أمان JavaScript للعمليات المتزامنة: إتقان هياكل البيانات الآمنة للخيوط

مع ازدياد تعقيد تطبيقات JavaScript، تزداد الحاجة إلى إدارة فعالة وموثوقة للتزامن. بينما JavaScript هي تقليديًا ذات مسار تنفيذ واحد، فإن البيئات الحديثة مثل Node.js ومتصفحات الويب توفر آليات للتزامن من خلال عمال الويب والعمليات غير المتزامنة. هذا يقدم إمكانية حدوث ظروف السباق وتلف البيانات عندما تصل عدة مسارات تنفيذ أو مهام غير متزامنة إلى البيانات المشتركة وتعدلها. يستكشف هذا المنشور تحديات أمان الخيوط في مجموعات JavaScript المتزامنة ويقدم استراتيجيات عملية لبناء تطبيقات قوية وموثوقة.

فهم التزامن في JavaScript

تمكّن حلقة أحداث JavaScript البرمجة غير المتزامنة، مما يسمح بتنفيذ العمليات دون حظر مسار التنفيذ الرئيسي. في حين أن هذا يوفر التزامن، إلا أنه لا يوفر بطبيعته توازيًا حقيقيًا كما هو الحال في اللغات متعددة الخيوط. ومع ذلك، يوفر عمال الويب وسيلة لتنفيذ كود JavaScript في مسارات تنفيذ منفصلة، مما يتيح معالجة متوازية حقيقية. هذه القدرة ذات قيمة خاصة للمهام كثيفة الحساب التي من شأنها أن تحظر مسار التنفيذ الرئيسي، مما يؤدي إلى تجربة مستخدم سيئة.

عمال الويب: إجابة JavaScript على تعدد الخيوط

عمال الويب هم نصوص برمجية تعمل في الخلفية بشكل مستقل عن مسار التنفيذ الرئيسي. يتواصلون مع مسار التنفيذ الرئيسي باستخدام نظام تمرير الرسائل. يضمن هذا العزل أن الأخطاء أو المهام طويلة الأمد في عامل الويب لا تؤثر على استجابة مسار التنفيذ الرئيسي. يعتبر عمال الويب مثاليين لمهام مثل معالجة الصور والحسابات المعقدة وتحليل البيانات.

البرمجة غير المتزامنة وحلقة الأحداث

تتم معالجة العمليات غير المتزامنة، مثل طلبات الشبكة وإدخال/إخراج الملفات، بواسطة حلقة الأحداث. عند بدء عملية غير متزامنة، يتم تسليمها إلى المتصفح أو وقت تشغيل Node.js. بمجرد اكتمال العملية، يتم وضع وظيفة رد الاتصال في قائمة انتظار حلقة الأحداث. ثم تنفذ حلقة الأحداث وظيفة رد الاتصال عندما يكون مسار التنفيذ الرئيسي متاحًا. يسمح هذا النهج غير الحظر لـ JavaScript بمعالجة عمليات متعددة في وقت واحد دون تجميد واجهة المستخدم.

تحديات أمان الخيوط

يشير أمان الخيوط إلى قدرة البرنامج على التنفيذ بشكل صحيح حتى عندما تصل عدة مسارات تنفيذ إلى البيانات المشتركة في وقت واحد. في بيئة ذات مسار تنفيذ واحد، لا يشكل أمان الخيوط مصدر قلق بشكل عام لأنه لا يمكن أن تحدث سوى عملية واحدة في أي وقت. ومع ذلك، عندما تصل عدة مسارات تنفيذ أو مهام غير متزامنة إلى البيانات المشتركة وتعدلها، يمكن أن تحدث ظروف السباق، مما يؤدي إلى نتائج غير متوقعة وربما كارثية. تنشأ ظروف السباق عندما تعتمد نتيجة الحساب على الترتيب غير المتوقع الذي يتم به تنفيذ مسارات التنفيذ المتعددة.

ظروف السباق: مصدر شائع للأخطاء

تحدث حالة السباق عندما تصل عدة مسارات تنفيذ إلى بيانات مشتركة وتعدلها في وقت واحد، وتعتمد النتيجة النهائية على الترتيب المحدد الذي يتم به تنفيذ الخيوط. ضع في اعتبارك مثالًا بسيطًا حيث يزيد مساران تنفيذ عدادًا مشتركًا:

            let counter = 0;

function incrementCounter() {
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    counter++;
  }
}

const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

worker1.postMessage('start');
worker2.postMessage('start');

worker1.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 1 finished');
};

worker2.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 2 finished');
  console.log('Final counter value:', counter);
};

// worker.js
self.onmessage = function(event) {
  if (event.data === 'start') {
    incrementCounter();
    self.postMessage('done');
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

من الناحية المثالية، يجب أن تكون القيمة النهائية للعداد `counter` هي 200000. ومع ذلك، بسبب حالة السباق، غالبًا ما تكون القيمة الفعلية أقل بكثير. وذلك لأن كلا الخيطين يقرأان ويكتبان في العداد `counter` في وقت واحد، ويمكن أن تتشابك التحديثات بطرق غير متوقعة، مما يؤدي إلى فقدان التحديثات.

تلف البيانات: نتيجة خطيرة

يمكن أن تؤدي ظروف السباق إلى تلف البيانات، حيث تصبح البيانات المشتركة غير متناسقة أو غير صالحة. يمكن أن يكون لهذا عواقب وخيمة، خاصة في التطبيقات التي تعتمد على بيانات دقيقة، مثل الأنظمة المالية والأجهزة الطبية وأنظمة التحكم. قد يكون من الصعب اكتشاف وتصحيح تلف البيانات، حيث قد تكون الأعراض متقطعة وغير متوقعة.

هياكل البيانات الآمنة للخيوط في JavaScript

للتخفيف من مخاطر ظروف السباق وتلف البيانات، من الضروري استخدام هياكل بيانات آمنة للخيوط وأنماط التزامن. تم تصميم هياكل البيانات الآمنة للخيوط لضمان مزامنة الوصول المتزامن إلى البيانات المشتركة والحفاظ على سلامة البيانات. في حين أن JavaScript لا تحتوي على هياكل بيانات آمنة للخيوط مدمجة بنفس الطريقة التي توجد بها بعض اللغات الأخرى (مثل `ConcurrentHashMap` في Java)، إلا أن هناك العديد من الاستراتيجيات التي يمكنك استخدامها لتحقيق أمان الخيوط.

العمليات الذرية

العمليات الذرية هي العمليات التي تضمن تنفيذها كوحدة واحدة غير قابلة للتجزئة. هذا يعني أنه لا يمكن لأي مسار تنفيذ آخر مقاطعة عملية ذرية أثناء تقدمها. العمليات الذرية هي لبنة أساسية لهياكل البيانات الآمنة للخيوط والتحكم في التزامن. توفر JavaScript دعمًا محدودًا للعمليات الذرية من خلال كائن `Atomics`، وهو جزء من واجهة برمجة تطبيقات SharedArrayBuffer.

SharedArrayBuffer

`SharedArrayBuffer` هو هيكل بيانات يسمح لعمال الويب المتعددين بالوصول إلى نفس الذاكرة وتعديلها. يتيح ذلك مشاركة البيانات بكفاءة بين الخيوط، ولكنه يقدم أيضًا إمكانية حدوث ظروف السباق. يوفر كائن `Atomics` مجموعة من العمليات الذرية التي يمكن استخدامها لمعالجة البيانات بأمان في `SharedArrayBuffer`.

واجهة برمجة تطبيقات Atomics

توفر واجهة برمجة تطبيقات `Atomics` مجموعة متنوعة من العمليات الذرية، بما في ذلك:

• `Atomics.add(typedArray, index, value)`: يضيف ذريًا قيمة إلى العنصر في الفهرس المحدد في مصفوفة من النوع.
• `Atomics.sub(typedArray, index, value)`: يطرح ذريًا قيمة من العنصر في الفهرس المحدد في مصفوفة من النوع.
• `Atomics.and(typedArray, index, value)`: ينفذ ذريًا عملية AND على مستوى البت على العنصر في الفهرس المحدد في مصفوفة من النوع.
• `Atomics.or(typedArray, index, value)`: ينفذ ذريًا عملية OR على مستوى البت على العنصر في الفهرس المحدد في مصفوفة من النوع.
• `Atomics.xor(typedArray, index, value)`: ينفذ ذريًا عملية XOR على مستوى البت على العنصر في الفهرس المحدد في مصفوفة من النوع.
• `Atomics.exchange(typedArray, index, value)`: يستبدل ذريًا العنصر في الفهرس المحدد في مصفوفة من النوع بقيمة جديدة ويعيد القيمة القديمة.
• `Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, newValue)`: يقارن ذريًا العنصر في الفهرس المحدد في مصفوفة من النوع بقيمة متوقعة. إذا كانت متساوية، يتم استبدال العنصر بقيمة جديدة. يعيد القيمة الأصلية.
• `Atomics.load(typedArray, index)`: يحمّل ذريًا القيمة في الفهرس المحدد في مصفوفة من النوع.
• `Atomics.store(typedArray, index, value)`: يخزن ذريًا قيمة في الفهرس المحدد في مصفوفة من النوع.
• `Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout)`: يحظر المسار الحالي حتى تتغير القيمة في الفهرس المحدد في مصفوفة من النوع أو تنتهي مهلة المهلة.
• `Atomics.notify(typedArray, index, count)`: يوقظ عددًا محددًا من الخيوط التي تنتظر القيمة في الفهرس المحدد في مصفوفة من النوع.

إليك مثال لاستخدام `Atomics.add` لتنفيذ عداد آمن للخيوط:

            const sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const counter = new Int32Array(sab);

function incrementCounter() {
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    Atomics.add(counter, 0, 1);
  }
}

const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

worker1.postMessage('start');
worker2.postMessage('start');

worker1.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 1 finished');
};

worker2.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 2 finished');
  console.log('Final counter value:', Atomics.load(counter, 0));
};

// worker.js
self.onmessage = function(event) {
  if (event.data === 'start') {
    incrementCounter();
    self.postMessage('done');
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال، يتم تخزين العداد `counter` في `SharedArrayBuffer`، ويتم استخدام `Atomics.add` لزيادة العداد ذريًا. يضمن هذا أن القيمة النهائية للعداد `counter` هي دائمًا 200000، حتى عندما تقوم عدة خيوط بزيادته في وقت واحد.

الأقفال والإشارات

الأقفال والإشارات هي بدائيات المزامنة التي يمكن استخدامها للتحكم في الوصول إلى الموارد المشتركة. يسمح القفل (المعروف أيضًا باسم الاستبعاد المتبادل) لخيط واحد فقط بالوصول إلى مورد مشترك في وقت واحد، بينما يسمح الإشارة لعدد محدود من الخيوط بالوصول إلى مورد مشترك في وقت واحد.

تنفيذ الأقفال باستخدام Atomics

يمكن تنفيذ الأقفال باستخدام عمليات `Atomics.compareExchange` و `Atomics.wait`/`Atomics.notify`. إليك مثال لتنفيذ قفل بسيط:

            class Lock {
  constructor() {
    this.sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
    this.lock = new Int32Array(this.sab);
    this.UNLOCKED = 0;
    this.LOCKED = 1;
  }

  lockAcquire() {
    while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, this.UNLOCKED, this.LOCKED) !== this.UNLOCKED) {
      Atomics.wait(this.lock, 0, this.LOCKED, Number.POSITIVE_INFINITY); // Wait until unlocked
    }
  }

  lockRelease() {
    Atomics.store(this.lock, 0, this.UNLOCKED);
    Atomics.notify(this.lock, 0, 1); // Wake up one waiting thread
  }
}

// Usage
const lock = new Lock();

function criticalSection() {
  lock.lockAcquire();
  try {
    // Access shared resources safely here
    console.log('Critical section entered');
    // Simulate some work
    for (let i = 0; i < 1000; i++) {}
  } finally {
    lock.lockRelease();
    console.log('Critical section exited');
  }
}

const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

worker1.postMessage({ action: 'start', lockSab: lock.sab });
worker2.postMessage({ action: 'start', lockSab: lock.sab });

// worker.js
let lock;

class Lock {
  constructor(sab) {
    this.sab = sab;
    this.lock = new Int32Array(this.sab);
    this.UNLOCKED = 0;
    this.LOCKED = 1;
  }

  lockAcquire() {
    while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, this.UNLOCKED, this.LOCKED) !== this.UNLOCKED) {
      Atomics.wait(this.lock, 0, this.LOCKED, Number.POSITIVE_INFINITY);
    }
  }

  lockRelease() {
    Atomics.store(this.lock, 0, this.UNLOCKED);
    Atomics.notify(this.lock, 0, 1);
  }
}

self.onmessage = function(event) {
  if (event.data.action === 'start') {
    lock = new Lock(event.data.lockSab);
    for (let i = 0; i < 5; i++) {
      criticalSection();
    }
  }

  function criticalSection() {
    lock.lockAcquire();
    try {
      console.log('Worker ' + self.name + ': Critical section entered');
    } finally {
      lock.lockRelease();
      console.log('Worker ' + self.name + ': Critical section exited');
    }
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

يوضح هذا المثال كيفية استخدام `Atomics` لتنفيذ قفل بسيط يمكن استخدامه لحماية الموارد المشتركة من الوصول المتزامن. تحاول طريقة `lockAcquire` الحصول على القفل باستخدام `Atomics.compareExchange`. إذا كان القفل محتفظًا به بالفعل، ينتظر الخيط باستخدام `Atomics.wait` حتى يتم تحرير القفل. تقوم طريقة `lockRelease` بتحرير القفل عن طريق تعيين قيمة القفل على `UNLOCKED` وإعلام خيط الانتظار باستخدام `Atomics.notify`.

الإشارات

الإشارة هي بدائية مزامنة أكثر عمومية من القفل. تحافظ على عدد يمثل عدد الموارد المتاحة. يمكن للخيوط الحصول على مورد عن طريق تقليل العدد، ويمكنهم تحرير مورد عن طريق زيادة العدد. يمكن استخدام الإشارات للتحكم في الوصول إلى عدد محدود من الموارد المشتركة في وقت واحد.

الخلود

الخلود هو نموذج برمجة يؤكد على إنشاء كائنات لا يمكن تعديلها بعد إنشائها. عندما تكون البيانات غير قابلة للتغيير، لا يوجد خطر من ظروف السباق لأن الخيوط المتعددة يمكنها الوصول بأمان إلى البيانات دون خوف من التلف. تدعم JavaScript الخلود من خلال استخدام متغيرات `const` وهياكل البيانات غير القابلة للتغيير.

هياكل البيانات غير القابلة للتغيير

توفر مكتبات مثل Immutable.js هياكل بيانات غير قابلة للتغيير مثل القوائم والخرائط والمجموعات. تم تصميم هياكل البيانات هذه لتكون فعالة وعالية الأداء مع ضمان عدم تعديل البيانات مطلقًا في مكانها. بدلاً من ذلك، تُرجع العمليات على هياكل البيانات غير القابلة للتغيير مثيلات جديدة مع البيانات المحدثة.

            const { Map, List } = require('immutable');

let myMap = Map({ a: 1, b: 2, c: 3 });

// Modifying the map returns a new map
let updatedMap = myMap.set('b', 4);

console.log(myMap.toJS()); // { a: 1, b: 2, c: 3 }
console.log(updatedMap.toJS()); // { a: 1, b: 4, c: 3 }

let myList = List([1, 2, 3]);
let updatedList = myList.push(4);

console.log(myList.toJS()); // [ 1, 2, 3 ]
console.log(updatedList.toJS()); // [ 1, 2, 3, 4 ]

            

              
                Copy
              
            
          

يمكن أن يؤدي استخدام هياكل البيانات غير القابلة للتغيير إلى تبسيط إدارة التزامن بشكل كبير لأنك لست بحاجة إلى القلق بشأن مزامنة الوصول إلى البيانات المشتركة. ومع ذلك، من المهم أن تكون على دراية بأن إنشاء كائنات غير قابلة للتغيير جديدة يمكن أن يكون له حمل أداء، خاصة بالنسبة لهياكل البيانات الكبيرة. لذلك، من الضروري الموازنة بين فوائد الخلود وتكاليف الأداء المحتملة.

تمرير الرسائل

تمرير الرسائل هو نمط تزامن حيث تتواصل الخيوط عن طريق إرسال رسائل إلى بعضها البعض. بدلاً من مشاركة البيانات مباشرة، تتبادل الخيوط المعلومات من خلال الرسائل، والتي يتم نسخها أو تسلسلها عادةً. هذا يلغي الحاجة إلى الذاكرة المشتركة وبدائيات المزامنة، مما يسهل التفكير في التزامن وتجنب ظروف السباق. يعتمد عمال الويب في JavaScript على تمرير الرسائل للتواصل بين المسار الرئيسي وخيوط العامل.

اتصال عامل الويب

كما هو موضح في الأمثلة السابقة، يتواصل عمال الويب مع المسار الرئيسي باستخدام طريقة `postMessage` ومعالج أحداث `onmessage`. توفر آلية تمرير الرسائل هذه طريقة نظيفة وآمنة لتبادل البيانات بين الخيوط دون المخاطر المرتبطة بالذاكرة المشتركة. ومع ذلك، من المهم أن تكون على دراية بأن تمرير الرسائل يمكن أن يقدم زمن انتقال وحملًا إضافيًا، حيث يجب تسلسل البيانات وإلغاء تسلسلها عند إرسالها بين الخيوط.

نموذج الممثل

نموذج الممثل هو نموذج تزامن حيث يتم إجراء العمليات الحسابية بواسطة الممثلين، وهم كيانات مستقلة تتواصل مع بعضها البعض من خلال تمرير الرسائل غير المتزامن. لكل ممثل حالته الخاصة ويمكنه فقط تعديل حالته الخاصة استجابة للرسائل الواردة. هذا العزل للحالة يلغي الحاجة إلى الأقفال وبدائيات المزامنة الأخرى، مما يسهل بناء أنظمة متزامنة وموزعة.

مكتبات الممثل

في حين أن JavaScript لا تدعم نموذج الممثل بشكل مضمن، إلا أن العديد من المكتبات تنفذ هذا النمط. توفر هذه المكتبات إطار عمل لإنشاء وإدارة الممثلين وإرسال الرسائل بين الممثلين ومعالجة الأحداث غير المتزامنة. يمكن أن يكون نموذج الممثل أداة قوية لبناء تطبيقات متزامنة وقابلة للتطوير بدرجة كبيرة، ولكنه يتطلب أيضًا طريقة مختلفة للتفكير في تصميم البرنامج.

أفضل الممارسات لأمان الخيوط في JavaScript

يتطلب بناء تطبيقات JavaScript آمنة للخيوط تخطيطًا دقيقًا واهتمامًا بالتفاصيل. فيما يلي بعض أفضل الممارسات التي يجب اتباعها:

• تقليل الحالة المشتركة: كلما قلت الحالة المشتركة، قل خطر ظروف السباق. حاول تغليف الحالة داخل خيوط أو ممثلين فرديين والتواصل من خلال تمرير الرسائل.
• استخدم العمليات الذرية قدر الإمكان: عندما تكون الحالة المشتركة أمرًا لا مفر منه، استخدم العمليات الذرية لضمان تعديل البيانات بأمان.
• ضع في اعتبارك الخلود: يمكن أن يلغي الخلود الحاجة إلى بدائيات المزامنة تمامًا، مما يسهل التفكير في التزامن.
• استخدم الأقفال والإشارات باعتدال: يمكن أن تقدم الأقفال والإشارات حمل أداء وتعقيدًا. استخدمها فقط عند الضرورة وتأكد من استخدامها بشكل صحيح لتجنب المآزق.
• اختبر بدقة: اختبر التعليمات البرمجية المتزامنة الخاصة بك بدقة لتحديد وإصلاح ظروف السباق والأخطاء الأخرى المتعلقة بالتزامن. استخدم أدوات مثل اختبارات إجهاد التزامن لمحاكاة سيناريوهات التحميل العالي والكشف عن المشكلات المحتملة.
• اتبع معايير الترميز: التزم بمعايير الترميز وأفضل الممارسات لتحسين إمكانية قراءة التعليمات البرمجية المتزامنة وصيانتها.
• استخدم أدوات التدقيق والتحليل الثابت: استخدم أدوات التدقيق والتحليل الثابت لتحديد مشكلات التزامن المحتملة في وقت مبكر من عملية التطوير.

أمثلة واقعية

يعد أمان الخيوط أمرًا بالغ الأهمية في مجموعة متنوعة من تطبيقات JavaScript الواقعية:

• خوادم الويب: تتعامل خوادم الويب Node.js مع طلبات متزامنة متعددة. يعد ضمان أمان الخيوط أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على سلامة البيانات ومنع الأعطال. على سبيل المثال، إذا كان الخادم يدير بيانات جلسة المستخدم، فيجب مزامنة الوصول المتزامن إلى مخزن الجلسة بعناية.
• التطبيقات في الوقت الفعلي: تتطلب التطبيقات مثل خوادم الدردشة والألعاب عبر الإنترنت زمن انتقال منخفضًا وإنتاجية عالية. يعد أمان الخيوط ضروريًا للتعامل مع الاتصالات المتزامنة وتحديث حالة اللعبة.
• معالجة البيانات: يمكن للتطبيقات التي تقوم بمعالجة البيانات، مثل تحرير الصور أو ترميز الفيديو، الاستفادة من التزامن. يعد أمان الخيوط ضروريًا لضمان معالجة البيانات بشكل صحيح وأن النتائج متسقة.
• الحوسبة العلمية: غالبًا ما تتضمن التطبيقات العلمية حسابات معقدة يمكن موازاتها باستخدام عمال الويب. يعد أمان الخيوط أمرًا بالغ الأهمية لضمان دقة نتائج هذه الحسابات.
• الأنظمة المالية: تتطلب التطبيقات المالية دقة وموثوقية عالية. يعد أمان الخيوط ضروريًا لمنع تلف البيانات وضمان معالجة المعاملات بشكل صحيح. على سبيل المثال، ضع في اعتبارك منصة تداول الأسهم حيث يقوم العديد من المستخدمين بتقديم الطلبات في وقت واحد.

الخلاصة

يعد أمان الخيوط جانبًا مهمًا في بناء تطبيقات JavaScript قوية وموثوقة. في حين أن طبيعة JavaScript ذات المسار الواحد تبسط العديد من مشكلات التزامن، فإن إدخال عمال الويب والبرمجة غير المتزامنة يتطلب اهتمامًا دقيقًا بالمزامنة وسلامة البيانات. من خلال فهم تحديات أمان الخيوط واستخدام أنماط وهياكل بيانات التزامن المناسبة، يمكن للمطورين بناء تطبيقات متزامنة وقابلة للتطوير بدرجة كبيرة تتسم بالمرونة في مواجهة ظروف السباق وتلف البيانات. يعد تبني الخلود واستخدام العمليات الذرية والإدارة الدقيقة للحالة المشتركة من الاستراتيجيات الرئيسية لإتقان أمان الخيوط في JavaScript.

مع استمرار تطور JavaScript وتبني المزيد من ميزات التزامن، ستزداد أهمية أمان الخيوط فقط. من خلال البقاء على اطلاع بأحدث التقنيات وأفضل الممارسات، يمكن للمطورين التأكد من أن تطبيقاتهم تظل قوية وموثوقة وعالية الأداء في مواجهة التعقيد المتزايد.