🥇हमने वेब एप्लिकेशन को 20 गुना गति देने के लिए वेब असेंबली का उपयोग कैसे किया

यह आलेख वेबअसेंबली के साथ जावास्क्रिप्ट गणनाओं को प्रतिस्थापित करके ब्राउज़र एप्लिकेशन को तेज़ करने के मामले पर चर्चा करता है।

वेबअसेंबली - यह क्या है?

संक्षेप में, यह स्टैक-आधारित वर्चुअल मशीन के लिए एक बाइनरी निर्देश प्रारूप है। वासम (संक्षिप्त नाम) को अक्सर प्रोग्रामिंग भाषा कहा जाता है, लेकिन ऐसा नहीं है। निर्देश प्रारूप ब्राउज़र में जावास्क्रिप्ट के साथ निष्पादित किया जाता है।

यह महत्वपूर्ण है कि WebAssembly को C/C++, Rust, Go जैसी भाषाओं में स्रोतों को संकलित करके प्राप्त किया जा सकता है। यहां सांख्यिकीय टाइपिंग और तथाकथित फ्लैट मेमोरी मॉडल का उपयोग किया जाता है। जैसा कि ऊपर बताया गया है, कोड को एक कॉम्पैक्ट बाइनरी प्रारूप में संग्रहीत किया जाता है, जिससे यह कमांड लाइन का उपयोग करके एप्लिकेशन को चलाने जितना तेज़ हो जाता है। इन क्षमताओं के कारण WebAssembly की लोकप्रियता में वृद्धि हुई है।

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वर्तमान में, वास्म का उपयोग कई अनुप्रयोगों में किया जाता है, डूम 3 जैसे गेम से लेकर ऑटोकैड और फिगमा जैसे वेब-पोर्टेड एप्लिकेशन तक। वास्म का उपयोग सर्वर रहित कंप्यूटिंग जैसे क्षेत्रों में भी किया जाता है।

यह आलेख एक एनालिटिक्स वेब सेवा को तेज़ करने के लिए वास्म का उपयोग करने का एक उदाहरण प्रदान करता है। स्पष्टता के लिए, हमने C में लिखा एक कार्यशील एप्लिकेशन लिया, जिसे WebAssembly में संकलित किया गया है। परिणाम का उपयोग जेएस के खराब प्रदर्शन वाले अनुभागों को बदलने के लिए किया जाएगा।

अनुप्रयोग परिवर्तन

उदाहरण fastq.bio ब्राउज़र सेवा का उपयोग करेगा, जो आनुवंशिकीविदों के लिए है। उपकरण आपको डीएनए अनुक्रमण (डीकोडिंग) की गुणवत्ता का मूल्यांकन करने की अनुमति देता है।

यहां क्रियान्वित एप्लिकेशन का एक उदाहरण दिया गया है:

प्रक्रिया के विवरण में जाने लायक नहीं है क्योंकि वे गैर-विशेषज्ञों के लिए काफी जटिल हैं, लेकिन संक्षेप में, वैज्ञानिक यह समझने के लिए उपरोक्त इन्फोग्राफिक का उपयोग कर सकते हैं कि क्या डीएनए अनुक्रमण प्रक्रिया सुचारू रूप से चली और क्या समस्याएं उत्पन्न हुईं।

इस सेवा में विकल्प, डेस्कटॉप प्रोग्राम हैं। लेकिन fastq.bio आपको डेटा को विज़ुअलाइज़ करके अपने काम को तेज़ करने की अनुमति देता है। अधिकांश अन्य मामलों में, आपको कमांड लाइन के साथ काम करने में सक्षम होने की आवश्यकता है, लेकिन सभी आनुवंशिकीविदों के पास आवश्यक अनुभव नहीं है।

सब कुछ सरलता से काम करता है. इनपुट एक टेक्स्ट फ़ाइल के रूप में प्रस्तुत किया गया डेटा है। यह फ़ाइल विशेष अनुक्रमण उपकरणों द्वारा बनाई गई है। फ़ाइल में डीएनए अनुक्रमों की एक सूची और प्रत्येक न्यूक्लियोटाइड के लिए एक गुणवत्ता स्कोर शामिल है। फ़ाइल स्वरूप .fastq है, यही कारण है कि सेवा को यह नाम मिला।

जावास्क्रिप्ट में कार्यान्वयन

fastq.bio के साथ काम करते समय उपयोगकर्ता का पहला कदम उपयुक्त फ़ाइल का चयन करना है। फ़ाइल ऑब्जेक्ट का उपयोग करके, एप्लिकेशन किसी फ़ाइल से डेटा का एक यादृच्छिक नमूना पढ़ता है और उस बैच को संसाधित करता है। यहां जावास्क्रिप्ट का काम सरल स्ट्रिंग ऑपरेशन करना और मेट्रिक्स की गणना करना है। उनमें से एक विभिन्न डीएनए टुकड़ों पर न्यूक्लियोटाइड ए, सी, जी और टी की संख्या है।

आवश्यक संकेतकों की गणना करने के बाद, उन्हें Plotly.js का उपयोग करके विज़ुअलाइज़ किया जाता है, और सेवा एक नए डेटा नमूने के साथ काम करना शुरू कर देती है। यूएक्स की गुणवत्ता में सुधार के लिए चंकिंग की जाती है। यदि आप एक साथ सभी डेटा के साथ काम करते हैं, तो प्रक्रिया कुछ समय के लिए रुक जाएगी, क्योंकि अनुक्रमण परिणामों वाली फ़ाइलें सैकड़ों गीगाबाइट फ़ाइल स्थान लेती हैं। सेवा 0,5 से 1 एमबी तक के आकार के डेटा के टुकड़े लेती है और उनके साथ चरण दर चरण काम करती है, ग्राफिकल डेटा बनाती है।

यहां बताया गया है कि यह कैसे काम करता है:

लाल आयत में विज़ुअलाइज़ेशन प्राप्त करने के लिए स्ट्रिंग ट्रांसफ़ॉर्मेशन एल्गोरिदम शामिल है। यह सेवा का सबसे कम्प्यूटेशनल रूप से गहन हिस्सा है। इसे वासम से बदलने का प्रयास करना उचित है।

वेबअसेंबली का परीक्षण

वास्म का उपयोग करने की संभावना का आकलन करने के लिए, प्रोजेक्ट टीम ने फास्टक्यू फाइलों के आधार पर क्यूसी मेट्रिक्स (क्यूसी - गुणवत्ता नियंत्रण) बनाने के लिए तैयार समाधानों की खोज शुरू की। खोज C, C++ या Rust में लिखे टूल के बीच की गई, ताकि कोड को WebAssembly में पोर्ट करना संभव हो सके। इसके अलावा, उपकरण "कच्चा" नहीं होना चाहिए; ऐसी सेवा की आवश्यकता थी जिसका परीक्षण पहले ही वैज्ञानिकों द्वारा किया जा चुका हो।

परिणामस्वरूप, चुनाव पक्ष में हुआ seqtk. एप्लिकेशन काफी लोकप्रिय है, यह ओपन-सोर्स है, स्रोत भाषा सी है।

वास्म में कनवर्ट करने से पहले, डेस्कटॉप के लिए seqtk के संकलन सिद्धांत को देखना उचित है। मेकफ़ाइल के अनुसार, यहां वह है जो आपको चाहिए:

# Compile to binary
$ gcc seqtk.c 
   -o seqtk 
   -O2 
   -lm 
   -lz

सिद्धांत रूप में, आप Emscripten का उपयोग करके seqtk संकलित कर सकते हैं। यदि यह वहां नहीं है, तो हम ऐसा करते हैं। डोकर छवि.

$ docker pull robertaboukhalil/emsdk:1.38.26
$ docker run -dt --name wasm-seqtk robertaboukhalil/emsdk:1.38.26

अगर वांछित है आप इसे स्वयं असेंबल कर सकते हैं, लेकिन इसमें समय लगता है।

एक कंटेनर के अंदर, आप आसानी से gcc के विकल्प के रूप में emcc का उपयोग कर सकते हैं:

# Compile to WebAssembly
$ emcc seqtk.c 
    -o seqtk.js 
    -O2 
    -lm 
    -s USE_ZLIB=1 
    -s FORCE_FILESYSTEM=1

न्यूनतम परिवर्तन:

बाइनरी फ़ाइल में आउटपुट करने के बजाय, Emscripten फ़ाइलें उत्पन्न करने के लिए .wasm और .js का उपयोग करता है, जिसका उपयोग WebAssemby मॉड्यूल को चलाने के लिए किया जाता है।

USE_ZLIB ध्वज का उपयोग zlib लाइब्रेरी का समर्थन करने के लिए किया जाता है। लाइब्रेरी को वितरित किया गया है और WebAssembly में पोर्ट किया गया है, और एम्सस्क्रिप्टन ने इसे प्रोजेक्ट में शामिल किया है।

एम्सस्क्रिप्टेन वर्चुअल फ़ाइल सिस्टम सक्रिय है। यह पॉज़िक्स जैसा एफएस, ब्राउज़र के अंदर रैम में चल रहा है। जब पृष्ठ ताज़ा किया जाता है, तो मेमोरी साफ़ हो जाती है।

यह समझने के लिए कि वर्चुअल फ़ाइल सिस्टम की आवश्यकता क्यों है, कमांड लाइन से seqtk चलाने के तरीके की तुलना संकलित WebAssembly मॉड्यूल चलाने के तरीके से करना उचित है।

# On the command line
$ ./seqtk fqchk data.fastq
 
# In the browser console
> Module.callMain(["fqchk", "data.fastq"])

वर्चुअल फ़ाइल सिस्टम तक पहुंच प्राप्त करना आवश्यक है ताकि फ़ाइल इनपुट के बजाय स्ट्रिंग के लिए seqtk को फिर से न लिखना पड़े। इस मामले में, डेटा खंड को वर्चुअल FS में data.fastq फ़ाइल के रूप में main() seqtk पर कॉल के साथ प्रदर्शित किया जाता है।

यहाँ नई वास्तुकला है:

चित्र से पता चलता है कि मुख्य ब्राउज़र थ्रेड में गणनाओं के बजाय, वेबवर्कर्स. यह विधि आपको ब्राउज़र प्रतिक्रिया को प्रभावित किए बिना पृष्ठभूमि थ्रेड में गणना करने की अनुमति देती है। खैर, वेबवर्कर नियंत्रक मुख्य थ्रेड के साथ अपनी बातचीत को प्रबंधित करते हुए, वर्कर को शुरू करता है।

Seqtk कमांड माउंटेड फ़ाइल पर वर्कर का उपयोग करके चलाया जाता है। निष्पादन पूरा होने के बाद, कार्यकर्ता एक वादे के रूप में परिणाम देता है। जब कोई संदेश मुख्य थ्रेड द्वारा प्राप्त होता है, तो परिणाम का उपयोग ग्राफ़ को अद्यतन करने के लिए किया जाता है। और इसी तरह कई पुनरावृत्तियों में।

WebAssembly प्रदर्शन के बारे में क्या?

प्रदर्शन में परिवर्तन का मूल्यांकन करने के लिए, प्रोजेक्ट टीम ने प्रति सेकंड पैरामीटर पढ़ने के संचालन का उपयोग किया। चूंकि दोनों कार्यान्वयन जावास्क्रिप्ट का उपयोग करते हैं, इसलिए इंटरैक्टिव ग्राफ़ बनाने में लगने वाले समय को ध्यान में नहीं रखा जाता है।

आउट-ऑफ-द-बॉक्स समाधान का उपयोग करते समय, प्रदर्शन में नौ गुना वृद्धि हुई।

यह एक उत्कृष्ट परिणाम है, लेकिन, जैसा कि यह पता चला है, इसे अनुकूलित करने का एक अवसर भी है। तथ्य यह है कि बड़ी संख्या में QC विश्लेषण परिणामों का उपयोग seqtk द्वारा नहीं किया जाता है, इसलिए उन्हें हटाया जा सकता है। यदि आप ऐसा करते हैं, तो परिणाम JS की तुलना में 13 गुना बेहतर हो जाता है।

इसे केवल printf() कमांड पर टिप्पणी करके हासिल किया गया था।

लेकिन वह सब नहीं है। तथ्य यह है कि इस स्तर पर, fastq.bio विभिन्न सी फ़ंक्शंस को कॉल करके विश्लेषण परिणाम प्राप्त करता है, उनमें से प्रत्येक विशेषताओं के अपने सेट की गणना करता है, ताकि फ़ाइल के प्रत्येक टुकड़े को दो बार पढ़ा जा सके।

इस समस्या से निजात पाने के लिए, दो कार्यों को एक में संयोजित करने का निर्णय लिया गया। परिणामस्वरूप, उत्पादकता 20 गुना बढ़ गई।

यह ध्यान देने योग्य है कि ऐसा उत्कृष्ट परिणाम हमेशा प्राप्त नहीं किया जा सकता है। कुछ मामलों में, प्रदर्शन गिर जाएगा, इसलिए प्रत्येक मामले का मूल्यांकन करना उचित है।

निष्कर्ष के रूप में, हम कह सकते हैं कि वास्म एप्लिकेशन प्रदर्शन को बेहतर बनाने का अवसर प्रदान करता है, लेकिन आपको इसे बुद्धिमानी से उपयोग करने की आवश्यकता है।

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स्रोत: www.habr.com