JavaScript SharedArrayBuffer и Atomics: Постигане на операции, безопасни за нишки

JavaScript, традиционно известен като еднонишково език, еволюира, за да приеме едновременност чрез Web Workers. Въпреки това, истинската едновременност със споделена памет исторически липсваше, ограничавайки потенциала за високопроизводителни паралелни изчисления в браузъра. С въвеждането на SharedArrayBuffer и Atomics, JavaScript вече предоставя механизми за управление на споделена памет и синхронизиране на достъпа в множество нишки, отваряйки нови възможности за критични за производителността приложения.

Разбиране на нуждата от споделена памет и Atomics

Преди да се потопите в спецификата, от съществено значение е да разберете защо споделената памет и атомните операции са от съществено значение за определени видове приложения. Представете си сложно приложение за обработка на изображения, работещо в браузъра. Без споделена памет, предаването на големи данни за изображения между Web Workers става скъпа операция, включваща сериализация и десериализация (копиране на цялата структура от данни). Тази режия може значително да повлияе на производителността.

Споделената памет позволява на Web Workers директно да имат достъп и да променят същото пространство на паметта, елиминирайки необходимостта от копиране на данни. Въпреки това, едновременният достъп до споделена памет въвежда риска от състезателни условия – ситуации, в които множество нишки се опитват да четат или записват в едно и също местоположение в паметта едновременно, което води до непредсказуеми и потенциално неправилни резултати. Тук на помощ идват Atomics.

Какво е SharedArrayBuffer?

SharedArrayBuffer е JavaScript обект, който представлява суров блок от памет, подобен на ArrayBuffer, но с решаваща разлика: той може да бъде споделен между различни контексти на изпълнение, като Web Workers. Това споделяне се постига чрез прехвърляне на SharedArrayBuffer обект към един или повече Web Workers. Веднъж споделени, всички работници могат да имат достъп и да променят основната памет директно.

Пример: Създаване и споделяне на SharedArrayBuffer

Първо, създайте SharedArrayBuffer в основната нишка:

const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024); // 1KB buffer

След това създайте Web Worker и прехвърлете буфера:

const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage(sharedBuffer);

Във файла worker.js, достъп до буфера:

self.onmessage = function(event) {
  const sharedBuffer = event.data; // Received SharedArrayBuffer
  const uint8Array = new Uint8Array(sharedBuffer); // Create a typed array view
  // Now you can read/write to uint8Array, which modifies the shared memory
  uint8Array[0] = 42; // Example: Write to the first byte
};

Важни съображения:

• Typed Arrays: Докато SharedArrayBuffer представлява сурова памет, обикновено взаимодействате с нея, използвайки типизирани масиви (напр. Uint8Array, Int32Array, Float64Array). Типизираните масиви предоставят структуриран изглед на основната памет, което ви позволява да четете и записвате конкретни типове данни.
• Сигурност: Споделянето на памет въвежда проблеми със сигурността. Уверете се, че вашият код правилно проверява данните, получени от Web Workers, и предотвратява злонамерени лица да се възползват от уязвимостите в споделената памет. Използването на заглавките Cross-Origin-Opener-Policy и Cross-Origin-Embedder-Policy е от решаващо значение за смекчаване на уязвимостите на Spectre и Meltdown. Тези заглавки изолират вашия произход от други източници, като им пречат да имат достъп до паметта на вашия процес.

Какво са Atomics?

Atomics е статичен клас в JavaScript, който предоставя атомни операции за извършване на операции за четене-промяна-запис върху споделени местоположения в паметта. Атомните операции гарантирано са неделими; те се изпълняват като една, непрекъсваема стъпка. Това гарантира, че никоя друга нишка не може да се намеси в операцията, докато тя е в ход, предотвратявайки състезателни условия.

Основни атомни операции:

• Atomics.load(typedArray, index): Атомно чете стойност от указания индекс в типизирания масив.
• Atomics.store(typedArray, index, value): Атомно записва стойност в указания индекс в типизирания масив.
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue): Атомно сравнява стойността в указания индекс с expectedValue. Ако са равни, стойността се заменя с replacementValue. Връща оригиналната стойност в индекса.
• Atomics.add(typedArray, index, value): Атомно добавя value към стойността в указания индекс и връща новата стойност.
• Atomics.sub(typedArray, index, value): Атомно изважда value от стойността в указания индекс и връща новата стойност.
• Atomics.and(typedArray, index, value): Атомно извършва побитова AND операция върху стойността в указания индекс с value и връща новата стойност.
• Atomics.or(typedArray, index, value): Атомно извършва побитова OR операция върху стойността в указания индекс с value и връща новата стойност.
• Atomics.xor(typedArray, index, value): Атомно извършва побитова XOR операция върху стойността в указания индекс с value и връща новата стойност.
• Atomics.exchange(typedArray, index, value): Атомно замества стойността в указания индекс с value и връща старата стойност.
• Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout): Блокира текущата нишка, докато стойността в указания индекс не се различава от value или докато не изтече времето за изчакване. Това е част от механизма за изчакване/уведомяване.
• Atomics.notify(typedArray, index, count): Събужда count брой чакащи нишки на указания индекс.

Практически примери и случаи на употреба

Нека проучим някои практически примери, за да илюстрираме как SharedArrayBuffer и Atomics могат да бъдат използвани за решаване на проблеми от реалния свят:

1. Паралелни изчисления: Обработка на изображения

Представете си, че трябва да приложите филтър към голямо изображение в браузъра. Можете да разделите изображението на части и да възложите всяка част на различен Web Worker за обработка. Използвайки SharedArrayBuffer, цялото изображение може да бъде съхранено в споделена памет, елиминирайки необходимостта от копиране на данни за изображение между работниците.

Схема на изпълнение:

1. Заредете данните за изображението в SharedArrayBuffer.
2. Разделете изображението на правоъгълни области.
3. Създайте пул от Web Workers.
4. Възложете всяка област на работник за обработка. Предайте координатите и размерите на областта на работника.
5. Всеки работник прилага филтъра към присвоената му област в споделения SharedArrayBuffer.
6. След като всички работници приключат, обработеното изображение е налично в споделената памет.

Синхронизация с Atomics:

За да се уверите, че основната нишка знае кога всички работници са завършили обработката на своите области, можете да използвате атомен брояч. Всеки работник, след като завърши задачата си, атомно увеличава брояча. Основната нишка периодично проверява брояча, използвайки Atomics.load. Когато броячът достигне очакваната стойност (равна на броя области), основната нишка знае, че цялата обработка на изображението е завършена.

// In the main thread:
const numRegions = 4; // Example: Divide the image into 4 regions
const completedRegions = new Int32Array(sharedBuffer, offset, 1); // Atomic counter
Atomics.store(completedRegions, 0, 0); // Initialize counter to 0

// In each worker:
// ... process the region ...
Atomics.add(completedRegions, 0, 1); // Increment the counter

// In the main thread (periodically check):
let count = Atomics.load(completedRegions, 0);
if (count === numRegions) {
  // All regions processed
  console.log('Image processing complete!');
}

2. Едновременни структури от данни: Изграждане на опашка без заключване

SharedArrayBuffer и Atomics могат да се използват за внедряване на структури от данни без заключване, като опашки. Структурите от данни без заключване позволяват на множество нишки да имат достъп и да променят структурата от данни едновременно, без режията на традиционните ключалки.

Предизвикателства на опашките без заключване:

• Състезателни условия: Едновременният достъп до указателите за глава и опашка на опашката може да доведе до състезателни условия.
• Управление на паметта: Осигурете правилно управление на паметта и избягвайте изтичане на памет, когато поставяте и извличате елементи.

Атомни операции за синхронизация:

Атомните операции се използват за гарантиране, че указателите за глава и опашка се актуализират атомно, предотвратявайки състезателни условия. Например, Atomics.compareExchange може да се използва за атомно актуализиране на указателя за опашката при поставяне на елемент.

3. Високопроизводителни числени изчисления

Приложенията, включващи интензивни числени изчисления, като научни симулации или финансово моделиране, могат да се възползват значително от паралелната обработка, използвайки SharedArrayBuffer и Atomics. Големи масиви от числени данни могат да бъдат съхранени в споделена памет и обработени едновременно от множество работници.

Общи клопки и най-добри практики

Докато SharedArrayBuffer и Atomics предлагат мощни възможности, те също въвеждат сложности, които изискват внимателно обмисляне. Ето някои общи клопки и най-добри практики, които трябва да следвате:

• Състезания с данни: Винаги използвайте атомни операции, за да защитите споделените местоположения в паметта от състезания с данни. Внимателно анализирайте кода си, за да идентифицирате потенциални състезателни условия и да гарантирате, че всички споделени данни са правилно синхронизирани.
• Фалшиво споделяне: Фалшивото споделяне възниква, когато множество нишки имат достъп до различни местоположения в паметта в рамките на една и съща кеш линия. Това може да доведе до влошаване на производителността, тъй като кеш линията постоянно се анулира и презарежда между нишките. За да избегнете фалшиво споделяне, запълнете споделените структури от данни, за да гарантирате, че всяка нишка има достъп до собствената си кеш линия.
• Подреждане на паметта: Разберете гаранциите за подреждане на паметта, предоставени от атомните операции. Моделът на паметта на JavaScript е сравнително спокоен, така че може да се наложи да използвате бариери за паметта (огради), за да гарантирате, че операциите се изпълняват в желаната последователност. Въпреки това, Atomics на JavaScript вече осигуряват последователно съгласувано подреждане, което опростява разсъжденията за едновременност.
• Режия на производителност: Атомните операции могат да имат режимни разходи за производителност в сравнение с неатомните операции. Използвайте ги разумно само когато е необходимо за защита на споделените данни. Обмислете компромиса между едновременността и режийните разходи за синхронизация.
• Отстраняване на грешки: Отстраняването на грешки в едновременния код може да бъде предизвикателство. Използвайте инструменти за регистриране и отстраняване на грешки, за да идентифицирате състезателни условия и други проблеми с едновременността. Обмислете използването на специализирани инструменти за отстраняване на грешки, предназначени за едновременно програмиране.
• Последици за сигурността: Имайте предвид последиците за сигурността от споделянето на памет между нишките. Правилно почиствайте и проверявайте всички входни данни, за да предотвратите злонамерения код да се възползва от уязвимостите в споделената памет. Уверете се, че са зададени подходящи заглавки Cross-Origin-Opener-Policy и Cross-Origin-Embedder-Policy.
• Използвайте библиотека: Помислете за използване на съществуващи библиотеки, които предоставят абстракции от по-високо ниво за едновременно програмиране. Тези библиотеки могат да ви помогнат да избегнете общи клопки и да опростите разработването на едновременни приложения. Примерите включват библиотеки, които предоставят структури от данни без заключване или механизми за планиране на задачи.

Алтернативи на SharedArrayBuffer и Atomics

Докато SharedArrayBuffer и Atomics са мощни инструменти, те не винаги са най-доброто решение за всеки проблем. Ето някои алтернативи, които трябва да обмислите:

• Предаване на съобщения: Използвайте postMessage за изпращане на данни между Web Workers. Този подход избягва споделената памет и елиминира риска от състезателни условия. Въпреки това, той включва копиране на данни, което може да бъде неефективно за големи структури от данни.
• WebAssembly нишки: WebAssembly поддържа нишки и споделена памет, осигурявайки алтернатива на по-ниско ниво на SharedArrayBuffer и Atomics. WebAssembly ви позволява да пишете високопроизводителен едновременен код, използвайки езици като C++ или Rust.
• Прехвърляне на сървъра: За изчислително интензивни задачи помислете за прехвърляне на работата към сървър. Това може да освободи ресурсите на браузъра и да подобри потребителското изживяване.

Поддръжка на браузъра и наличност

SharedArrayBuffer и Atomics са широко поддържани в съвременните браузъри, включително Chrome, Firefox, Safari и Edge. Въпреки това, от съществено значение е да проверите таблицата за съвместимост на браузъра, за да се уверите, че целевите ви браузъри поддържат тези функции. Освен това трябва да бъдат конфигурирани правилните HTTP заглавки по съображения за сигурност (COOP/COEP). Ако липсват необходимите заглавки, SharedArrayBuffer може да бъде деактивиран от браузъра.

Заключение

SharedArrayBuffer и Atomics представляват значителен напредък в възможностите на JavaScript, позволявайки на разработчиците да изграждат високопроизводителни едновременни приложения, които преди това бяха невъзможни. Като разбирате концепциите за споделена памет, атомни операции и потенциалните клопки на едновременното програмиране, можете да използвате тези функции, за да създадете иновативни и ефективни уеб приложения. Въпреки това, бъдете внимателни, отдайте приоритет на сигурността и внимателно обмислете компромисите, преди да приемете SharedArrayBuffer и Atomics във вашите проекти. Тъй като уеб платформата продължава да се развива, тези технологии ще играят все по-важна роля в премахването на границите на възможното в браузъра. Преди да ги използвате, уверете се, че сте се справили с проблемите със сигурността, които могат да предизвикат, предимно чрез правилни COOP/COEP конфигурации на заглавките.