Esta é uma mudança de uma linha no Cargo.toml que se paga imediatamente em qualquer workload que faça muitas pequenas alocações — que é cada programa TypeScript. A v0.5.66 precedeu-a consolidando todo o estado thread-local de gc_malloc num único acesso TLS por chamada, para que o caminho para o mimalloc fosse o mais barato possível.

A v0.5.68 levou isto mais longe com strings alocadas em arena. Strings de curta duração (resultados intermediários de concat, pedaços de split(), scratch do parser) saltam o alocador global inteiramente e aterram numa bump arena por thread que reseta em fronteiras naturais. Para parsing de JSON isto foi uma vitória de percentagem de dois dígitos por si só.

E as duas otimizações que não alocam nada:

• Substituição escalar de objetos que não escapam (v0.5.17, depois objetos literais na v0.5.76). Se um objeto nunca sai da sua função englobante, não precisa de existir. Os seus campos tornam-se locais simples. O LLVM lida com isto out of the box assim que se deixa de esconder o objeto atrás de uma chamada opaca ao alocador.
• Substituição escalar de arrays que não escapam (v0.5.73). Mesma ideia — se o array não escapa, os seus elementos tornam-se valores SSA e toda a alocação desaparece.

Para o caminho do array literal especificamente, a v0.5.69 adicionou um fast path de tamanho exato (saltar a maquinaria de crescimento de capacidade quando o tamanho é conhecido em tempo de compilação), e a v0.5.74 colocou inline o IR do bump allocator para pequenos array literais para que o LLVM possa ver a alocação, dobrá-la, elevá-la ou eliminá-la. Benchmarks array-heavy moveram-se mais um passo.

Para arredondar, a v0.5.25 corrigiu um bug mais silencioso: gc_malloc não estava a despoletar coleta no seu próprio caminho, então workloads malloc-heavy podiam fazer o heap crescer ilimitadamente antes de qualquer coisa verificar. A v0.5.61 adicionou dimensionamento de passo adaptativo ao threshold, que é o que realmente se quer: verificar de forma barata quando o heap é pequeno, menos frequentemente quando é grande.

3. O acesso a propriedades ganhou um inline cache real

Todos os motores JavaScript modernos têm um inline cache polimórfico (PIC) no acesso a propriedades. Durante a maior parte da série v0.5 do Perry, PropertyGet passava por um lookup em tabela de shapes com um hash thread-local. Isso é bom para código frio. Não é bom quando 95% das leituras de propriedade num dado call site veem a mesma shape, o que é quase sempre.

A v0.5.44 entregou um inline cache monomórfico para PropertyGet. Cada site de PropertyGet recebe uma entrada de cache por callsite: um ponteiro de shape esperada e um offset de campo. O caminho de hit é uma única comparação mais um load indexado. O caminho de miss cai para um helper lento que atualiza o cache.

; Monomorphic IC fast path for obj.foo
%shape_ptr = load ptr, ptr %obj_shape_slot
%expected = load ptr, ptr @ic_expected_12
%hit = icmp eq ptr %shape_ptr, %expected
br i1 %hit, label %ic_hit, label %ic_miss

ic_hit:
  %off = load i32, ptr @ic_offset_12
  %addr = getelementptr i8, ptr %obj, i32 %off
  %val = load i64, ptr %addr
  ; ... use val
  br label %cont

A v0.5.51 adicionou um cache de transições de shape baseado em hash de conteúdo para escritas de propriedades dinâmicas. Dois objetos que crescem os mesmos campos na mesma ordem fazem hash para a mesma transição, então acabam por partilhar a mesma shape — e isso significa que o lado de leitura do PIC realmente acerta.

A v0.5.55 removeu o último acesso TLS do cache de transições. A v0.5.46 corrigiu um bug no miss-handler do PIC onde objetos com >8 campos estavam a ler para além dos slots inline para memória não inicializada (fecha #55). A v0.5.78 adicionou uma guarda para impedir que o PIC do PropertyGet indexasse em receivers não-ponteiro como números brutos — o que podia acontecer em refinamento de tipos excessivamente otimista e era um dos últimos problemas de estabilidade no IC.

Efeito líquido: código property-heavy — que na prática significa a maior parte do TypeScript — é aproximadamente 2-3x mais rápido do que era há uma semana, apenas com o IC sozinho.

4. Inteiros, bitwise, e o padrão | 0

NaN-boxing torna cada número um f64. Programadores TypeScript escrevem x | 0 para forçar semântica de inteiros. O V8 passou quinze anos a tornar isso barato. O Perry passou esta semana a recuperar.

A pilha de mudanças, por ordem:

• v0.5.48: sdiv para (int / const) | 0. O LLVM dobra para smulh + asr, que são ~2 ciclos vs ~10 para fdiv.
• v0.5.48: @llvm.assume em limites de Uint8ArrayGet. Substitui o diamante branch+phi de verificação de limites por um único bloco básico sobre o qual o vetorizador pode raciocinar.
• v0.5.49: corrigir operações bitwise com NaN/Infinity para produzir 0 conforme a especificação ToInt32. Correção em primeiro lugar.
• v0.5.50: toint32_fast que salta a guarda NaN/Inf de 5 instruções quando o valor é conhecido-finito. Mais alwaysinline em helpers pequenos e deteção de clamp.
• v0.5.52: alvo funções de clamp diretamente com intrínsecos smin/smax. Clamp é o padrão inteiro mais comum depois do incremento.
• v0.5.53: x | 0 e x >>> 0 num valor conhecido-finito tornam-se um noop — apenas fptosi + sitofp, sem qualquer guarda.
• v0.5.56: ops bitwise i32-nativas; índice e valor i32 em Uint8ArrayGet/Set.
• v0.5.58, v0.5.60: Math.imul baixa para o multiply i32 nativo em vez do caminho polyfill. A deteção de polyfill reconhece shims Math.imul escritos pelo utilizador e substitui-os.
• v0.5.59: inlining de init de função pura + seeding de inteiro local. A análise de inteiros ao nível da função pode ver para além das fronteiras de chamada quando o callee é pequeno e puro.
• v0.5.37-v0.5.40: fast path de aritmética de inteiros para padrão acumulador. O clássico loop for (...) acc += f(i) permanece em i32 de ponta a ponta quando os tipos o permitem.

A v0.5.41 é a subtil. Quando o codegen vê uma const K: number[][] = [[...], ...] ao nível de módulo, baixa a coisa toda para uma constante [N x i32] flat em .rodata. K[y][x] torna-se um único getelementptr + load i32. Combinado com a ponte de análise de inteiros na v0.5.43, isto é o que deu ao image_conv (um blur Gaussiano 5×5 sobre um frame RGB 4K) um speedup de 3x numa única release.

5. Buffers e Uint8Array

Workloads binários — crypto, processamento de imagens, parsing, redes — vivem em Buffer e Uint8Array. A v0.5.64 deu-lhes slots de ponteiros tipados mais metadados noalias. Onde um Buffer costumava ser um double NaN-boxed num alloca double, agora é um ponteiro i64 cru num alloca i64, com anotações LLVM a dizer ao otimizador “este ponteiro não faz alias com outros ponteiros no escopo.” Isso desbloqueia reordenação de load/store, vetorização e alocação de registos que o otimizador de outra forma recusaria fazer.

A v0.5.80 fechou a questão final de correção aqui: um contador de alias-scope de buffer ao nível do módulo que estava a ser resetado por função, o que podia em casos raros deixar o LLVM raciocinar através de escopos que não deviam partilhar um ID de escopo. Agora o contador é ao nível do módulo e a história do noalias é hermética.

A v0.5.53 tornou Uint8ArraySet sem branches — um store mascarado em vez de um if/else que escrevia 0 fora dos limites. A v0.5.54 adicionou um indexOf Two-Way para padrões mais longos e um split alocado em arena, que juntos fecharam a maior parte da lacuna no parsing de Buffer com strings pesadas.

6. Strings: ASCII é o fast path

Strings JavaScript são UTF-16, mas a maioria das strings do mundo real (chaves, identificadores, cabeçalhos HTTP, estrutura JSON) são ASCII. A v0.5.71 adicionou um charCodeAt e codePointAt O(1) para strings ASCII — sem scan UTF-16, apenas um load de byte. A v0.5.20 já fazia com que indexOf, slice e charAt ignorassem o scan UTF-16 em ASCII.

Uma nota de correção dentro dessa mesma release: String.length agora retorna unidades de código UTF-16 (especificação ECMAScript) em vez da contagem de bytes. Isso era um bug latente onde "café".length retornava 5 em vez de 4.

7. Os servidores agora realmente mantêm-se de pé

O trabalho menos glamoroso da semana foi também o mais visível para o utilizador: fazer com que servidores longos estilo Node — Fastify, ws, http, net — não crashassem após alguns minutos.

Os crashes partilhavam todos uma causa raiz: o GC não sabia sobre closures de listeners. Quando se escreve wss.on('message', handler), a closure captura variáveis, que vivem como campos dentro de uma célula alocada pelo GC. Se o scanner de roots do GC não sabe que deve visitar essas células, as suas capturas são reclamadas e o próximo evento de mensagem dereferencia memória libertada.

• v0.5.26: root-scan de closures de event listener de net.Socket (fecha #35).
• v0.5.27: estender a ws, http, events, fastify.
• v0.5.28: registar globais ao nível de módulo como roots do GC (fecha #36). Bug de lifetime uma camada acima.
• v0.5.21: segurança de gc() dentro de handlers de requisição Fastify/WebSocket — a chamada explícita ao GC estava a correr enquanto os handlers de requisição mantinham ponteiros para a arena (fecha #31).

Junto com o trabalho do GC, a v0.5.20 entregou um main event loop — um real, não um placeholder — que mantém servidores WebSocket e baseados em timer vivos em vez de saírem depois da última chamada síncrona retornar (refs #28). Esta foi a única correção de maior impacto para quem quer que tentasse correr o Perry como um servidor HTTP em produção. Fastify agora mantém-se de pé. Servidores WebSocket agora mantêm-se de pé.

A v0.5.19 corrigiu a incompatibilidade da ABI SysV AMD64 para args/returns de JSValue FFI — um problema em Linux onde chamadas FFI nativas podiam corromper argumentos silenciosamente. A v0.5.18 adicionou dispatch nativo para axios (get/post/put/delete/patch), incluindo response.status e response.data. A v0.5.30 corrigiu o dispatch de fastify request.header() e request.headers[], que vinha a retornar undefined para lookups case-insensitive.

8. @perry/postgres: o driver que tornou tudo isto necessário

Muito do trabalho desta semana foi impulsionado por um workload: fazer um driver Postgres totalmente compatível com Node funcionar em Perry-native. O driver tem suporte a TLS, tem um registo de codecs cross-module, suporta cancel/close/notify, e agora faz benchmarks contra pg, postgres.js, e tokio-postgres.

O trabalho de perf do lado do driver foi em paralelo com o do lado do compilador:

• Hoist de codec por coluna e eliminar cópias de Buffer por célula. BigInt(string) para int8 para evitar alocações intermediárias.
• Construtor de Row dinâmico por shape para rows em forma de objeto. Se a sua query sempre retorna as mesmas colunas, o driver constrói um construtor de row especializado em shape na primeira vez e reutiliza-o — o que, em combinação com o PIC do compilador, torna o acesso a campos em rows tão rápido como o acesso a campos em qualquer outro objeto.
• Opt-out parseTypes: 'minimal' para chamadores que querem strings brutas para int8/numeric/date.

Este é o loop de feedback positivo que o compilador sempre foi destinado a permitir. Um driver real revela gargalos reais. O gargalo recebe um reprodutor de uma linha registado como issue no GitHub. Uma semana de correções de compilador depois, o driver é mais rápido e o compilador é mais rápido para todos os outros também. Esse é o plano todo, comprimido em sete dias.

9. Correções de correção dignas de menção

O trabalho de performance revela problemas de correção da mesma forma que dragar um rio revela carrinhos de supermercado. Uma lista parcial:

• Promise.race estava a ler .value em rejeição em vez de .reason, então rejeições eram engolidas silenciosamente (v0.5.13-v0.5.14).
• Promise.any agora lança um AggregateError apropriado quando todas as promises de entrada rejeitam. Adicionou Promise.withResolvers e corrigiu a ordenação de queueMicrotask.
• [..."hello"] agora produz um array de caracteres em vez de um objeto partido (fecha #16).
• Aritmética BigInt e coerção BigInt() (fecha #33). O fast path i64 bigint (v0.5.29) torna o caso comum barato.
• Buffer.indexOf / Buffer.includes com um argumento numérico de byte estavam a comparar contra ponteiros de buffer em vez de valores de byte (fecha #56).
• Operações bitwise com NaN/Infinity produzem 0 conforme a especificação ToInt32 (fecha #57).
• Windows x86_64: cinco correções específicas da plataforma — localtime, descoberta de clang, e uma mão-cheia de ajustes de codegen — trouxeram o Windows x86_64 de volta ao verde (v0.5.72).

10. Os números

O benchmark de destaque do último artigo foi factorial a 24,6x mais rápido que o Node. Esse número não mudou. O que se moveu esta semana é tudo ao redor:

A suite completa de 15 benchmarks contra o Node ainda é 14 vitórias e 1 empate — a mesma tabela do último artigo, com números ligeiramente melhores em toda a linha. O movimento real desta semana é em workloads que não estavam nessa suite: JSON, processamento de imagens, servidores de longa duração. Era onde as lacunas viviam, e é isso que foi fechado.

11. O que vem a seguir

O único benchmark que ainda estamos a perseguir é image_conv vs Zig. O Perry está a 457ms; o Zig está a 246ms. Essa lacuna é arquitetónica, não ao nível de pass de otimização, e vive em três lugares:

1. Locais de buffer tipados. A maior parte do trabalho de Buffer chegou esta semana, mas parâmetros e locais de função com tipo buffer ainda fazem unbox a cada acesso. A abordagem de slot i64 que usamos para contadores de loop precisa de se estender a buffers.
2. Divisão de loop interior/borda. O loop de blur faz clamp em cada pixel, incluindo os 99,9% de pixels que não precisam. Dividir em regiões de borda (com clamp) e interior (sem clamp) permite ao LLVM vetorizar o interior com NEON ld3/st3.
3. Hash FNV-1a de ABI dupla. O helper de hash é chamado através da ABI NaN-box. Especializá-lo para i64 bruto in/out em hot paths é algumas horas de trabalho que se vão pagar em cada workload hash-heavy.

Esses estão rastreados em PERF_ROADMAP.md. Espere vê-los no próximo ciclo.

Fechando

O padrão desta semana — 68 releases de patch, quase todas de performance, uma lacuna de JSON a ir de 547x para 1,3x — é o que acontece quando se passa para o lado bom da colina da migração para o LLVM. O otimizador é agora um aliado em vez de uma parede, e a maior parte do que resta é trabalho pequeno, específico e mensurável: encontrar um slow path, descobrir porque é que o otimizador não consegue ver através dele, expor a estrutura, medir novamente. Nenhum destes commits é exótico. São apenas aplicados onde são precisos.

Se quiser experimentar qualquer disto:

brew install perryts/perry/perry
perry init my-app && cd my-app
perry compile src/main.ts -o my-app && ./my-app

Código-fonte: github.com/PerryTS/perry — Docs: docs.perryts.com — Changelog: CHANGELOG.md

Issues, reprodutores, e benchmarks que não são rápidos o suficiente: continuem a mandá-los. Este ritmo só funciona porque os relatórios de bugs são específicos o suficiente para se tornarem reprodutores de uma linha. Cada commit neste artigo tem um #N anexado por uma razão.

— Ralph