Web Locks API: Synchronizace zdrojů a řízení souběžného přístupu

V moderním světě webového vývoje zahrnuje tvorba robustních a responzivních aplikací často správu sdílených zdrojů a zpracování souběžného přístupu. Když se více částí vaší aplikace, nebo dokonce více karet či oken prohlížeče, pokusí současně přistupovat a upravovat stejná data, mohou nastat souběhy (race conditions) a poškození dat. Web Locks API poskytuje mechanismus pro synchronizaci přístupu k těmto zdrojům, čímž zajišťuje integritu dat a zabraňuje neočekávanému chování.

Pochopení potřeby synchronizace zdrojů

Představte si scénář, kdy uživatel upravuje dokument ve webové aplikaci. Může mít otevřeno několik karet prohlížeče se stejným dokumentem, nebo aplikace může mít procesy na pozadí, které dokument periodicky ukládají. Bez řádné synchronizace by změny provedené v jedné kartě mohly být přepsány změnami provedenými v jiné, což by vedlo ke ztrátě dat a frustrujícímu uživatelskému zážitku. Podobně v e-commerce aplikacích se může více uživatelů pokusit současně zakoupit poslední položku na skladě. Bez mechanismu, který by zabránil přeprodeji, by mohly být zadány objednávky, které nelze splnit, což by vedlo k nespokojenosti zákazníků.

Tradiční přístupy ke správě souběžnosti, jako je spoléhání se pouze na zamykací mechanismy na straně serveru, mohou přinést značnou latenci a složitost. Web Locks API poskytuje řešení na straně klienta, které vývojářům umožňuje koordinovat přístup ke zdrojům přímo v prohlížeči, čímž se zlepšuje výkon a snižuje zátěž serveru.

Představení Web Locks API

Web Locks API je JavaScriptové API, které vám umožňuje získávat a uvolňovat zámky na pojmenovaných zdrojích v rámci webové aplikace. Tyto zámky jsou exkluzivní, což znamená, že v daném okamžiku může zámek na konkrétním zdroji držet pouze jeden kus kódu. Tato exkluzivita zajišťuje, že kritické sekce kódu, které přistupují ke sdíleným datům a upravují je, jsou prováděny kontrolovaným a předvídatelným způsobem.

API je navrženo jako asynchronní a používá Promises k oznámení, kdy byl zámek získán nebo uvolněn. Tato neblokující povaha zabraňuje zamrznutí uživatelského rozhraní při čekání na zámek, což zajišťuje responzivní uživatelský zážitek.

Klíčové koncepty a terminologie

• Název zámku (Lock Name): Řetězec, který identifikuje zdroj chráněný zámkem. Tento název se používá k získání a uvolnění zámků na stejném zdroji. Název zámku rozlišuje velikost písmen.
• Režim zámku (Lock Mode): Specifikuje typ požadovaného zámku. API podporuje dva režimy:
• `exclusive` (výchozí): Povoluje pouze jednoho držitele zámku v daném čase.
• `shared`: Umožňuje více držitelů zámku současně za předpokladu, že žádný jiný držitel nemá exkluzivní zámek na stejném zdroji.
• Požadavek na zámek (Lock Request): Asynchronní operace, která se pokouší získat zámek. Požadavek se vyřeší (resolve), když je zámek úspěšně získán, nebo se zamítne (reject), pokud zámek nelze získat (např. protože jiný kus kódu již drží exkluzivní zámek).
• Uvolnění zámku (Lock Release): Operace, která uvolní zámek a zpřístupní ho pro získání jiným kódem.

Použití Web Locks API: Praktické příklady

Pojďme se podívat na několik praktických příkladů, jak lze Web Locks API použít k synchronizaci přístupu ke zdrojům ve webových aplikacích.

Příklad 1: Zabránění souběžným úpravám dokumentu

Představte si aplikaci pro kolaborativní úpravu dokumentů, kde může více uživatelů současně upravovat stejný dokument. Abychom předešli konfliktům, můžeme použít Web Locks API k zajištění, že v daném okamžiku může dokument upravovat pouze jeden uživatel.

async function saveDocument(documentId, content) {
  try {
    await navigator.locks.request(documentId, async () => {
      // Kritická sekce: Uložení obsahu dokumentu na server
      console.log(`Zámek pro dokument ${documentId} získán. Ukládání...`);
      await saveToServer(documentId, content);
      console.log(`Dokument ${documentId} úspěšně uložen.`);
    });
  } catch (error) {
    console.error(`Uložení dokumentu ${documentId} selhalo:`, error);
  }
}

async function saveToServer(documentId, content) {
  // Simulace uložení na server (nahraďte skutečným voláním API)
  return new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 1000));
}

V tomto příkladu se funkce `saveDocument` pokouší získat zámek na dokument pomocí ID dokumentu jako názvu zámku. Metoda `navigator.locks.request` přijímá dva argumenty: název zámku a callback funkci. Callback funkce se provede až po úspěšném získání zámku. Uvnitř callbacku se obsah dokumentu uloží na server. Po dokončení callback funkce se zámek automaticky uvolní. Pokud se jiná instance funkce pokusí spustit se stejným `documentId`, počká, dokud se zámek neuvolní. Pokud dojde k chybě, je zachycena a zaznamenána.

Příklad 2: Řízení přístupu k Local Storage

Local Storage je běžný mechanismus pro ukládání dat v prohlížeči. Pokud se však více částí vaší aplikace pokusí současně přistupovat a upravovat Local Storage, může dojít k poškození dat. Web Locks API lze použít k synchronizaci přístupu k Local Storage a zajištění integrity dat.

async function updateLocalStorage(key, value) {
  try {
    await navigator.locks.request('localStorage', async () => {
      // Kritická sekce: Aktualizace Local Storage
      console.log(`Zámek pro localStorage získán. Aktualizace klíče ${key}...`);
      localStorage.setItem(key, value);
      console.log(`Klíč ${key} aktualizován v localStorage.`);
    });
  } catch (error) {
    console.error(`Aktualizace localStorage selhala:`, error);
  }
}

V tomto příkladu se funkce `updateLocalStorage` pokouší získat zámek na zdroj 'localStorage'. Callback funkce poté aktualizuje zadaný klíč v Local Storage. Zámek zajišťuje, že k Local Storage může přistupovat vždy jen jeden kus kódu, čímž se předchází souběhům.

Příklad 3: Správa sdílených zdrojů ve Web Workerech

Web Workers vám umožňují spouštět JavaScriptový kód na pozadí, aniž by blokovaly hlavní vlákno. Pokud však Web Worker potřebuje přistupovat ke sdíleným zdrojům s hlavním vláknem nebo jinými Web Workery, je synchronizace nezbytná. K koordinaci přístupu k těmto zdrojům lze použít Web Locks API.

Nejprve ve vašem hlavním vlákně:

async function mainThreadFunction() {
    try {
        await navigator.locks.request('sharedResource', async () => {
            console.log('Hlavní vlákno získalo zámek na sharedResource');
            // Přístup a úprava sdíleného zdroje
            await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 2000)); // Simulace práce
            console.log('Hlavní vlákno uvolňuje zámek na sharedResource');
        });
    } catch (error) {
        console.error('Hlavní vlákno selhalo při získávání zámku:', error);
    }
}

mainThreadFunction();

A poté ve vašem Web Workeru:

self.addEventListener('message', async (event) => {
    if (event.data.type === 'accessSharedResource') {
        try {
            await navigator.locks.request('sharedResource', async () => {
                console.log('Web Worker získal zámek na sharedResource');
                // Přístup a úprava sdíleného zdroje
                await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 3000)); // Simulace práce
                console.log('Web Worker uvolňuje zámek na sharedResource');
                self.postMessage({ type: 'sharedResourceAccessed', success: true });
            });
        } catch (error) {
            console.error('Web Worker selhal při získávání zámku:', error);
            self.postMessage({ type: 'sharedResourceAccessed', success: false, error: error.message });
        }
    }
});

V tomto příkladu se hlavní vlákno i Web Worker pokoušejí získat zámek na `sharedResource`. Objekt `navigator.locks` je k dispozici i ve Web Workerech, což jim umožňuje účastnit se stejného zamykacího mechanismu jako hlavní vlákno. Pro komunikaci mezi hlavním vláknem a workerem se používají zprávy, které spouštějí pokus o získání zámku.

Režimy zámků: Exkluzivní vs. Sdílený

Web Locks API podporuje dva režimy zámků: `exclusive` (exkluzivní) a `shared` (sdílený). Volba režimu zámku závisí na konkrétních požadavcích vaší aplikace.

Exkluzivní zámky

Exkluzivní zámek poskytuje výhradní přístup ke zdroji. V daném okamžiku může exkluzivní zámek na konkrétním zdroji držet pouze jeden kus kódu. Tento režim je vhodný pro scénáře, kdy by měl zdroj v jeden okamžik upravovat pouze jeden proces. Například zápis dat do souboru, aktualizace záznamu v databázi nebo úprava stavu komponenty UI.

Všechny výše uvedené příklady používaly ve výchozím nastavení exkluzivní zámky. Nemusíte specifikovat režim, protože `exclusive` je výchozí.

Sdílené zámky

Sdílený zámek umožňuje více kusům kódu držet zámek na zdroji současně za předpokladu, že žádný jiný kód nedrží exkluzivní zámek na stejném zdroji. Tento režim je vhodný pro scénáře, kdy více procesů potřebuje souběžně číst zdroj, ale žádný proces ho nemusí upravovat. Například čtení dat ze souboru, dotazování databáze nebo vykreslování komponenty UI.

Chcete-li požádat o sdílený zámek, musíte v metodě `navigator.locks.request` specifikovat volbu `mode`.

async function readData(resourceId) {
  try {
    await navigator.locks.request(resourceId, { mode: 'shared' }, async () => {
      // Kritická sekce: Čtení dat ze zdroje
      console.log(`Sdílený zámek pro zdroj ${resourceId} získán. Čtení...`);
      const data = await readFromResource(resourceId);
      console.log(`Data přečtena ze zdroje ${resourceId}:`, data);
      return data;
    });
  } catch (error) {
    console.error(`Čtení dat ze zdroje ${resourceId} selhalo:`, error);
  }
}

async function readFromResource(resourceId) {
  // Simulace čtení ze zdroje (nahraďte skutečným voláním API)
  return new Promise(resolve => setTimeout(() => resolve({ value: 'Some data' }), 500));
}

V tomto příkladu funkce `readData` žádá o sdílený zámek na zadaném zdroji. Více instancí této funkce může být spuštěno souběžně, pokud žádný jiný kód nedrží exkluzivní zámek na stejném zdroji.

Úvahy pro globální aplikace

Při vývoji webových aplikací pro globální publikum je klíčové zvážit dopady synchronizace zdrojů a řízení souběžného přístupu v různých prostředích.

• Latence sítě: Vysoká latence sítě může zhoršit dopad problémů se souběžností. Zamykací mechanismy na straně serveru mohou způsobit značné zpoždění, což vede ke špatnému uživatelskému zážitku. Web Locks API může pomoci toto zmírnit poskytnutím řešení na straně klienta pro synchronizaci přístupu ke zdrojům.
• Časová pásma: Při práci s časově citlivými daty, jako je plánování událostí nebo zpracování transakcí, je nezbytné brát v úvahu různá časová pásma. Správné synchronizační mechanismy mohou pomoci předejít konfliktům a zajistit konzistenci dat napříč geograficky rozptýlenými systémy.
• Kulturní rozdíly: Různé kultury mohou mít různá očekávání ohledně přístupu k datům a jejich úprav. Některé kultury například mohou upřednostňovat spolupráci v reálném čase, zatímco jiné mohou preferovat asynchronnější přístup. Je důležité navrhnout vaši aplikaci tak, aby vyhovovala těmto rozmanitým potřebám.
• Jazyk a lokalizace: Samotné Web Locks API se přímo netýká jazyka nebo lokalizace. Synchronizované zdroje však mohou obsahovat lokalizovaný obsah. Ujistěte se, že vaše synchronizační mechanismy jsou kompatibilní s vaší lokalizační strategií.

Osvědčené postupy pro používání Web Locks API

• Udržujte kritické sekce krátké: Čím déle je zámek držen, tím větší je potenciál pro soupeření o zdroje a zpoždění. Udržujte kritické sekce kódu, které přistupují ke sdíleným datům a upravují je, co nejkratší.
• Vyhněte se zablokování (deadlocks): K zablokování dochází, když jsou dva nebo více kusů kódu zablokovány na neurčito a čekají na sebe, až uvolní zámky. Abyste se vyhnuli zablokování, zajistěte, aby byly zámky vždy získávány a uvolňovány v konzistentním pořadí.
• Zpracovávejte chyby elegantně: Metoda `navigator.locks.request` se může zamítnout (reject), pokud zámek nelze získat. Zpracovávejte tyto chyby elegantně a poskytněte uživateli informativní zpětnou vazbu.
• Používejte smysluplné názvy zámků: Vybírejte názvy zámků, které jasně identifikují chráněné zdroje. To usnadní porozumění a údržbu vašeho kódu.
• Zvažte rozsah zámku: Určete vhodný rozsah pro vaše zámky. Měl by být zámek globální (napříč všemi kartami a okny prohlížeče), nebo by měl být omezen na konkrétní kartu či okno? Web Locks API vám umožňuje řídit rozsah vašich zámků.
• Důkladně testujte: Důkladně testujte svůj kód, abyste se ujistili, že správně zvládá souběžnost a předchází souběhům. Používejte nástroje pro testování souběžnosti k simulaci více uživatelů, kteří současně přistupují ke sdíleným zdrojům a upravují je.

Omezení Web Locks API

Ačkoli Web Locks API poskytuje mocný mechanismus pro synchronizaci přístupu ke zdrojům ve webových aplikacích, je důležité si být vědom jeho omezení.

• Podpora prohlížečů: Web Locks API není podporováno všemi prohlížeči. Před použitím API ve vašem produkčním kódu zkontrolujte kompatibilitu prohlížečů. Mohou být k dispozici polyfilly pro zajištění podpory ve starších prohlížečích.
• Perzistence: Zámky nejsou perzistentní napříč relacemi prohlížeče. Když je prohlížeč zavřen nebo obnoven, všechny zámky jsou uvolněny.
• Žádné distribuované zámky: Web Locks API poskytuje synchronizaci pouze v rámci jedné instance prohlížeče. Neposkytuje mechanismus pro synchronizaci přístupu ke zdrojům napříč více stroji nebo servery. Pro distribuované zamykání se budete muset spolehnout na zamykací mechanismy na straně serveru.
• Kooperativní zamykání: Web Locks API se spoléhá na kooperativní zamykání. Je na vývojářích, aby zajistili, že kód, který přistupuje ke sdíleným zdrojům, dodržuje protokol zamykání. API nemůže zabránit kódu v přístupu ke zdrojům bez předchozího získání zámku.

Alternativy k Web Locks API

Ačkoli Web Locks API nabízí cenný nástroj pro synchronizaci zdrojů, existuje několik alternativních přístupů, každý s vlastními silnými a slabými stránkami.

• Zamykání na straně serveru: Implementace zamykacích mechanismů na serveru je tradiční přístup ke správě souběžnosti. To zahrnuje použití databázových transakcí, optimistického nebo pesimistického zamykání k ochraně sdílených zdrojů. Zamykání na straně serveru poskytuje robustnější a spolehlivější řešení pro distribuovanou souběžnost, ale může přinést latenci a zvýšit zátěž serveru.
• Atomické operace: Některé datové struktury a API poskytují atomické operace, které zaručují, že sekvence operací je provedena jako jedna, nedělitelná jednotka. To může být užitečné pro synchronizaci přístupu k jednoduchým datovým strukturám bez nutnosti explicitních zámků.
• Předávání zpráv: Místo sdílení měnitelného stavu zvažte použití předávání zpráv pro komunikaci mezi různými částmi vaší aplikace. Tento přístup může zjednodušit správu souběžnosti eliminací potřeby sdílených zámků.
• Neměnnost (Immutability): Použití neměnných datových struktur může také zjednodušit správu souběžnosti. Neměnná data nelze po vytvoření upravit, což eliminuje možnost souběhů.

Závěr

Web Locks API je cenným nástrojem pro synchronizaci přístupu ke zdrojům a správu souběžného přístupu ve webových aplikacích. Poskytnutím zamykacího mechanismu na straně klienta může API zlepšit výkon, zabránit poškození dat a vylepšit uživatelský zážitek. Je však důležité rozumět omezením API a používat jej vhodně. Před implementací Web Locks API zvažte specifické požadavky vaší aplikace, kompatibilitu prohlížečů a potenciál pro zablokování.

Dodržováním osvědčených postupů uvedených v tomto průvodci můžete využít Web Locks API k tvorbě robustních a responzivních webových aplikací, které elegantně zvládají souběžnost a zajišťují integritu dat v rozmanitých globálních prostředích.