TypeScript türleriyle çalışan DOOM [video]

• 1993 yapımı DOOM oyununu çalışma zamanı koduyla değil, yalnızca TypeScript tür sistemiyle başlatıp ilk kareyi üreten bir deney
• İlk kareye kadar TypeScript type checker 3,5 trilyon satır, toplam 177 TB işledi; ilk tahmin 1,25 PB ve 3 aydan fazlaydı
• Temel uygulama, türlerle oluşturulmuş bir WebAssembly sanal makinesi; DOOM için gereken 116 komutu tür düzeyi mantıkla uygulayıp 18 milyon komutu değerlendirdi
• Geliştirme sırasında derleyicinin özyineleme, union, tuple ve derin tür örnekleme sınırları kaldırıldı; ancak nihai çıktı kullanıcıların çalıştırabileceği saf TypeScript biçiminde kaldı
• Sıradan uygulamaların type checking ölçeğinin çok ötesinde bir iş olduğundan mevcut geliştirme araçları neredeyse tamamen işlevsiz kaldı; 12.364 test ve özel araçlar doğrudan geliştirilmek zorunda kaldı

---

TypeScript tür sisteminin içinde yapılmış bir bilgisayar

• DOOM, normal JavaScript çalıştırmasıyla değil, yalnızca TypeScript tür sistemi içinde çalışıyor
• Amaç, hilelere veya başka bir yürütme diline başvurmadan, yalnızca türlerle başka programları da çalıştırabilen bir WebAssembly sanal makinesi oluşturmaktı
• Tür düzeyi bilgisayar, çalıştırma için gereken temel bileşenleri türler olarak içeriyor
  • RAM
  • Disk alanı
  • Çağrı yığını
  • Alt rutinler
  • Bellek işaretçileri
  • Yürütme bağlamı
  • Özel geliştirme araçları
• DOOM’u çalıştırmak için gereken 116 WebAssembly komutu TypeScript türleriyle mantıksal olarak uygulandı
• Yalnızca bu mantık bile type checker’ın tek tek değerlendirmesi gereken 18 milyon komut üretti; her komut sistemin benzersiz bir makine durumunu temsil ediyor

İlk kareye kadarki ölçek

• İlk DOOM karesini elde etmek için 3,5 trilyon satır tür gerekti ve toplam tür boyutu 177 TB oldu
• TypeScript derleyicisi TSC, oyunu başlatıp ilk kareyi almak için 12 gün boyunca kesintisiz çalıştırıldı
• İlk hesaplamalara göre bilgisayarın 1,25 PB TypeScript türü işlemesi gerekiyordu ve çalışma süresinin 3 aydan fazla olacağı tahmin ediliyordu
• Aşırı optimizasyonların ardından işlenecek miktar 177 TB ve 12 güne indirildi
• Sıradan bir uygulamada TSC type checking genellikle 200 bin–500 bin tür örneklemesi düzeyindedir; bu çalışmada ise 12 gün boyunca saniyede 20 milyon örnekleme sürdürüldü
• Nihai çıktı bir TypeScript nesnesi; her değer bir piksel satırını temsil ediyor
  • Çıktı karesi 320×200
  • Toplam 128.000 piksellik bir ASCII kare
• Oyunu klavye girdisiyle kontrol etmenin de bir yolu var

Geliştirme sırasında kaldırılan TypeScript koruma mekanizmaları

• Nihai çıktı, kullanıcıların doğrudan çalıştırabileceği saf TypeScript
• Deneyi mümkün kılmak için TypeScript derleyicisi değiştirilerek çeşitli sınırlar kaldırıldı
  • Tür karşılaştırması sırasında aşırı yığın derinliği sınırının kaldırılması
  • Aşırı derin veya sonsuz olabilecek tür örnekleme sınırının kaldırılması
  • Union ve tuple için maksimum boyutun Infinity olarak ayarlanması
  • Çıktı kırpma sınırının kaldırılması
  • Meşhur TypeScript özyineleme sınırının kaldırılması
• Bilgisayarın kendi yığın sınırı da yükseltildi
• Bu koruma mekanizmaları kaldırılınca type checker’ın 100 GB bellek kullanması kolay hale geldi
• Sınırları kaldırmanın bedeli büyüktü
  • import yazım hatası gibi küçük sorunlar bile sonsuz döngü yaratabiliyordu
  • Heap allocation tüm belleği kullanıp her şeyin çökmesine yol açabiliyordu
  • Stack trace’ler son derece büyüktü ve çoğu hata yalnızca donup kalma şeklinde gerçekleşiyordu

DOOM’u çalıştırmak için ayrıca yapılanlar

• 6 aylık çalışmanın ardından küçük C programları çalıştırılabiliyordu; ancak DOOM’u çalıştırmak çok daha fazla uygulama gerektirdi
• DOOM’un tüm bileşenlerinin türler olarak kodlanması gerekiyordu
  • Oyun haritaları
  • Dokular
  • Sprite’lar
  • Ses
  • Düşman AI’ı
  • Silahlar
  • Eşyalar
  • Fizik motoru
  • Ses alt sistemi
  • Oyun içi metinler
• Tür düzeyinde çalışma zamanına yakın işlevler bile uygulandı
  • Garbage collector
  • L1 CPU cache
  • Çalışma zamanı dead code elimination
  • Gerçek zamanlı bellek compactor’ı
  • Stack underflow koruması için derinlik sayımı içeren global değer stack’i
  • Dinamik dispatch tabloları
  • Modül düzeyi global değişkenler
  • labeled goto
  • Tür düzeyi exception handling
  • Çalışma zamanı stack tracing
  • Tam core dump
• Doğrusal RAM, 32 bit adres anahtarları ve bayt değerleri olan, sıralanamayan devasa bir nesne olarak temsil edildi
• Tür kullanıcı alanında tür değerlendirmesini geçici olarak durdurmanın bir yolu bulunarak core dump, exception handling ve stack tracing mümkün hale getirildi

Araç sınırları ve uygulama kısıtları

• Dosya boyutlarının 1 GB’a kadar çıkması gerektiğinden Prettier’ın işleyebileceği kapsam aşıldı
• Dil sunucusu entegrasyonu veya linter’lar hemen çöküyordu; pratikte yalnızca sözdizimi renklendirme zar zor çalışıyordu
• Motorun içi, string literal’larda saklanan iki tümleyen ikili sayılarla uygulandı
• TypeScript string’leri yalnızca soldan itibaren gezebildiği için tüm ikili algoritmaların ters yönde uygulanması gerekti
• Motorun içinde dizi, nesne, string veya boolean yok; yalnızca ikili sayılar kullanılıyor
• DOOM yalnızca 64 bit ve 32 bit tam sayılar kullanıyor; bu tam sayılar ne signed ne de unsigned olduğundan bunu anlamak bir gün sürdü
• Yapımcı başlangıçta gerekli bilginin %10’unu bile bilmiyordu; kendi araçlarını geliştirip 12.364 testi elle yazarak birçok programlama dilini yeniden öğrendi