一種有效的 $\Omega(c)$ 語言和運行時

核心概念

設計一種語言和運行時,其性能和內存使用行為都是 $\Omega(c)$ 的,即所有操作的執行時間都是有效的常數,應用程序的內存開銷也是固定的,垃圾收集器的工作量也是常數級別的,並且所有收集/釋放操作都有一個小的有界暫停時間。

摘要

本文提出了一種名為 Bosqe 的新編程語言,它具有以下關鍵特性:

完全定義和確定性:語言沒有任何編譯器或運行時實現定義的或非確定性行為,每個程序都有一個固定和唯一的結果。
不可變性:語言中的所有值都是不可變的,無法在創建後更改。
無循環:對象圖中沒有循環,也沒有創建循環的方法。
無身份:沒有地址或指針比較,也沒有觀察對象身份的方法,即語言是完全引用透明的。
渐近穩定的算法:語言和核心庫使用的算法都是常數或 $\Omega$ 有界線性/對數成本,而不是攤銷常數(但最壞情況下是二次)的成本。

作者認為,通過這些特性,可以設計出一個具有以下特點的運行時:

常數內存開銷:內存消耗應該由一個固定的開銷加上每個分配的小開銷組成。
每次分配的固定工作量:垃圾收集器的工作量應該是有效的常數,與生命週期或應用程序行為無關。
有界的收集器暫停:收集器只需要應用程序暫停一個小的有界時間。
與應用程序代碼無關:應用程序代碼不應支付任何成本,如寫屏障、記憶集等,用於垃圾收集實現。
可碎片整理:垃圾收集器應該能夠壓縮堆,消除長時間運行應用程序中的性能(和內存使用)問題。

作者認為,通過使用一種基於分代垃圾收集器和引用計數的設計,加上 Bosqe 語言的特性,可以實現這些目標。此外,Bosqe 還提供了一種將遙測和分析作為一等公民的機會,以幫助診斷和解決尾部延遲問題。

統計資料

以下是一些重要的數據和指標:

每次分配的工作量是有效的常數,包括分配、複製、引用計數增減和釋放操作。
垃圾收集器的暫停時間被限制為處理年輕代的時間加上老年代的常數時間。
由於值的不可變性和無循環特性,垃圾收集器可以無需任何寫屏障或記憶集就能進行碎片整理。

引述

"性能真正意味著應用程序有多經常足夠快,以至於用戶幾乎感覺不到,這導致工業開發人員將95th和99th百分位延遲作為重點,甚至比平均響應時間更重要。"
"我們的願景是創建一種語言和運行時,它被設計為 $\Omega(c)$ 的性能 - 也就是說,它被設計為所有操作都有一個有效的恒定執行時間,應用程序的內存開銷有一個恒定的固定開銷,垃圾收集器每次分配執行一個恒定的工作量,並且所有收集/釋放操作都有一個(小的)有界暫停。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

An Effectively $\Omega(c)$ Language and Runtime

by Mark Marron 於 arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.20494.pdf

深入探究

如何在不影響最佳情況下的性能的情況下,實現這種 $\Omega(c)$ 的性能保證?

要在不影響最佳情況下的性能的情況下實現 $\Omega(c)$ 的性能保證，Bosqe 語言採取了一系列設計原則和策略。首先，Bosqe 語言的核心特性包括完全定義和確定性，這意味著每個程序的執行結果都是唯一且可預測的，從而消除了不確定性帶來的性能波動。其次，語言的不可變性確保了所有值在創建後無法更改，這不僅簡化了內存管理，還減少了垃圾回收的複雜性，從而使得每次分配的工作量保持在一個固定的常數範圍內。
此外，Bosqe 選擇使用漸近穩定的算法，這些算法的時間複雜度是常數或 $\Omega$ 有界的線性/對數成本，而不是傳統的摊銷常數（但最壞情況可能是二次的）成本。這樣的設計使得在最佳情況下仍能保持良好的性能，同時避免了在某些情況下出現的性能退化。最後，通過使用高效的標準庫數據結構和算法，Bosqe 能夠在保證穩定性的同時，最大限度地減少性能損失。

如何確保這種語言和運行時在實際應用中仍能保持良好的性能,而不會因為過於保守的設計而導致性能下降?

為了確保 Bosqe 語言和運行時在實際應用中保持良好的性能，Bosqe 採取了多種策略來平衡保守設計與性能之間的關係。首先，Bosqe 的標準庫數據結構選擇了那些在最壞情況下表現穩定的數據結構，雖然這可能會在某些情況下犧牲最佳性能，但卻能顯著降低性能波動，從而提高整體的可預測性。
其次，Bosqe 的編譯器設計支持靜態編譯和解析，這樣可以在編譯時期消除許多動態行為相關的變異性，從而減少運行時的性能波動。這種靜態分析的能力使得編譯器能夠進行更激進的優化，從而在不影響性能的情況下，保持穩定的運行時行為。
此外，Bosqe 的垃圾回收設計也考慮到了性能的穩定性。通過使用一種基於引用計數的老代和複製的年輕代的垃圾回收算法，Bosqe 能夠在保證低延遲的同時，避免因為垃圾回收而導致的性能下降。這些設計選擇共同確保了 Bosqe 在實際應用中的性能穩定性。

除了性能和穩定性,Bosqe 語言還有哪些其他的創新之處,可以為軟件開發帶來新的機遇?

Bosqe 語言除了在性能和穩定性方面的創新外，還在多個方面為軟件開發帶來了新的機遇。首先，Bosqe 的完全不可變性和無循環的設計使得開發者能夠更容易地進行並行編程，因為不可變的數據結構消除了數據競爭的可能性，從而簡化了多線程編程的複雜性。
其次，Bosqe 語言的設計強調了可重現性和可測試性，這使得開發者能夠更輕鬆地進行單元測試和集成測試。由於每個程序的行為都是確定的，開發者可以更自信地進行代碼變更，而不必擔心引入不穩定性。
此外，Bosqe 語言將遙測和分析作為一級公民的特性，這意味著開發者可以更輕鬆地集成性能監控和分析工具，從而在開發過程中及時獲取性能數據，進行調優和故障排查。這種自動化的性能監控能力使得開發者能夠更快地識別和解決潛在的性能問題，從而提高開發效率。
最後，Bosqe 的正則表達式語言 BREX 的設計避免了傳統正則表達式中的回溯問題，這不僅提高了性能，還增強了安全性，減少了潛在的拒絕服務攻擊的風險。這些創新共同為軟件開發提供了更高效、更安全的環境。