خيوط WebAssembly: إطلاق العنان للمعالجة المتوازية والذاكرة المشتركة لتعزيز الأداء

أحدث WebAssembly (Wasm) ثورة في تطوير الويب ويُستخدم بشكل متزايد خارج نطاق المتصفح. إن قابليته للنقل وأداءه وأمانه جعلته بديلاً مقنعًا لجافاسكريبت للتطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا. أحد أهم التطورات في WebAssembly هو إدخال الخيوط (threads)، مما يتيح المعالجة المتوازية والذاكرة المشتركة. هذا يفتح مستوى جديدًا من الأداء للمهام الحسابية المكثفة، ويفتح الأبواب لتطبيقات ويب أكثر تعقيدًا واستجابة، وكذلك التطبيقات الأصلية.

فهم WebAssembly ومزاياه

WebAssembly هو تنسيق تعليمات ثنائي مصمم كهدف تجميع محمول للغات البرمجة. يسمح بتنفيذ الشفرة المكتوبة بلغات مثل C و C++ و Rust وغيرها بسرعات تقارب السرعات الأصلية في متصفحات الويب والبيئات الأخرى. تشمل مزاياه الرئيسية ما يلي:

• الأداء: يتم تنفيذ شفرة Wasm بشكل أسرع بكثير من جافاسكريبت، خاصة للمهام الحسابية المكثفة.
• القابلية للنقل: صُمم Wasm للعمل عبر منصات ومتصفحات مختلفة.
• الأمان: يمتلك Wasm نموذج تنفيذ آمن، حيث يعزل الشفرة في بيئة محمية (sandboxing) لمنع الوصول غير المصرح به إلى موارد النظام.
• الحياد اللغوي: يمكنك كتابة وحدات Wasm باستخدام مجموعة متنوعة من اللغات، مستفيدًا من نقاط القوة لكل منها.

وجد WebAssembly تطبيقات في مجالات مختلفة، بما في ذلك:

• الألعاب: تقديم ألعاب عالية الأداء في المتصفح.
• العرض ثلاثي الأبعاد: إنشاء تجارب تفاعلية ثلاثية الأبعاد.
• تحرير الفيديو والصوت: تمكين المعالجة السريعة لمحتوى الوسائط المتعددة.
• الحوسبة العلمية: تشغيل عمليات المحاكاة المعقدة وتحليل البيانات.
• الحوسبة السحابية: تشغيل التطبيقات من جانب الخادم والخدمات المصغرة.

الحاجة إلى الخيوط في WebAssembly

بينما يقدم WebAssembly أداءً مثيرًا للإعجاب، إلا أنه كان يعمل تقليديًا في بيئة أحادية الخيط. هذا يعني أن المهام الحسابية المكثفة يمكن أن تعيق الخيط الرئيسي، مما يؤدي إلى تجربة مستخدم بطيئة. على سبيل المثال، يمكن لخوارزمية معالجة صور معقدة أو محاكاة فيزيائية أن تجمد المتصفح أثناء تشغيلها. هنا يأتي دور الخيوط.

تسمح الخيوط للبرنامج بتنفيذ مهام متعددة بشكل متزامن. يتم تحقيق ذلك عن طريق تقسيم البرنامج إلى خيوط متعددة، يمكن لكل منها العمل بشكل مستقل. في تطبيق متعدد الخيوط، يمكن لأجزاء مختلفة من عملية كبيرة أن تعمل في وقت واحد، ربما على أنوية معالجات منفصلة، مما يؤدي إلى تسريع كبير. هذا مفيد بشكل خاص للمهام الحسابية الثقيلة لأنه يمكن توزيع العمل على أنوية متعددة بدلاً من تشغيله بالكامل على نواة واحدة. هذا يمنع واجهة المستخدم من التجمد.

تقديم خيوط WebAssembly والذاكرة المشتركة

تستفيد خيوط WebAssembly من ميزات جافاسكريبت SharedArrayBuffer (SAB) و Atomics. يتيح SharedArrayBuffer لعدة خيوط الوصول إلى نفس منطقة الذاكرة وتعديلها. توفر Atomics عمليات منخفضة المستوى لمزامنة الخيوط، مثل العمليات الذرية والأقفال، مما يمنع سباق البيانات ويضمن أن التغييرات على الذاكرة المشتركة متسقة عبر الخيوط. تسمح هذه الميزات للمطورين ببناء تطبيقات متوازية حقيقية في WebAssembly.

SharedArrayBuffer (SAB)

SharedArrayBuffer هو كائن جافاسكريبت يسمح لعدة عمال ويب أو خيوط بمشاركة نفس المخزن المؤقت للذاكرة الأساسية. فكر فيه كمساحة ذاكرة مشتركة حيث يمكن للخيوط المختلفة قراءة البيانات وكتابتها. هذه الذاكرة المشتركة هي الأساس للمعالجة المتوازية في WebAssembly.

Atomics

Atomics هو كائن جافاسكريبت يوفر عمليات ذرية منخفضة المستوى. تضمن هذه العمليات أن عمليات القراءة والكتابة على الذاكرة المشتركة تحدث بشكل ذري، مما يعني أنها تكتمل دون انقطاع. هذا أمر بالغ الأهمية لسلامة الخيوط وتجنب سباق البيانات. تشمل عمليات Atomics الشائعة ما يلي:

• Atomic.load(): يقرأ قيمة من الذاكرة المشتركة.
• Atomic.store(): يكتب قيمة إلى الذاكرة المشتركة.
• Atomic.add(): يضيف قيمة بشكل ذري إلى موقع في الذاكرة.
• Atomic.sub(): يطرح قيمة بشكل ذري من موقع في الذاكرة.
• Atomic.wait(): ينتظر تغيير قيمة في الذاكرة المشتركة.
• Atomic.notify(): يبلغ الخيوط المنتظرة بأن قيمة في الذاكرة المشتركة قد تغيرت.

كيف تعمل خيوط WebAssembly

إليك نظرة عامة مبسطة على كيفية عمل خيوط WebAssembly:

1. تجميع الوحدة: يتم تجميع الشفرة المصدرية (مثل C++، Rust) في وحدة WebAssembly، إلى جانب مكتبات دعم الخيوط اللازمة.
2. تخصيص الذاكرة المشتركة: يتم إنشاء SharedArrayBuffer، مما يوفر مساحة الذاكرة المشتركة.
3. إنشاء الخيوط: تنشئ وحدة WebAssembly خيوطًا متعددة، والتي يمكن التحكم فيها بعد ذلك من شفرة جافاسكريبت (أو من خلال وقت تشغيل WebAssembly الأصلي، اعتمادًا على البيئة).
4. توزيع المهام: يتم تقسيم المهام وتعيينها لخيوط مختلفة. يمكن أن يتم ذلك يدويًا من قبل المطور، أو باستخدام مكتبة جدولة المهام.
5. التنفيذ المتوازي: ينفذ كل خيط مهمته المخصصة بشكل متزامن. يمكنهم الوصول إلى البيانات في SharedArrayBuffer وتعديلها باستخدام العمليات الذرية.
6. المزامنة: تزامن الخيوط عملها باستخدام عمليات Atomics (مثل الأقفال الثنائية، متغيرات الشرط) لتجنب سباق البيانات وضمان اتساق البيانات.
7. تجميع النتائج: بمجرد انتهاء الخيوط من مهامها، يتم تجميع النتائج. قد يتضمن هذا قيام الخيط الرئيسي بجمع النتائج من خيوط العمال.

فوائد استخدام خيوط WebAssembly

تقدم خيوط WebAssembly العديد من الفوائد الرئيسية:

• أداء محسن: تتيح لك المعالجة المتوازية استخدام أنوية معالجات متعددة، مما يسرع بشكل كبير المهام الحسابية المكثفة.
• استجابة معززة: من خلال تفريغ المهام إلى خيوط العمال، يظل الخيط الرئيسي مستجيبًا، مما يؤدي إلى تجربة مستخدم أفضل.
• توافق عبر المنصات: تعمل خيوط WebAssembly عبر أنظمة التشغيل والمتصفحات المختلفة التي تدعم SharedArrayBuffer و Atomics.
• الاستفادة من الشفرة الحالية: يمكنك غالبًا إعادة تجميع قواعد الشفرة متعددة الخيوط الحالية (مثل C++، Rust) إلى WebAssembly بأقل قدر من التعديلات.
• قابلية توسع متزايدة: يمكن للتطبيقات التعامل مع مجموعات بيانات أكبر وحسابات أكثر تعقيدًا دون تدهور الأداء.

حالات استخدام خيوط WebAssembly

لخيوط WebAssembly مجموعة واسعة من التطبيقات:

• معالجة الصور والفيديو: موازاة مرشحات الصور، وترميز/فك ترميز الفيديو، ومهام معالجة الصور الأخرى. تخيل تطبيقًا تم إنشاؤه في طوكيو، اليابان، يسمح بتطبيق مرشحات فيديو متعددة في الوقت الفعلي دون تأخير.
• الرسومات ثلاثية الأبعاد والمحاكاة: عرض مشاهد ثلاثية الأبعاد معقدة، وتشغيل محاكاة فيزيائية، وتحسين أداء الألعاب. هذا مفيد للتطبيقات المستخدمة في ألمانيا أو أي بلد آخر لديه ثقافة ألعاب عالية الأداء.
• الحوسبة العلمية: إجراء حسابات معقدة للبحث العلمي، مثل محاكاة الديناميات الجزيئية، والتنبؤ بالطقس، وتحليل البيانات، في أي مكان حول العالم.
• تحليل البيانات والتعلم الآلي: تسريع معالجة البيانات، وتدريب النماذج، ومهام الاستدلال. تستفيد الشركات في لندن، المملكة المتحدة، من هذا، مما يترجم إلى كفاءة أكبر.
• معالجة الصوت: تنفيذ تأثيرات صوتية في الوقت الفعلي، والتوليف، والمزج.
• تعدين العملات المشفرة: على الرغم من أنه مثير للجدل، يستخدم البعض سرعة WebAssembly لهذا الغرض.
• النماذج المالية: حساب النماذج المالية المعقدة وتقييمات المخاطر. تستفيد الشركات في سويسرا والولايات المتحدة من هذا.
• التطبيقات من جانب الخادم: تشغيل الواجهات الخلفية والخدمات المصغرة عالية الأداء.

تنفيذ خيوط WebAssembly: مثال عملي (C++)

دعنا نوضح كيف يمكنك إنشاء وحدة WebAssembly بسيطة مع خيوط باستخدام C++ و Emscripten، وهي مجموعة أدوات شائعة لتجميع C/C++ إلى WebAssembly. هذا مثال مبسط لتسليط الضوء على المفاهيم الأساسية. عادة ما يتم استخدام تقنيات مزامنة أكثر تطوراً (مثل الأقفال الثنائية، متغيرات الشرط) في التطبيقات الواقعية.

1. تثبيت Emscripten: إذا لم تكن قد قمت بذلك بالفعل، فقم بتثبيت Emscripten، والذي يتطلب إعداد Python وتبعيات أخرى بشكل صحيح.
2. كتابة شفرة C++: أنشئ ملفًا باسم `threads.cpp` بالمحتوى التالي:

               #include <emscripten.h>
   #include <pthread.h>
   #include <stdio.h>
   #include <atomic>
   
   // Shared memory
   std::atomic<int> shared_counter(0);
   
   void* thread_function(void* arg) {
       int thread_id = *(int*)arg;
       for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
           shared_counter++; // Atomic increment
       }
       printf("Thread %d finished\n", thread_id);
       return nullptr;
   }
   
   extern "C" {
       EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
       int start_threads(int num_threads) {
           pthread_t threads[num_threads];
           int thread_ids[num_threads];
   
           printf("Starting %d threads...\n", num_threads);
   
           for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
               thread_ids[i] = i;
               pthread_create(&threads[i], nullptr, thread_function, &thread_ids[i]);
           }
   
           for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
               pthread_join(threads[i], nullptr);
           }
   
           printf("All threads finished. Final counter value: %d\n", shared_counter.load());
           return shared_counter.load();
       }
   }
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

3. التجميع باستخدام Emscripten: قم بتجميع شفرة C++ إلى WebAssembly باستخدام مترجم Emscripten. لاحظ العلامات الخاصة بتمكين الخيوط والذاكرة المشتركة:

               emcc threads.cpp -o threads.js -s WASM=1 -s USE_PTHREADS=1 -s PTHREAD_POOL_SIZE=4 -s ENVIRONMENT=web,worker -s ALLOW_MEMORY_GROWTH=1
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

   يقوم الأمر أعلاه بما يلي:

   • `emcc`: مترجم Emscripten.
   • `threads.cpp`: ملف المصدر C++.
   • `-o threads.js`: ملف جافاسكريبت الناتج (الذي يتضمن أيضًا وحدة WebAssembly).
   • `-s WASM=1`: يُمكّن تجميع WebAssembly.
   • `-s USE_PTHREADS=1`: يُمكّن دعم pthreads، وهو مطلوب للخيوط.
   • `-s PTHREAD_POOL_SIZE=4`: يحدد عدد خيوط العمال في مجمع الخيوط (عدّل هذا حسب الحاجة).
   • `-s ENVIRONMENT=web,worker`: يحدد أين يجب تشغيل هذا.
   • `-s ALLOW_MEMORY_GROWTH=1`: يسمح لذاكرة WebAssembly بالنمو ديناميكيًا.
4. إنشاء ملف HTML: أنشئ ملف HTML (على سبيل المثال، `index.html`) لتحميل وتشغيل ملف جافاسكريبت ووحدة WebAssembly التي تم إنشاؤها:

               <!DOCTYPE html>
   <html>
   <head>
       <title>WebAssembly Threads Example</title>
   </head>
   <body>
       <script src="threads.js"></script>
       <script>
           Module.onRuntimeInitialized = () => {
               // Call the start_threads function from the WebAssembly module
               Module.start_threads(4);
           };
       </script>
   </body>
   </html>
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

5. تشغيل الشفرة: افتح `index.html` في متصفح ويب. افتح وحدة تحكم المطور في المتصفح لرؤية الإخراج. ستقوم الشفرة بإنشاء وبدء خيوط متعددة، وزيادة عداد مشترك في حلقة، وطباعة قيمة العداد النهائية. يجب أن ترى أن الخيوط تعمل بشكل متزامن، وهو أسرع من النهج أحادي الخيط.

   ملاحظة هامة: يتطلب تشغيل هذا المثال متصفحًا يدعم خيوط WebAssembly. تأكد من تمكين SharedArrayBuffer و Atomics في متصفحك. قد تحتاج إلى تمكين الميزات التجريبية في إعدادات متصفحك.

أفضل الممارسات لخيوط WebAssembly

عند العمل مع خيوط WebAssembly، ضع في اعتبارك هذه الممارسات الأفضل:

• سلامة الخيوط: استخدم دائمًا العمليات الذرية (مثل `Atomic.add`، `Atomic.store`، `Atomic.load`) أو بدائيات المزامنة (الأقفال الثنائية، الإشارات، متغيرات الشرط) لحماية البيانات المشتركة من سباق البيانات.
• تقليل الذاكرة المشتركة: قلل من كمية الذاكرة المشتركة لتقليل الحمل الزائد للمزامنة. إذا أمكن، قسّم البيانات بحيث تعمل الخيوط المختلفة على أجزاء منفصلة.
• اختر العدد الصحيح من الخيوط: يعتمد العدد الأمثل للخيوط على عدد أنوية وحدة المعالجة المركزية المتاحة وطبيعة المهام. يمكن أن يؤدي استخدام عدد كبير جدًا من الخيوط إلى تدهور الأداء بسبب الحمل الزائد لتبديل السياق. فكر في استخدام مجمع خيوط لإدارة الخيوط بكفاءة.
• تحسين موقع البيانات: تأكد من أن الخيوط تصل إلى البيانات القريبة من بعضها البعض في الذاكرة. يمكن أن يحسن هذا من استخدام ذاكرة التخزين المؤقت ويقلل من أوقات الوصول إلى الذاكرة.
• استخدم بدائيات المزامنة المناسبة: اختر بدائيات المزامنة الصحيحة بناءً على احتياجات التطبيق. الأقفال الثنائية مناسبة لحماية الموارد المشتركة، بينما يمكن استخدام متغيرات الشرط للانتظار والإشارة بين الخيوط.
• التنميط والقياس: قم بتنميط شفرتك لتحديد اختناقات الأداء. قم بقياس تكوينات الخيوط المختلفة واستراتيجيات المزامنة للعثور على النهج الأكثر كفاءة.
• معالجة الأخطاء: قم بتنفيذ معالجة أخطاء مناسبة لإدارة فشل الخيوط والمشكلات المحتملة الأخرى بأمان.
• إدارة الذاكرة: كن حذرًا من تخصيص الذاكرة وإلغاء تخصيصها. استخدم تقنيات إدارة الذاكرة المناسبة، خاصة عند العمل مع الذاكرة المشتركة.
• فكر في مجمع العمال: عند التعامل مع خيوط متعددة، من المفيد إنشاء مجمع عمال لأغراض الكفاءة. هذا يتجنب إنشاء وتدمير خيوط العمال بشكل متكرر ويستخدمها بطريقة دائرية.

اعتبارات الأداء وتقنيات التحسين

يتضمن تحسين أداء تطبيقات خيوط WebAssembly العديد من التقنيات الرئيسية:

• تقليل نقل البيانات: قلل من كمية البيانات التي تحتاج إلى نقلها بين الخيوط. نقل البيانات عملية بطيئة نسبيًا.
• تحسين الوصول إلى الذاكرة: تأكد من أن الخيوط تصل إلى الذاكرة بكفاءة. تجنب نسخ الذاكرة غير الضرورية وأخطاء ذاكرة التخزين المؤقت.
• تقليل الحمل الزائد للمزامنة: استخدم بدائيات المزامنة باعتدال. يمكن أن تلغي المزامنة المفرطة فوائد الأداء للمعالجة المتوازية.
• ضبط حجم مجمع الخيوط: جرب أحجام مجمعات خيوط مختلفة للعثور على التكوين الأمثل لتطبيقك وأجهزتك.
• نمط شفرتك: استخدم أدوات التنميط لتحديد اختناقات الأداء ومجالات التحسين.
• استخدم SIMD (تعليمات واحدة، بيانات متعددة): عندما يكون ذلك ممكنًا، استخدم تعليمات SIMD لإجراء عمليات على عناصر بيانات متعددة في وقت واحد. يمكن أن يحسن هذا الأداء بشكل كبير للمهام مثل حسابات المتجهات ومعالجة الصور.
• محاذاة الذاكرة: تأكد من محاذاة بياناتك مع حدود الذاكرة. يمكن أن يحسن هذا أداء الوصول إلى الذاكرة، خاصة على بعض البنى.
• هياكل البيانات الخالية من الأقفال: استكشف هياكل البيانات الخالية من الأقفال للحالات التي يمكنك فيها تجنب الأقفال تمامًا. يمكن أن تقلل هذه من الحمل الزائد للمزامنة في بعض الحالات.

أدوات ومكتبات لخيوط WebAssembly

يمكن للعديد من الأدوات والمكتبات تبسيط عملية التطوير باستخدام خيوط WebAssembly:

• Emscripten: تبسط مجموعة أدوات Emscripten تجميع شفرة C/C++ إلى WebAssembly وتوفر دعمًا قويًا لـ pthreads.
• Rust مع `wasm-bindgen` و `wasm-threads`: تتمتع Rust بدعم ممتاز لـ WebAssembly. يبسط `wasm-bindgen` التفاعل مع جافاسكريبت، ويمكّن صندوق `wasm-threads` من دمج الخيوط بسهولة.
• واجهة نظام WebAssembly (WASI): WASI هي واجهة نظام لـ WebAssembly تسمح بالوصول إلى موارد النظام، مثل الملفات والشبكات، مما يسهل بناء تطبيقات أكثر تعقيدًا.
• مكتبات مجمع الخيوط (مثل `rayon` لـ Rust): توفر مكتبات مجمع الخيوط طرقًا فعالة لإدارة الخيوط، مما يقلل من الحمل الزائد لإنشاء وتدمير الخيوط. كما أنها تتعامل مع توزيع العمل بشكل أكثر فعالية.
• أدوات التصحيح: يمكن أن يكون تصحيح أخطاء WebAssembly أكثر تعقيدًا من تصحيح الشفرة الأصلية. استخدم أدوات تصحيح مصممة خصيصًا لتطبيقات WebAssembly. تتضمن أدوات مطوري المتصفح دعمًا لتصحيح شفرة WebAssembly والتنقل عبر الشفرة المصدرية.

الاعتبارات الأمنية

بينما يمتلك WebAssembly نفسه نموذج أمان قويًا، فمن الضروري معالجة المخاوف الأمنية عند استخدام خيوط WebAssembly:

• التحقق من صحة الإدخال: تحقق بعناية من جميع بيانات الإدخال لمنع الثغرات الأمنية مثل تجاوز سعة المخزن المؤقت أو الهجمات الأخرى.
• سلامة الذاكرة: اضمن سلامة الذاكرة باستخدام لغات ذات ميزات أمان الذاكرة (مثل Rust) أو تقنيات إدارة ذاكرة صارمة.
• العزل (Sandboxing): يعمل WebAssembly بطبيعته في بيئة معزولة، مما يحد من الوصول إلى موارد النظام. تأكد من الحفاظ على هذا العزل أثناء استخدام الخيوط.
• أقل الامتيازات: امنح وحدة WebAssembly الحد الأدنى فقط من الأذونات اللازمة للوصول إلى موارد النظام.
• مراجعة الشفرة: قم بإجراء مراجعات شاملة للشفرة لتحديد الثغرات الأمنية المحتملة.
• التحديثات المنتظمة: حافظ على تحديث مجموعة أدوات ومكتبات WebAssembly الخاصة بك لمعالجة أي مشكلات أمنية معروفة.

مستقبل خيوط WebAssembly

مستقبل خيوط WebAssembly مشرق. مع نضوج نظام WebAssembly البيئي، يمكننا توقع المزيد من التطورات:

• أدوات محسنة: ستعمل الأدوات الأكثر تقدمًا وأدوات التصحيح والتنميط على تبسيط عملية التطوير.
• تكامل WASI: ستوفر WASI وصولاً أكثر توحيدًا إلى موارد النظام، مما يوسع من قدرات تطبيقات WebAssembly.
• التسريع المادي: مزيد من التكامل مع التسريع المادي، مثل وحدات معالجة الرسومات، لزيادة أداء العمليات الحسابية الثقيلة.
• دعم المزيد من اللغات: استمرار الدعم لمزيد من اللغات، مما يسمح لمزيد من المطورين بالاستفادة من خيوط WebAssembly.
• توسيع حالات الاستخدام: سيتم دمج WebAssembly على نطاق أوسع للتطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا وتوافقًا عبر المنصات.

سيستمر التطوير المستمر لخيوط WebAssembly في دفع الابتكار والأداء، وفتح أبواب جديدة للمطورين وتمكين تشغيل تطبيقات أكثر تعقيدًا بكفاءة داخل المتصفح وخارجه.

الخاتمة

توفر خيوط WebAssembly آلية قوية للمعالجة المتوازية والذاكرة المشتركة، مما يمكّن المطورين من بناء تطبيقات عالية الأداء لمختلف المنصات. من خلال فهم المبادئ وأفضل الممارسات والأدوات المرتبطة بخيوط WebAssembly، يمكن للمطورين تحسين أداء التطبيقات واستجابتها وقابليتها للتوسع بشكل كبير. مع استمرار تطور WebAssembly، من المقرر أن يلعب دورًا متزايد الأهمية في تطوير الويب والمجالات الأخرى، مما يغير الطريقة التي نبني بها البرامج وننشرها عالميًا.

تعمل هذه التقنية على تمكين قدرات متقدمة للمستخدمين في جميع أنحاء العالم - من التجارب التفاعلية في ألمانيا إلى المحاكاة القوية في الولايات المتحدة، جاء WebAssembly والخيوط لإحداث ثورة في تطوير البرمجيات.