[논문 리뷰] Experience Report: Developing the Servo Web Browser Engine using Rust

Brian C. Anderson, Lars Bergström외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 26.

Logic, programming, and type systems참고 문헌 17인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 전통적인 C++ 기반 엔진에 비해 더 나은 메모리 안전성과 병렬 처리를 달성하기 위해 루스트로 구현된 새로운 웹 브라우저 엔진인 Servo를 제시한다. 루스트의 소유권 시스템, 애핀 타입, 그리고 메시지 전달 아키텍처를 활용하여 Servo는 안전하고 고성능의 동시 렲영을 가능하게 하며 일반적인 메모리 안전성 버그를 줄였다.

ABSTRACT

All modern web browsers - Internet Explorer, Firefox, Chrome, Opera, and Safari - have a core rendering engine written in C++. This language choice was made because it affords the systems programmer complete control of the underlying hardware features and memory in use, and it provides a transparent compilation model. Servo is a project started at Mozilla Research to build a new web browser engine that preserves the capabilities of these other browser engines but also both takes advantage of the recent trends in parallel hardware and is more memory-safe. We use a new language, Rust, that provides us a similar level of control of the underlying system to C++ but which builds on many concepts familiar to the functional programming community, forming a novelty - a useful, safe systems programming language. In this paper, we show how a language with an affine type system, regions, and many syntactic features familiar to functional language programmers can be successfully used to build state-of-the-art systems software. We also outline several pitfalls encountered along the way and describe some potential areas for future research.

연구 동기 및 목표

• 기존 C++ 기반 엔진에 비해 메모리 안전성과 동시성 면에서 향상된 현대적인 웹 브라우저 엔진을 설계하고 구현하는 것.
• 루스트가 웹 브라우저와 같은 대규모 성능 중심 소프트웨어에 적합한 시스템 프로그래밍 언어로 활용될 수 있는지 평가하는 것.
• 언제나 발생하던 보안 취약점—특히 사용 후 할당 해제 및 버퍼 오버플로우—을 언어 수준의 보장으로 해결하는 것.
• 다중코어 시스템에서 반응성을 향상시키기 위해 데이터 병렬 레이아웃과 컴포넌트 간 메시지 전달과 같은 새로운 아키텍처 패턴을 탐색하는 것.
• 새로운 시스템 언어를 사용해 프로덕션 수준의 브라우저 엔진을 구축할 때 발생하는 핵심 과제와 열린 문제를 식별하고 문서화하는 것.

제안 방법

• 가비지 컬렉션 없이도 메모리 안전성을 확보하기 위해 루스트의 소유권 모델, 영역, 애핀 타입을 활용해 브라우저 엔진을 루스트로 구현하는 것.
• 독립된 스레드(예: 스크립트, 레이아웃, 렌더링) 간 메시지 전달을 통해 데이터 경쟁을 줄이고 동시성 처리를 향상시키기 위해 컴포넌트 기반 아키텍처를 설계하는 것.
• 페이지 로딩 중 지연을 줄이기 위해 사전 분석과 프리패칭을 적용하며, 특히 대역폭과 처리 능력이 제한된 모바일 디바이스에서 효과를 발휘한다.
• 불변성과 대수적 자료형과 같은 함수형 프로그래밍 개념을 사용해 중간 표현(예: DOM, 플로우 트리, 디스플레이 리스트)을 모델링하는 것.
• 클립피와 같은 린팅 툴을 통합해 개발 초기 단계에서 공통적인 불안전한 패턴을 조기에 발견하고 코딩 표준을 강제하는 것.
• 소규모 변경 후 전체 페이지 재처리를 방지하기 위해 증분 계산 기법을 적용하여 반응성을 향상시키는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 루스트와 같은 시스템 프로그래밍 언어가 고성능, 메모리 안전 웹 브라우저 엔진을 구축하는 데 효과적으로 C++를 대체할 수 있는가?
• RQ2 루스트의 소유권과 타입 시스템은 복잡한 시스템인 브라우저 엔진에서 일반적인 저수준 메모리 오류(예: 사용 후 할당 해제, 버퍼 오버플로우)를 얼마나 줄이는가?
• RQ3 메시지 전달과 데이터 병렬 처리가 현대의 다중코어 및 모바일 하드웨어에서 반응성과 확장성 면에서 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 특히 성능 중심 도메인에서 루스트와 같은 새로운 언어를 대규모 시스템 소프트웨어에 사용할 때 발생하는 실질적 과제와 제약은 무엇인가?
• RQ5 JIT 컴파일, 정수 오버플로우 검사, 시스템 코드 내 불안전 블록의 검증과 같은 분야에서 아직 남아 있는 열린 문제들은 무엇인가?

주요 결과

• Servo는 루스트를 사용해 기능적이고 안전하며 동시 처리 가능한 브라우저 엔진을 성공적으로 구현하였으며, C++ 기반 엔진보다 더 나은 메모리 안전성을 확보하면서도 높은 성능을 유지했다.
• 루스트의 소유권 시스템을 활용함으로써 이전에 C++ 기반 브라우저에서 빈번히 발생하던 사용 후 할당 해제 및 범위 벗어난 접근 오류가 거의 사라졌다.
• 컴포넌트 간 메시지 전달 아키텍처는 데이터 경쟁을 크게 줄였고, 동시 실행에서의 모듈성과 정확성을 향상시켰다.
• 사전 분석과 프리패칭을 통해 페이지 로딩 지연이 감소하였으며, 특히 대역폭과 처리 능력이 제한된 모바일 디바이스에서 효과가 뚜렷했다.
• 클립피와 같은 린팅 툴은 최선의 실천 방식을 강제하고 공통적인 불안전한 패턴을 조기에 발견하여 코드 품질과 유지보수성을 향상시켰다.
• 이러한 성공에도 불구하고, 불안전 블록의 검증, 정수 오버플로우 검사 최적화, 그리고 루스트에서 성능이 우수한 JIT 컴파일 시스템을 구축하는 데 여전히 과제가 남아 있다.