تأثير الخيوط الافتراضية وجمع القمامة على كفاءة الطاقة لتطبيقات جافا على أجهزة إنترنت الأشياء التي تعمل بالبطارية

لماذا تهم الأدوات الصغيرة والبطاريات الخاصة بها

من أساور اللياقة إلى المستشعرات اللاسلكية في المصانع، أصبحت العديد من الأشياء من حولنا عبارة عن حواسيب صغيرة تعمل ببطاريات صغيرة. عندما تنفد هذه البطاريات، فإن ذلك يعني تكاليف ومتاعب ونفايات إلكترونية. تستعرض هذه الورقة ذراعًا قويًا وغير متوقع لتمديد عمر البطاريات: ليس شريحة جديدة أو كيمياء بطارية مختلفة، بل برمجيات أذكى. باستخدام جهاز يشبه الساعة الذكية كحالة اختبار، يبيّن المؤلفون كيف يمكن لأسلوب حديث من برمجة جافا أن يطيل عمر البطارية بنحو 40 بالمئة دون تغيير العتاد على الإطلاق.

كيف يمكن للبرمجيات اليومية أن تهدر الطاقة بهدوء

تقضي العديد من الأجهزة التي تعمل بالبطارية معظم وقتها في الانتظار: انتظار قياس نبضات القلب، أو ضغط زر، أو إرسال رسالة عبر الواي‑فاي. تتعامل برامج جافا التقليدية مع هذه المهام باستخدام خيط نظام تشغيل لكل نشاط وبأسلوب بسيط «افعل هذا ثم انتظر». رغم أن هذا يسهل على المبرمجين، فإنه يبقي المعالج مستيقظًا حتى عندما لا تكون هناك مهمة مفيدة، كما يسبب اندفاعات مفاجئة من العمل عندما تقوم جافا بتنظيف الذاكرة غير المستخدمة. على هاتف أو حاسوب محمول موصول بالكهرباء، يمر هذا دون أن يلاحظ كثيرًا. أما على ساعة رفيعة يجب أن تعمل طوال اليوم من بطارية ضعيفة، فهذه الاستيقاظات الإضافية والتوقفات الصغيرة تقضم وقت التشغيل بهدوء.

طريقة جديدة للقيام بالعديد من الأشياء في وقت واحد

تضيف إصدارات جافا الحديثة أداتين أساسيتين تغيران هذه الصورة. الأولى هي «الخيوط الافتراضية»، التي تسمح لبيئة تشغيل جافا بموازنة آلاف المهام خفيفة الوزن فوق عدد قليل فقط من خيوط العتاد الحقيقية. عندما ينتظر مهمة رد شبكة أو قياس حساس، يمكن إيقافها مؤقتًا بتكلفة منخفضة دون أن تربط المعالج. الثانية هي عائلة جديدة من منظفات الذاكرة «منخفضة الكمون»، مثل ZGC، التي توزع عملها على شرائح صغيرة بدلًا من إيقاف البرنامج بأكمله لفترات طويلة. معًا، تسمح هاتان الميزتان للشريحة بالدخول إلى حالة نوم عميق بشكل متكرر ولمدد أطول، وهي أقل حالات استهلاك للطاقة متاحة. بدلًا من بقاء الجهاز نصف مستيقظ طوال الوقت، يستيقظ لفترة وجيزة للعمل ثم يعود سريعًا إلى الراحة.

حكاية ساعتين ذكيتين

لرؤية مقدار الفرق عمليًا، بنى الباحثون نسختين من نفس تطبيق الساعة الذكية البسيط. تقرأ كلتا النسختين دورياً بيانات معدل القلب وتُرسلها إلى خدمة سحابية عبر الواي‑فاي، وهو نمط شائع في الأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة إنترنت الأشياء الأخرى. استخدمت النسخة الأولى أسلوب الشيفرة القديم المحجوب مع خيوط تقليدية وجمع قمامة افتراضي. أما النسخة الثانية فاستُخدم فيها أسلوب غير محجوب ومعتمد على الأحداث وبناءً على الخيوط الافتراضية ومنظف ZGC. بقيت العتاد والبطارية وحمل العمل متطابقة: لوحة ARM Cortex‑M4 مع وحدة واي‑فاي، مغذّاة ببطارية ليثيوم بوليمر سعة 1000 مللي أمبير‑ساعة، تعمل باستمرار لمدة 24 ساعة بينما سجّلت أدوات دقيقة سحب التيار ونشاط المعالج.

ما الذي أظهرته قياسات الطاقة

تصرف التصميم القديم مثل شخص قلق يتجول باستمرار: ظل المعالج نشطًا نحو 85 بالمئة من الوقت، حتى أثناء انتظار الشبكة، ولا يمكن للجهاز الوصول إلا إلى حالة نوم سطحية. كان التيار الخامل يقارب 50 مللي أمبير، مع ارتفاعات حادة فوق 250 مللي أمبير أثناء استخدام الشبكة وجمع القمامة. ونتيجة لذلك، استنزفت البطارية في نحو سبع ساعات. بالمقابل، تصرف التصميم الحديث أكثر مثل عدّاء يعمل في دفعات قصيرة ثم يستريح بعمق. سمحت المكالمات الشبكية غير المحجوزة والتنبيهات القائمة على المؤقت للشريحة بقضاء نحو 70 بالمئة من الوقت في نوم عميق، مع تيار خامد قرب 5 مللي أمبير وأشكال قوة أنعم بكثير. انخفض متوسط التيار إلى نحو 100 مللي أمبير، وارتفع عمر البطارية المقاس إلى نحو عشر ساعات—تحسّن بنسبة 42 بالمئة.

دروس عملية لأجهزة أكثر خضرة

خارج إطار هذه الساعة الذكية الفردية، تستخلص الدراسة دروسًا عامة لأي شخص يبني أجهزة تعمل بالبطارية. تسمح التصاميم المعتمدة على الأحداث وغير المحجوزة، بالاشتراك مع أساليب اتصال خفيفة الوزن والجدولة الدقيقة، للأجهزة بأن تظل مطفأة فعليًا بين دفعات النشاط. تجعل ميزات جافا الحديثة كتابة مثل هذا الكود أسهل من دون التضحية بالأمان أو القابلية للنقل، وأظهرت الاختبارات أن مئات المهام يمكن معالجتها مع زيادة طفيفة فقط في سحب التيار. بعبارة أخرى، كفاءة الطاقة ليست مجرد اختيار الشريحة الصحيحة—إنها كتابة برمجيات تعامل الوقت الذي يقضيه الجهاز نائمًا باعتباره أعلى أشكال الأداء. بالنسبة للمدن الذكية، وأجهزة المراقبة الطبية، ومستشعرات المنازل، يمكن أن يترجم هذا النهج مباشرة إلى تبديلات بطارية أقل، وتكاليف أدنى، ونفايات أقل.

الاستشهاد: Shanjai Kumar, S., Sanjai, B.N., Etheeswar Kaarthi, S. et al. Impact of virtual threads and garbage collection on energy efficiency of Java applications for battery powered IoT devices. Sci Rep 16, 13507 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40112-6

الكلمات المفتاحية: كفاءة طاقة إنترنت الأشياء, عمر البطارية, الخيوط الافتراضية في جافا, البرمجيات منخفضة الطاقة, أجهزة الساعات الذكية