مزامنة هياكل البيانات المتزامنة في جافاسكريبت: المجموعات الآمنة للخيوط

جافاسكريبت، التي تُعرف تقليديًا كلغة أحادية الخيط، يتم استخدامها بشكل متزايد في سيناريوهات يكون فيها التزامن أمرًا حاسمًا. مع ظهور عمال الويب (Web Workers) وواجهة برمجة تطبيقات Atomics، يمكن للمطورين الآن الاستفادة من المعالجة المتوازية لتحسين الأداء والاستجابة. ومع ذلك، تأتي هذه القوة مع مسؤولية إدارة الذاكرة المشتركة وضمان اتساق البيانات من خلال المزامنة الصحيحة. تتعمق هذه المقالة في عالم هياكل البيانات المتزامنة في جافاسكريبت وتستكشف تقنيات إنشاء مجموعات آمنة للخيوط.

فهم التزامن في جافاسكريبت

التزامن، في سياق جافاسكريبت، يشير إلى القدرة على التعامل مع مهام متعددة في وقت واحد ظاهريًا. بينما تتعامل حلقة الأحداث في جافاسكريبت مع العمليات غير المتزامنة بطريقة لا تسبب الحظر، تتطلب الموازاة الحقيقية استخدام خيوط متعددة. يوفر عمال الويب (Web Workers) هذه الإمكانية، مما يسمح لك بنقل المهام الحسابية المكثفة إلى خيوط منفصلة، مما يمنع الخيط الرئيسي من أن يصبح محظورًا ويحافظ على تجربة مستخدم سلسة. فكر في سيناريو تقوم فيه بمعالجة مجموعة بيانات كبيرة في تطبيق ويب. بدون التزامن، ستتجمد واجهة المستخدم أثناء المعالجة. مع عمال الويب، تحدث المعالجة في الخلفية، مما يحافظ على استجابة واجهة المستخدم.

عمال الويب (Web Workers): أساس التوازي

عمال الويب هي نصوص برمجية تعمل في الخلفية بشكل مستقل عن خيط تنفيذ جافاسكريبت الرئيسي. لديهم وصول محدود إلى DOM، لكن يمكنهم التواصل مع الخيط الرئيسي باستخدام تمرير الرسائل. يسمح هذا بنقل مهام مثل الحسابات المعقدة، ومعالجة البيانات، وطلبات الشبكة إلى خيوط العمال، مما يحرر الخيط الرئيسي لتحديثات واجهة المستخدم وتفاعلات المستخدم. تخيل تطبيقًا لتحرير الفيديو يعمل في المتصفح. يمكن تنفيذ مهام معالجة الفيديو المعقدة بواسطة عمال الويب، مما يضمن تجربة تشغيل وتحرير سلسة.

SharedArrayBuffer وواجهة برمجة تطبيقات Atomics: تمكين الذاكرة المشتركة

يسمح كائن SharedArrayBuffer لعدة عمال والخيط الرئيسي بالوصول إلى نفس موقع الذاكرة. يتيح هذا مشاركة البيانات بكفاءة والتواصل بين الخيوط. ومع ذلك، فإن الوصول إلى الذاكرة المشتركة يُدخل احتمال حدوث حالات سباق وتلف البيانات. توفر واجهة برمجة تطبيقات Atomics عمليات ذرية تضمن اتساق البيانات وتمنع هذه المشكلات. العمليات الذرية غير قابلة للتجزئة؛ فهي تكتمل دون انقطاع، مما يضمن تنفيذ العملية كوحدة ذرية واحدة. على سبيل المثال، زيادة عداد مشترك باستخدام عملية ذرية يمنع الخيوط المتعددة من التداخل مع بعضها البعض، مما يضمن نتائج دقيقة.

الحاجة إلى مجموعات آمنة للخيوط

عندما تصل خيوط متعددة إلى نفس هيكل البيانات وتعدله بشكل متزامن، دون آليات مزامنة مناسبة، يمكن أن تحدث حالات السباق. تحدث حالة السباق عندما تعتمد النتيجة النهائية للحساب على الترتيب غير المتوقع الذي تصل به الخيوط المتعددة إلى الموارد المشتركة. يمكن أن يؤدي هذا إلى تلف البيانات، وحالة غير متسقة، وسلوك غير متوقع للتطبيق. المجموعات الآمنة للخيوط هي هياكل بيانات مصممة للتعامل مع الوصول المتزامن من خيوط متعددة دون إدخال هذه المشكلات. فهي تضمن سلامة البيانات واتساقها حتى في ظل الحمل المتزامن الثقيل. فكر في تطبيق مالي حيث تقوم خيوط متعددة بتحديث أرصدة الحسابات. بدون مجموعات آمنة للخيوط، يمكن أن تضيع المعاملات أو تتكرر، مما يؤدي إلى أخطاء مالية خطيرة.

فهم حالات السباق وسباقات البيانات

تحدث حالة السباق عندما تعتمد نتيجة برنامج متعدد الخيوط على الترتيب غير المتوقع الذي تنفذ به الخيوط. سباق البيانات هو نوع معين من حالات السباق حيث تصل خيوط متعددة إلى نفس موقع الذاكرة بشكل متزامن، ويكون أحد الخيوط على الأقل يعدل البيانات. يمكن أن تؤدي سباقات البيانات إلى بيانات تالفة وسلوك غير متوقع. على سبيل المثال، إذا حاول خيطان في نفس الوقت زيادة متغير مشترك، فقد تكون النتيجة النهائية غير صحيحة بسبب العمليات المتداخلة.

لماذا لا تعتبر مصفوفات جافاسكريبت القياسية آمنة للخيوط

مصفوفات جافاسكريبت القياسية ليست آمنة للخيوط بطبيعتها. عمليات مثل push و pop و splice والتعيين المباشر للفهرس ليست ذرية. عندما تصل خيوط متعددة إلى مصفوفة وتعدلها بشكل متزامن، يمكن أن تحدث سباقات البيانات وحالات السباق بسهولة. يمكن أن يؤدي هذا إلى نتائج غير متوقعة وتلف البيانات. بينما تعتبر مصفوفات جافاسكريبت مناسبة للبيئات أحادية الخيط، لا يوصى بها للبرمجة المتزامنة بدون آليات مزامنة مناسبة.

تقنيات لإنشاء مجموعات آمنة للخيوط في جافاسكريبت

يمكن استخدام عدة تقنيات لإنشاء مجموعات آمنة للخيوط في جافاسكريبت. تتضمن هذه التقنيات استخدام أساسيات المزامنة مثل الأقفال والعمليات الذرية وهياكل البيانات المتخصصة المصممة للوصول المتزامن.

الأقفال (Mutexes)

القفل (الاستبعاد المتبادل - mutex) هو أداة مزامنة أساسية توفر وصولًا حصريًا إلى مورد مشترك. يمكن لخيط واحد فقط حيازة القفل في أي وقت. عندما يحاول خيط الحصول على قفل يملكه خيط آخر بالفعل، فإنه ينتظر حتى يصبح القفل متاحًا. تمنع الأقفال الخيوط المتعددة من الوصول إلى نفس البيانات بشكل متزامن، مما يضمن سلامة البيانات. بينما لا تحتوي جافاسكريبت على قفل مدمج، يمكن تنفيذه باستخدام Atomics.wait و Atomics.wake. تخيل حسابًا بنكيًا مشتركًا. يمكن للقفل أن يضمن حدوث معاملة واحدة فقط (إيداع أو سحب) في كل مرة، مما يمنع السحب على المكشوف أو الأرصدة غير الصحيحة.

تنفيذ قفل (Mutex) في جافاسكريبت

إليك مثال أساسي لكيفية تنفيذ قفل باستخدام SharedArrayBuffer و Atomics:

            
class Mutex {
 constructor(sharedArrayBuffer, index = 0) {
 this.lock = new Int32Array(sharedArrayBuffer, index * Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT, 1);
 }

 acquire() {
 while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, 1, 0) !== 0) {
 Atomics.wait(this.lock, 0, 1);
 }
 }

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

            

              
                Copy
              
            
          

يعرّف هذا الكود فئة Mutex تستخدم SharedArrayBuffer لتخزين حالة القفل. تحاول الطريقة acquire الحصول على القفل باستخدام Atomics.compareExchange. إذا كان القفل محجوزًا بالفعل، ينتظر الخيط باستخدام Atomics.wait. تقوم الطريقة release بتحرير القفل وإعلام الخيوط المنتظرة باستخدام Atomics.notify.

استخدام القفل مع مصفوفة مشتركة

            
const sab = new SharedArrayBuffer(1024);
const mutex = new Mutex(sab);
const sharedArray = new Int32Array(sab, Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);

// Worker thread
mutex.acquire();
try {
 sharedArray[0] += 1; // Access and modify the shared array
} finally {
 mutex.release();
}

            

              
                Copy
              
            
          

العمليات الذرية

العمليات الذرية هي عمليات غير قابلة للتجزئة يتم تنفيذها كوحدة واحدة. توفر واجهة برمجة تطبيقات Atomics مجموعة من العمليات الذرية لقراءة وكتابة وتعديل مواقع الذاكرة المشتركة. تضمن هذه العمليات الوصول إلى البيانات وتعديلها بشكل ذري، مما يمنع حالات السباق. تشمل العمليات الذرية الشائعة Atomics.add و Atomics.sub و Atomics.and و Atomics.or و Atomics.xor و Atomics.compareExchange و Atomics.store. على سبيل المثال، بدلاً من استخدام sharedArray[0]++، وهي ليست ذرية، يمكنك استخدام Atomics.add(sharedArray, 0, 1) لزيادة القيمة في الفهرس 0 بشكل ذري.

مثال: عداد ذري

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

// Worker thread
Atomics.add(counter, 0, 1); // Atomically increment the counter

            

              
                Copy
              
            
          

إشارات المرور (Semaphores)

إشارة المرور هي أداة مزامنة أساسية تتحكم في الوصول إلى مورد مشترك عن طريق الحفاظ على عداد. يمكن للخيوط الحصول على إشارة مرور عن طريق إنقاص العداد. إذا كان العداد صفرًا، ينتظر الخيط حتى يقوم خيط آخر بتحرير إشارة المرور عن طريق زيادة العداد. يمكن استخدام إشارات المرور للحد من عدد الخيوط التي يمكنها الوصول إلى مورد مشترك بشكل متزامن. على سبيل المثال، يمكن استخدام إشارة مرور للحد من عدد اتصالات قاعدة البيانات المتزامنة. مثل الأقفال، إشارات المرور ليست مدمجة ولكن يمكن تنفيذها باستخدام Atomics.wait و Atomics.wake.

تنفيذ إشارة مرور (Semaphore)

            
class Semaphore {
 constructor(sharedArrayBuffer, initialCount = 0, index = 0) {
 this.count = new Int32Array(sharedArrayBuffer, index * Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT, 1);
 Atomics.store(this.count, 0, initialCount);
 }

 acquire() {
 while (true) {
 const current = Atomics.load(this.count, 0);
 if (current > 0 && Atomics.compareExchange(this.count, current, current - 1, current) === current) {
 return;
 }
 Atomics.wait(this.count, 0, current);
 }
 }

 release() {
 Atomics.add(this.count, 0, 1);
 Atomics.notify(this.count, 0, 1);
 }
}

            

              
                Copy
              
            
          

هياكل البيانات المتزامنة (هياكل البيانات غير القابلة للتغيير)

أحد الأساليب لتجنب تعقيدات الأقفال والعمليات الذرية هو استخدام هياكل البيانات غير القابلة للتغيير. لا يمكن تعديل هياكل البيانات غير القابلة للتغيير بعد إنشائها. بدلاً من ذلك، يؤدي أي تعديل إلى إنشاء هيكل بيانات جديد، مع ترك هيكل البيانات الأصلي دون تغيير. هذا يزيل إمكانية حدوث سباقات البيانات لأن الخيوط المتعددة يمكنها الوصول بأمان إلى نفس هيكل البيانات غير القابل للتغيير دون أي خطر من التلف. توفر مكتبات مثل Immutable.js هياكل بيانات غير قابلة للتغيير لجافاسكريبت، والتي يمكن أن تكون مفيدة جدًا في سيناريوهات البرمجة المتزامنة.

مثال: استخدام Immutable.js

            
import { List } from 'immutable';

let myList = List([1, 2, 3]);

// Worker thread
const newList = myList.push(4); // Creates a new list with the added element

            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال، تظل myList دون تغيير، وتحتوي newList على البيانات المحدثة. هذا يلغي الحاجة إلى الأقفال أو العمليات الذرية لأنه لا توجد حالة مشتركة قابلة للتغيير.

النسخ عند الكتابة (COW)

النسخ عند الكتابة (COW) هي تقنية يتم فيها مشاركة البيانات بين عدة خيوط حتى يحاول أحد الخيوط تعديلها. عند الحاجة إلى تعديل، يتم إنشاء نسخة من البيانات، ويتم إجراء التعديل على النسخة. هذا يضمن أن الخيوط الأخرى لا تزال لديها إمكانية الوصول إلى البيانات الأصلية. يمكن لـ COW تحسين الأداء في السيناريوهات التي تتم فيها قراءة البيانات بشكل متكرر ولكن نادرًا ما يتم تعديلها. يتجنب الحمل الزائد للأقفال والعمليات الذرية مع ضمان اتساق البيانات. ومع ذلك، يمكن أن تكون تكلفة نسخ البيانات كبيرة إذا كان هيكل البيانات كبيرًا.

بناء طابور آمن للخيوط

دعنا نوضح المفاهيم التي تمت مناقشتها أعلاه من خلال بناء طابور آمن للخيوط باستخدام SharedArrayBuffer و Atomics وقفل.

            
class ThreadSafeQueue {
 constructor(capacity) {
 this.capacity = capacity;
 this.buffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * (capacity + 2)); // +2 for head, tail
 this.queue = new Int32Array(this.buffer, 2 * Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
 this.head = new Int32Array(this.buffer, 0, 1);
 this.tail = new Int32Array(this.buffer, Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT, 1);
 this.mutex = new Mutex(this.buffer, 2 + capacity);

 Atomics.store(this.head, 0, 0);
 Atomics.store(this.tail, 0, 0);
 }

 enqueue(value) {
 this.mutex.acquire();
 try {
 const tail = Atomics.load(this.tail, 0);
 const head = Atomics.load(this.head, 0);
 if ((tail + 1) % this.capacity === head) {
 throw new Error("Queue is full");
 }
 this.queue[tail] = value;
 Atomics.store(this.tail, 0, (tail + 1) % this.capacity);
 } finally {
 this.mutex.release();
 }
 }

 dequeue() {
 this.mutex.acquire();
 try {
 const head = Atomics.load(this.head, 0);
 const tail = Atomics.load(this.tail, 0);
 if (head === tail) {
 throw new Error("Queue is empty");
 }
 const value = this.queue[head];
 Atomics.store(this.head, 0, (head + 1) % this.capacity);
 return value;
 } finally {
 this.mutex.release();
 }
 }
}

            

              
                Copy
              
            
          

ينفذ هذا الكود طابورًا آمنًا للخيوط بسعة ثابتة. يستخدم SharedArrayBuffer لتخزين بيانات الطابور ومؤشرات الرأس والذيل. يتم استخدام قفل لحماية الوصول إلى الطابور وضمان أن خيطًا واحدًا فقط يمكنه تعديل الطابور في كل مرة. تحصل طريقتا enqueue و dequeue على القفل قبل الوصول إلى الطابور وتحررانه بعد اكتمال العملية.

اعتبارات الأداء

بينما توفر المجموعات الآمنة للخيوط سلامة البيانات، يمكنها أيضًا إدخال حمل زائد على الأداء بسبب آليات المزامنة. يمكن أن تكون الأقفال والعمليات الذرية بطيئة نسبيًا، خاصة عندما يكون هناك تنازع عالٍ. من المهم النظر بعناية في الآثار المترتبة على الأداء لاستخدام المجموعات الآمنة للخيوط وتحسين الكود الخاص بك لتقليل التنازع. يمكن لتقنيات مثل تقليل نطاق الأقفال، واستخدام هياكل بيانات خالية من الأقفال، وتقسيم البيانات أن تحسن الأداء.

التنازع على القفل

يحدث التنازع على القفل عندما تحاول عدة خيوط الحصول على نفس القفل في وقت واحد. يمكن أن يؤدي هذا إلى تدهور كبير في الأداء حيث تقضي الخيوط وقتًا في انتظار إتاحة القفل. يعد تقليل التنازع على القفل أمرًا حاسمًا لتحقيق أداء جيد في البرامج المتزامنة. تشمل تقنيات تقليل التنازع على القفل استخدام الأقفال دقيقة الحبيبات، وتقسيم البيانات، واستخدام هياكل البيانات الخالية من الأقفال.

الحمل الزائد للعمليات الذرية

العمليات الذرية بشكل عام أبطأ من العمليات غير الذرية. ومع ذلك، فهي ضرورية لضمان سلامة البيانات في البرامج المتزامنة. عند استخدام العمليات الذرية، من المهم تقليل عدد العمليات الذرية التي يتم إجراؤها واستخدامها فقط عند الضرورة. يمكن لتقنيات مثل تجميع التحديثات واستخدام ذاكرة التخزين المؤقت المحلية أن تقلل من الحمل الزائد للعمليات الذرية.

بدائل التزامن عبر الذاكرة المشتركة

بينما يوفر التزامن عبر الذاكرة المشتركة مع عمال الويب و SharedArrayBuffer و Atomics طريقة قوية لتحقيق التوازي في جافاسكريبت، فإنه يقدم أيضًا تعقيدًا كبيرًا. يمكن أن تكون إدارة الذاكرة المشتركة وأدوات المزامنة الأساسية صعبة وعرضة للخطأ. تشمل بدائل التزامن عبر الذاكرة المشتركة تمرير الرسائل والتزامن القائم على الفاعلين (Actors).

تمرير الرسائل

تمرير الرسائل هو نموذج تزامن حيث تتواصل الخيوط مع بعضها البعض عن طريق إرسال الرسائل. لكل خيط مساحة ذاكرة خاصة به، ويتم نقل البيانات بين الخيوط عن طريق نسخها في الرسائل. يزيل تمرير الرسائل إمكانية حدوث سباقات البيانات لأن الخيوط لا تشارك الذاكرة مباشرة. يستخدم عمال الويب بشكل أساسي تمرير الرسائل للتواصل مع الخيط الرئيسي.

التزامن القائم على الفاعلين (Actors)

التزامن القائم على الفاعلين هو نموذج يتم فيه تغليف المهام المتزامنة في فاعلين (actors). الفاعل هو كيان مستقل له حالته الخاصة ويمكنه التواصل مع الفاعلين الآخرين عن طريق إرسال الرسائل. يعالج الفاعلون الرسائل بشكل تسلسلي، مما يلغي الحاجة إلى الأقفال أو العمليات الذرية. يمكن للتزامن القائم على الفاعلين تبسيط البرمجة المتزامنة من خلال توفير مستوى أعلى من التجريد. توفر مكتبات مثل Akka.js أطر عمل للتزامن القائم على الفاعلين لجافاسكريبت.

حالات استخدام المجموعات الآمنة للخيوط

المجموعات الآمنة للخيوط قيمة في سيناريوهات مختلفة حيث يكون الوصول المتزامن إلى البيانات المشتركة مطلوبًا. تشمل بعض حالات الاستخدام الشائعة ما يلي:

• معالجة البيانات في الوقت الفعلي: تتطلب معالجة تدفقات البيانات في الوقت الفعلي من مصادر متعددة الوصول المتزامن إلى هياكل البيانات المشتركة. يمكن للمجموعات الآمنة للخيوط ضمان اتساق البيانات ومنع فقدانها. على سبيل المثال، معالجة بيانات أجهزة الاستشعار من أجهزة إنترنت الأشياء عبر شبكة موزعة عالميًا.
• تطوير الألعاب: غالبًا ما تستخدم محركات الألعاب خيوطًا متعددة لأداء مهام مثل محاكاة الفيزياء، ومعالجة الذكاء الاصطناعي، والعرض. يمكن للمجموعات الآمنة للخيوط ضمان أن هذه الخيوط يمكنها الوصول إلى بيانات اللعبة وتعديلها بشكل متزامن دون إدخال حالات سباق. تخيل لعبة متعددة اللاعبين على الإنترنت (MMO) مع آلاف اللاعبين يتفاعلون في وقت واحد.
• التطبيقات المالية: تتطلب التطبيقات المالية غالبًا وصولًا متزامنًا إلى أرصدة الحسابات وتاريخ المعاملات والبيانات المالية الأخرى. يمكن للمجموعات الآمنة للخيوط ضمان معالجة المعاملات بشكل صحيح وأن أرصدة الحسابات دقيقة دائمًا. فكر في منصة تداول عالية التردد تعالج ملايين المعاملات في الثانية من أسواق عالمية مختلفة.
• تحليلات البيانات: غالبًا ما تعالج تطبيقات تحليلات البيانات مجموعات بيانات كبيرة بالتوازي باستخدام خيوط متعددة. يمكن للمجموعات الآمنة للخيوط ضمان معالجة البيانات بشكل صحيح وأن النتائج متسقة. فكر في تحليل اتجاهات وسائل التواصل الاجتماعي من مناطق جغرافية مختلفة.
• خوادم الويب: معالجة الطلبات المتزامنة في تطبيقات الويب ذات حركة المرور العالية. يمكن أن تؤدي ذاكرات التخزين المؤقت وهياكل إدارة الجلسات الآمنة للخيوط إلى تحسين الأداء وقابلية التوسع.

الخاتمة

تعد هياكل البيانات المتزامنة والمجموعات الآمنة للخيوط ضرورية لبناء تطبيقات متزامنة قوية وفعالة في جافاسكريبت. من خلال فهم تحديات التزامن في الذاكرة المشتركة واستخدام آليات المزامنة المناسبة، يمكن للمطورين الاستفادة من قوة عمال الويب وواجهة برمجة تطبيقات Atomics لتحسين الأداء والاستجابة. بينما يقدم التزامن في الذاكرة المشتركة تعقيدًا، فإنه يوفر أيضًا أداة قوية لحل المشكلات الحسابية المكثفة. فكر بعناية في المفاضلات بين الأداء والتعقيد عند الاختيار بين التزامن في الذاكرة المشتركة، وتمرير الرسائل، والتزامن القائم على الفاعلين. مع استمرار تطور جافاسكريبت، توقع المزيد من التحسينات والتجريدات في مجال البرمجة المتزامنة، مما يسهل بناء تطبيقات قابلة للتطوير وعالية الأداء.

تذكر إعطاء الأولوية لسلامة البيانات واتساقها عند تصميم الأنظمة المتزامنة. يمكن أن يكون اختبار وتصحيح الكود المتزامن أمرًا صعبًا، لذا فإن الاختبار الشامل والتصميم الدقيق أمران حاسمان.