Frontend Web Locks API: Primitiva pro synchronizaci zdrojů pro robustní aplikace

V moderním webovém vývoji často tvorba interaktivních a funkčně bohatých aplikací zahrnuje správu sdílených zdrojů a zpracování souběžných operací. Bez správných synchronizačních mechanismů mohou tyto souběžné operace vést k poškození dat, souběhovým stavům (race conditions) a neočekávanému chování aplikace. Frontend Web Locks API poskytuje výkonné řešení tím, že nabízí primitiva pro synchronizaci zdrojů přímo v prostředí prohlížeče. Tento blogový příspěvek podrobně prozkoumá Web Locks API, včetně jeho výhod, případů užití, implementace a aspektů pro tvorbu robustních a spolehlivých webových aplikací.

Úvod do Web Locks API

Web Locks API je JavaScriptové API, které umožňuje vývojářům koordinovat používání sdílených zdrojů ve webové aplikaci. Poskytuje mechanismus pro získávání a uvolňování zámků na zdrojích, čímž zajišťuje, že k určitému zdroji může v daném okamžiku přistupovat pouze jeden kus kódu. To je obzvláště užitečné ve scénářích zahrnujících více záložek prohlížeče, oken nebo workerů, které přistupují ke stejným datům nebo provádějí konfliktní operace.

Klíčové koncepty

• Zámek (Lock): Mechanismus, který uděluje exkluzivní nebo sdílený přístup ke zdroji.
• Zdroj (Resource): Jakákoli sdílená data nebo funkcionalita, která vyžaduje synchronizaci. Příklady zahrnují databáze IndexedDB, soubory uložené v souborovém systému prohlížeče nebo dokonce specifické proměnné v paměti.
• Rozsah (Scope): Kontext, ve kterém je zámek držen. Zámky mohou být omezeny na konkrétní původ (origin), jednu záložku nebo sdílený worker.
• Režim (Mode): Typ přístupu požadovaný pro zámek. Exkluzivní zámky brání jakémukoli jinému kódu v přístupu ke zdroji, zatímco sdílené zámky umožňují více čtenářům, ale vylučují zapisovatele.
• Požadavek (Request): Akt pokusu o získání zámku. Požadavky na zámek mohou být blokující (čekají, dokud není zámek k dispozici) nebo neblokující (okamžitě selžou, pokud zámek není k dispozici).

Výhody použití Web Locks API

Web Locks API nabízí několik výhod pro tvorbu robustních a spolehlivých webových aplikací:

• Integrita dat: Zabraňuje poškození dat tím, že zajišťuje, aby se souběžné operace vzájemně nerušily.
• Prevence souběhových stavů: Eliminuje souběhové stavy serializací přístupu ke sdíleným zdrojům.
• Zlepšený výkon: Optimalizuje výkon snížením soupeření o zdroje a minimalizací potřeby složité synchronizační logiky.
• Zjednodušený vývoj: Poskytuje čisté a přímočaré API pro správu přístupu ke zdrojům, čímž snižuje složitost souběžného programování.
• Koordinace napříč doménami (Cross-Origin): Umožňuje koordinaci sdílených zdrojů napříč různými původy (origins), což umožňuje komplexnější a integrovanější webové aplikace.
• Zvýšená spolehlivost: Zvyšuje celkovou spolehlivost webových aplikací tím, že zabraňuje neočekávanému chování v důsledku problémů se souběžným přístupem.

Případy užití Web Locks API

Web Locks API lze aplikovat na širokou škálu scénářů, kde je třeba pečlivě spravovat souběžný přístup ke sdíleným zdrojům.

Synchronizace IndexedDB

IndexedDB je výkonná databáze na straně klienta, která umožňuje webovým aplikacím ukládat velké množství strukturovaných dat. Když více záložek nebo workerů přistupuje ke stejné databázi IndexedDB, lze Web Locks API použít k zabránění poškození dat a zajištění jejich konzistence. Například:

            async function updateDatabase(dbName, data) {
 const lock = await navigator.locks.request(dbName, async () => {
 const db = await openDatabase(dbName);
 const transaction = db.transaction(['myStore'], 'versionchange');
 const store = transaction.objectStore('myStore');
 await store.put(data);
 await transaction.done;
 db.close();
 console.log('Database updated successfully.');
 });
 console.log('Lock released.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

V tomto příkladu metoda navigator.locks.request získá zámek na databázi IndexedDB identifikovanou pomocí dbName. Poskytnutá callback funkce se provede až po získání zámku. V rámci callbacku se otevře databáze, vytvoří se transakce a data se aktualizují. Jakmile je transakce dokončena a databáze je uzavřena, zámek se automaticky uvolní. Tím je zajištěno, že pouze jedna instance funkce updateDatabase může v daném okamžiku modifikovat databázi, což zabraňuje souběhovým stavům a poškození dat.

Příklad: Uvažujme aplikaci pro kolaborativní úpravu dokumentů, kde více uživatelů může současně upravovat stejný dokument. Web Locks API lze použít k synchronizaci přístupu k datům dokumentu uloženým v IndexedDB, čímž se zajistí, že změny provedené jedním uživatelem se správně projeví v zobrazeních ostatních uživatelů bez konfliktů.

Přístup k souborovému systému

File System Access API umožňuje webovým aplikacím přistupovat k souborům a adresářům v lokálním souborovém systému uživatele. Když více částí aplikace nebo více záložek prohlížeče interaguje se stejným souborem, lze Web Locks API použít ke koordinaci přístupu a předcházení konfliktům. Například:

            async function writeFile(fileHandle, data) {
 const lock = await navigator.locks.request(fileHandle.name, async () => {
 const writable = await fileHandle.createWritable();
 await writable.write(data);
 await writable.close();
 console.log('File written successfully.');
 });
 console.log('Lock released.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

V tomto příkladu metoda navigator.locks.request získá zámek na soubor identifikovaný pomocí fileHandle.name. Callback funkce poté vytvoří zapisovatelný proud, zapíše data do souboru a proud uzavře. Zámek se automaticky uvolní po dokončení callbacku. Tím je zajištěno, že pouze jedna instance funkce writeFile může v daném okamžiku modifikovat soubor, což zabraňuje poškození a zajišťuje integritu dat.

Příklad: Představte si webový editor obrázků, který uživatelům umožňuje ukládat a načítat obrázky z jejich lokálního souborového systému. Web Locks API lze použít k zabránění tomu, aby více instancí editoru současně zapisovalo do stejného souboru, což by mohlo vést ke ztrátě nebo poškození dat.

Koordinace Service Workerů

Service workery jsou skripty na pozadí, které mohou zachytávat síťové požadavky a poskytovat offline funkcionalitu. Když běží více service workerů paralelně nebo když service worker interaguje s hlavním vláknem, lze Web Locks API použít ke koordinaci přístupu ke sdíleným zdrojům a předcházení konfliktům. Například:

            self.addEventListener('fetch', (event) => {
 event.respondWith(async function() {
 const cache = await caches.open('my-cache');
 const lock = await navigator.locks.request('cache-update', async () => {
 const response = await fetch(event.request);
 await cache.put(event.request, response.clone());
 return response;
 });
 return lock;
 }());
});

            

              
                Copy
              
            
          

V tomto příkladu metoda navigator.locks.request získá zámek na zdroj cache-update. Callback funkce načte požadovaný zdroj ze sítě, přidá ho do mezipaměti a vrátí odpověď. Tím je zajištěno, že pouze jedna událost fetch může v daném okamžiku aktualizovat mezipaměť, což zabraňuje souběhovým stavům a zajišťuje konzistenci mezipaměti.

Příklad: Uvažujme progresivní webovou aplikaci (PWA), která používá service worker k ukládání často používaných zdrojů do mezipaměti. Web Locks API lze použít k zabránění tomu, aby více instancí service workeru současně aktualizovalo mezipaměť, čímž se zajistí, že mezipaměť zůstane konzistentní a aktuální.

Synchronizace Web Workerů

Web workery umožňují webovým aplikacím provádět výpočetně náročné úkoly na pozadí bez blokování hlavního vlákna. Když více web workerů přistupuje ke sdíleným datům nebo provádí konfliktní operace, lze Web Locks API použít ke koordinaci jejich aktivit a zabránění poškození dat. Například:

            // In the main thread:
const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage({ type: 'updateData', data: { id: 1, value: 'new value' } });

// In worker.js:
self.addEventListener('message', async (event) => {
 if (event.data.type === 'updateData') {
 const lock = await navigator.locks.request('data-update', async () => {
 // Simulate updating shared data
 console.log('Updating data in worker:', event.data.data);
 // Replace with actual data update logic
 self.postMessage({ type: 'dataUpdated', data: event.data.data });
 });
 }
});

            

              
                Copy
              
            
          

V tomto příkladu hlavní vlákno pošle zprávu web workeru, aby aktualizoval některá sdílená data. Web worker poté získá zámek na zdroj data-update před aktualizací dat. Tím je zajištěno, že pouze jeden web worker může v daném okamžiku aktualizovat data, což zabraňuje souběhovým stavům a zajišťuje integritu dat.

Příklad: Představte si webovou aplikaci, která používá více web workerů k provádění úkolů zpracování obrazu. Web Locks API lze použít k synchronizaci přístupu ke sdíleným obrazovým datům, čímž se zajistí, že se workery vzájemně neruší a že výsledný obraz je konzistentní.

Implementace Web Locks API

Použití Web Locks API je relativně jednoduché. Základní metodou je navigator.locks.request, která přijímá dva povinné parametry:

• name: Řetězec, který identifikuje zdroj k uzamčení. Může to být jakýkoli libovolný řetězec, který je pro vaši aplikaci smysluplný.
• callback: Funkce, která se provede po získání zámku. Tato funkce by měla obsahovat kód, který potřebuje přistupovat ke sdílenému zdroji.

Metoda request vrací Promise, který se vyřeší, když byl zámek získán a callback funkce byla dokončena. Zámek se automaticky uvolní, když callback funkce vrátí hodnotu nebo vyhodí chybu.

Základní použití

            async function accessSharedResource(resourceName) {
 const lock = await navigator.locks.request(resourceName, async () => {
 console.log('Accessing shared resource:', resourceName);
 // Perform operations on the shared resource
 await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 2000)); // Simulate work
 console.log('Finished accessing shared resource:', resourceName);
 });
 console.log('Lock released for:', resourceName);
}

            

              
                Copy
              
            
          

V tomto příkladu funkce accessSharedResource získá zámek na zdroj identifikovaný pomocí resourceName. Callback funkce poté provede některé operace na sdíleném zdroji, simulující práci s 2sekundovým zpožděním. Zámek se automaticky uvolní po dokončení callbacku. Záznamy v konzoli ukážou, kdy se ke zdroji přistupuje a kdy je zámek uvolněn.

Režimy zámků

Metoda navigator.locks.request také přijímá volitelný objekt s možnostmi, který vám umožňuje specifikovat režim zámku. Dostupné režimy zámků jsou:

• 'exclusive': Výchozí režim. Uděluje exkluzivní přístup ke zdroji. Žádný jiný kód nemůže získat zámek na zdroj, dokud není exkluzivní zámek uvolněn.
• 'shared': Umožňuje více čtenářům přistupovat ke zdroji současně, ale vylučuje zapisovatele. V daném okamžiku může být držen pouze jeden exkluzivní zámek.

            async function readSharedResource(resourceName) {
 const lock = await navigator.locks.request(resourceName, { mode: 'shared' }, async () => {
 console.log('Reading shared resource:', resourceName);
 // Perform read operations on the shared resource
 await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 1000)); // Simulate reading
 console.log('Finished reading shared resource:', resourceName);
 });
 console.log('Shared lock released for:', resourceName);
}

async function writeSharedResource(resourceName) {
 const lock = await navigator.locks.request(resourceName, { mode: 'exclusive' }, async () => {
 console.log('Writing to shared resource:', resourceName);
 // Perform write operations on the shared resource
 await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 2000)); // Simulate writing
 console.log('Finished writing to shared resource:', resourceName);
 });
 console.log('Exclusive lock released for:', resourceName);
}

            

              
                Copy
              
            
          

V tomto příkladu funkce readSharedResource získá sdílený zámek na zdroj, což umožňuje více čtenářům přistupovat ke zdroji souběžně. Funkce writeSharedResource získá exkluzivní zámek, což brání jakémukoli jinému kódu v přístupu ke zdroji, dokud není operace zápisu dokončena.

Neblokující požadavky

Standardně je metoda navigator.locks.request blokující, což znamená, že bude čekat, dokud nebude zámek k dispozici, než provede callback funkci. Můžete však také provádět neblokující požadavky specifikováním možnosti ifAvailable:

            async function tryAccessSharedResource(resourceName) {
 const lock = await navigator.locks.request(resourceName, { ifAvailable: true }, async () => {
 console.log('Successfully acquired lock and accessing shared resource:', resourceName);
 // Perform operations on the shared resource
 await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 1000)); // Simulate work
 console.log('Finished accessing shared resource:', resourceName);
});

 if (!lock) {
 console.log('Failed to acquire lock for:', resourceName);
 }
 console.log('Attempt to acquire lock completed.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

V tomto příkladu se funkce tryAccessSharedResource pokusí získat zámek na zdroj. Pokud je zámek okamžitě k dispozici, provede se callback funkce a Promise se vyřeší s hodnotou. Pokud zámek není k dispozici, Promise se vyřeší s hodnotou undefined, což naznačuje, že zámek nebylo možné získat. To vám umožňuje implementovat alternativní logiku, pokud je zdroj aktuálně uzamčen.

Zpracování chyb

Při používání Web Locks API je nezbytné zpracovávat potenciální chyby. Metoda navigator.locks.request může vyhodit výjimky, pokud dojde k problémům při získávání zámku. K ošetření těchto chyb můžete použít blok try...catch:

            async function accessSharedResourceWithErrorHandler(resourceName) {
 try {
 await navigator.locks.request(resourceName, async () => {
 console.log('Accessing shared resource:', resourceName);
 // Perform operations on the shared resource
 await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 2000)); // Simulate work
 console.log('Finished accessing shared resource:', resourceName);
 });
 console.log('Lock released for:', resourceName);
 } catch (error) {
 console.error('Error accessing shared resource:', error);
 // Handle the error appropriately
 }
}

            

              
                Copy
              
            
          

V tomto příkladu budou jakékoli chyby, které nastanou během získávání zámku nebo v rámci callback funkce, zachyceny blokem catch. Poté můžete chybu náležitě zpracovat, například zaznamenáním chybové zprávy nebo zobrazením chybové zprávy uživateli.

Důležité aspekty a osvědčené postupy

Při používání Web Locks API je důležité zvážit následující osvědčené postupy:

• Držte zámky krátce: Držte zámky po co nejkratší možnou dobu, abyste minimalizovali soupeření a maximalizovali výkon.
• Vyhněte se zablokování (deadlocks): Buďte opatrní při získávání více zámků, abyste se vyhnuli zablokování. Zajistěte, aby byly zámky vždy získávány ve stejném pořadí, aby se předešlo kruhovým závislostem.
• Vybírejte popisné názvy zdrojů: Používejte popisné a smysluplné názvy pro své zdroje, aby byl váš kód snadněji srozumitelný a udržovatelný.
• Zpracovávejte chyby elegantně: Implementujte správné zpracování chyb, abyste se elegantně zotavili ze selhání při získávání zámku a jiných potenciálních chyb.
• Testujte důkladně: Důkladně testujte svůj kód, abyste se ujistili, že se chová správně za podmínek souběžného přístupu.
• Zvažte alternativy: Zhodnoťte, zda je Web Locks API nejvhodnějším synchronizačním mechanismem pro váš konkrétní případ užití. V určitých situacích mohou být vhodnější jiné možnosti, jako jsou atomické operace nebo předávání zpráv.
• Monitorujte výkon: Sledujte výkon vaší aplikace, abyste identifikovali potenciální úzká hrdla související se soupeřením o zámky. Používejte vývojářské nástroje prohlížeče k analýze časů získávání zámků a identifikaci oblastí pro optimalizaci.

Podpora v prohlížečích

Web Locks API má dobrou podporu v hlavních prohlížečích, včetně Chrome, Firefox, Safari a Edge. Vždy je však dobré zkontrolovat nejnovější informace o kompatibilitě prohlížečů na zdrojích jako Can I use před implementací do produkčních aplikací. Můžete také použít detekci funkcí, abyste zkontrolovali, zda je API v aktuálním prohlížeči podporováno:

            if ('locks' in navigator) {
 console.log('Web Locks API is supported.');
 // Use the Web Locks API
} else {
 console.log('Web Locks API is not supported.');
 // Implement an alternative synchronization mechanism
}

            

              
                Copy
              
            
          

Pokročilé případy užití

Distribuované zámky

Ačkoli je Web Locks API primárně navrženo pro koordinaci přístupu ke zdrojům v rámci jednoho kontextu prohlížeče, lze jej také použít k implementaci distribuovaných zámků napříč více instancemi prohlížeče nebo dokonce napříč různými zařízeními. Toho lze dosáhnout použitím sdíleného úložného mechanismu, jako je databáze na straně serveru nebo cloudová úložná služba, ke sledování stavu zámků.

Například byste mohli ukládat informace o zámku v databázi Redis a používat Web Locks API ve spojení s API na straně serveru ke koordinaci přístupu ke sdílenému zdroji. Když klient požádá o zámek, API na straně serveru by zkontrolovalo, zda je zámek v Redis k dispozici. Pokud ano, API by zámek získalo a vrátilo klientovi úspěšnou odpověď. Klient by poté použil Web Locks API k získání lokálního zámku na zdroj. Když klient zámek uvolní, informoval by o tom API na straně serveru, které by poté uvolnilo zámek v Redis.

Zamykání založené na prioritě

V některých scénářích může být nutné upřednostnit určité požadavky na zámek před jinými. Například byste mohli chtít dát přednost požadavkům na zámek od administrativních uživatelů nebo požadavkům, které jsou klíčové pro funkčnost aplikace. Web Locks API přímo nepodporuje zamykání založené na prioritě, ale můžete si ho implementovat sami pomocí fronty pro správu požadavků na zámek.

Když je přijat požadavek na zámek, můžete jej přidat do fronty s hodnotou priority. Správce zámků by pak zpracovával frontu v pořadí priority a uděloval zámky nejprve požadavkům s nejvyšší prioritou. Toho lze dosáhnout pomocí technik, jako je datová struktura prioritní fronty nebo vlastní třídicí algoritmy.

Alternativy k Web Locks API

Ačkoli Web Locks API poskytuje výkonný mechanismus pro synchronizaci přístupu ke sdíleným zdrojům, není vždy nejlepším řešením pro každý problém. V závislosti na konkrétním případu užití mohou být vhodnější jiné synchronizační mechanismy.

• Atomické operace: Atomické operace, jako je Atomics v JavaScriptu, poskytují nízkoúrovňový mechanismus pro provádění atomických operací čtení-modifikace-zápisu na sdílené paměti. Tyto operace jsou zaručeně atomické, což znamená, že se vždy dokončí bez přerušení. Atomické operace mohou být užitečné pro synchronizaci přístupu k jednoduchým datovým strukturám, jako jsou čítače nebo příznaky.
• Předávání zpráv (Message Passing): Předávání zpráv zahrnuje posílání zpráv mezi různými částmi aplikace za účelem koordinace jejich aktivit. Toho lze dosáhnout pomocí technik, jako je postMessage nebo WebSockets. Předávání zpráv může být užitečné pro synchronizaci přístupu ke složitým datovým strukturám nebo pro koordinaci aktivit mezi různými kontexty prohlížeče.
• Mutexy a semafory: Mutexy a semafory jsou tradiční synchronizační primitiva, která se běžně používají v operačních systémech a vícevláknových programovacích prostředích. Ačkoli tato primitiva nejsou v JavaScriptu přímo dostupná, můžete si je implementovat sami pomocí technik, jako je Promise a setTimeout.

Příklady z reálného světa a případové studie

Pro ilustraci praktického použití Web Locks API se podívejme na některé příklady a případové studie z reálného světa:

• Aplikace pro kolaborativní tabuli: Aplikace pro kolaborativní tabuli umožňuje více uživatelům současně kreslit a anotovat na sdíleném plátně. Web Locks API lze použít k synchronizaci přístupu k datům plátna, čímž se zajistí, že změny provedené jedním uživatelem se správně projeví v zobrazeních ostatních uživatelů bez konfliktů.
• Online editor kódu: Online editor kódu umožňuje více uživatelům kolaborativně upravovat stejný soubor s kódem. Web Locks API lze použít k synchronizaci přístupu k datům souboru s kódem, což zabraňuje tomu, aby více uživatelů současně provádělo konfliktní změny.
• E-commerce platforma: E-commerce platforma umožňuje více uživatelům současně procházet a nakupovat produkty. Web Locks API lze použít k synchronizaci přístupu k datům o zásobách, čímž se zajistí, že produkty nebudou pře-prodány a že počet zásob zůstane přesný.
• Systém pro správu obsahu (CMS): CMS umožňuje více autorům současně vytvářet a upravovat obsah. Web Locks API lze použít k synchronizaci přístupu k datům obsahu, což zabraňuje tomu, aby více autorů současně provádělo konfliktní změny ve stejném článku nebo na stejné stránce.

Závěr

Frontend Web Locks API poskytuje cenný nástroj pro tvorbu robustních a spolehlivých webových aplikací, které efektivně zpracovávají souběžné operace. Tím, že nabízí primitiva pro synchronizaci zdrojů přímo v prostředí prohlížeče, zjednodušuje vývojový proces a snižuje riziko poškození dat, souběhových stavů a neočekávaného chování. Ať už vytváříte kolaborativní aplikaci, nástroj založený na souborovém systému nebo komplexní PWA, Web Locks API vám může pomoci zajistit integritu dat a zlepšit celkový uživatelský zážitek. Pochopení jeho schopností a osvědčených postupů je klíčové pro moderní webové vývojáře, kteří se snaží vytvářet vysoce kvalitní a odolné aplikace.