Web Locks API: Ressourcensynchronisation und Steuerung des konkurrierenden Zugriffs

In der modernen Webentwicklungslandschaft gehört die Verwaltung geteilter Ressourcen und die Handhabung konkurrierender Zugriffe oft zum Aufbau robuster und reaktionsschneller Anwendungen. Wenn mehrere Teile Ihrer Anwendung oder sogar mehrere Browser-Tabs oder -Fenster versuchen, gleichzeitig auf dieselben Daten zuzugreifen und diese zu ändern, können Race Conditions und Datenkorruption auftreten. Die Web Locks API bietet einen Mechanismus zur Synchronisierung des Zugriffs auf diese Ressourcen, um die Datenintegrität zu gewährleisten und unerwartetes Verhalten zu verhindern.

Die Notwendigkeit der Ressourcensynchronisation verstehen

Stellen Sie sich ein Szenario vor, in dem ein Benutzer ein Dokument in einer Webanwendung bearbeitet. Möglicherweise sind mehrere Browser-Tabs mit demselben Dokument geöffnet, oder die Anwendung verfügt über Hintergrundprozesse, die das Dokument regelmäßig speichern. Ohne eine ordnungsgemäße Synchronisierung könnten in einem Tab vorgenommene Änderungen durch Änderungen in einem anderen überschrieben werden, was zu Datenverlust und einer frustrierenden Benutzererfahrung führt. In E-Commerce-Anwendungen könnten ebenfalls mehrere Benutzer gleichzeitig versuchen, den letzten verfügbaren Artikel zu kaufen. Ohne einen Mechanismus, der einen Überverkauf verhindert, könnten Bestellungen aufgegeben werden, die nicht erfüllt werden können, was zu Unzufriedenheit bei den Kunden führt.

Traditionelle Ansätze zur Verwaltung der Nebenläufigkeit, wie das alleinige Verlassen auf serverseitige Sperrmechanismen, können erhebliche Latenz und Komplexität mit sich bringen. Die Web Locks API bietet eine clientseitige Lösung, die es Entwicklern ermöglicht, den Zugriff auf Ressourcen direkt im Browser zu koordinieren, was die Leistung verbessert und die Serverlast reduziert.

Einführung in die Web Locks API

Die Web Locks API ist eine JavaScript-API, mit der Sie Sperren für benannte Ressourcen innerhalb einer Webanwendung erwerben und freigeben können. Diese Sperren sind exklusiv, was bedeutet, dass nur ein Code-Teil zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Sperre für eine bestimmte Ressource halten kann. Diese Exklusivität stellt sicher, dass kritische Code-Abschnitte, die auf geteilte Daten zugreifen und diese ändern, kontrolliert und vorhersagbar ausgeführt werden.

Die API ist asynchron konzipiert und verwendet Promises, um zu benachrichtigen, wenn eine Sperre erworben oder freigegeben wurde. Diese nicht-blockierende Natur verhindert, dass die Benutzeroberfläche einfriert, während auf eine Sperre gewartet wird, und gewährleistet so eine reaktionsschnelle Benutzererfahrung.

Schlüsselkonzepte und Terminologie

• Sperrenname (Lock Name): Eine Zeichenkette, die die durch die Sperre geschützte Ressource identifiziert. Dieser Name wird verwendet, um Sperren für dieselbe Ressource zu erwerben und freizugeben. Der Sperrenname ist case-sensitive (Groß-/Kleinschreibung wird beachtet).
• Sperrmodus (Lock Mode): Gibt den Typ der angeforderten Sperre an. Die API unterstützt zwei Modi:
• `exclusive` (Standard): Nur ein Inhaber der Sperre ist gleichzeitig erlaubt.
• `shared`: Erlaubt mehrere Inhaber der Sperre gleichzeitig, vorausgesetzt, kein anderer Inhaber hat eine exklusive Sperre für dieselbe Ressource.
• Sperranforderung (Lock Request): Eine asynchrone Operation, die versucht, eine Sperre zu erwerben. Die Anforderung wird aufgelöst, wenn die Sperre erfolgreich erworben wurde, oder abgewiesen, wenn die Sperre nicht erworben werden kann (z. B. weil ein anderer Code-Teil bereits eine exklusive Sperre hält).
• Sperrfreigabe (Lock Release): Eine Operation, die eine Sperre freigibt und sie für anderen Code zum Erwerb verfügbar macht.

Verwendung der Web Locks API: Praktische Beispiele

Lassen Sie uns einige praktische Beispiele untersuchen, wie die Web Locks API zur Synchronisierung des Zugriffs auf Ressourcen in Webanwendungen verwendet werden kann.

Beispiel 1: Gleichzeitige Dokumentenbearbeitungen verhindern

Stellen Sie sich eine kollaborative Anwendung zur Dokumentenbearbeitung vor, in der mehrere Benutzer gleichzeitig dasselbe Dokument bearbeiten können. Um Konflikte zu vermeiden, können wir die Web Locks API verwenden, um sicherzustellen, dass nur ein Benutzer das Dokument zu einem bestimmten Zeitpunkt ändern kann.

async function saveDocument(documentId, content) {
  try {
    await navigator.locks.request(documentId, async () => {
      // Kritischer Abschnitt: Speichern des Dokumenteninhalts auf dem Server
      console.log(`Sperre für Dokument ${documentId} erworben. Speichern...`);
      await saveToServer(documentId, content);
      console.log(`Dokument ${documentId} erfolgreich gespeichert.`);
    });
  } catch (error) {
    console.error(`Speichern von Dokument ${documentId} fehlgeschlagen:`, error);
  }
}

async function saveToServer(documentId, content) {
  // Simuliert das Speichern auf einem Server (durch echten API-Aufruf ersetzen)
  return new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 1000));
}

In diesem Beispiel versucht die Funktion `saveDocument`, eine Sperre für das Dokument zu erwerben, wobei die ID des Dokuments als Sperrenname verwendet wird. Die Methode `navigator.locks.request` benötigt zwei Argumente: den Sperrennamen und eine Callback-Funktion. Die Callback-Funktion wird erst ausgeführt, nachdem die Sperre erfolgreich erworben wurde. Innerhalb des Callbacks wird der Dokumenteninhalt auf dem Server gespeichert. Wenn die Callback-Funktion abgeschlossen ist, wird die Sperre automatisch freigegeben. Wenn eine andere Instanz der Funktion versucht, mit derselben `documentId` ausgeführt zu werden, wartet sie, bis die Sperre freigegeben ist. Tritt ein Fehler auf, wird er abgefangen und protokolliert.

Beispiel 2: Zugriff auf den Local Storage steuern

Der Local Storage ist ein gängiger Mechanismus zur Speicherung von Daten im Browser. Wenn jedoch mehrere Teile Ihrer Anwendung versuchen, gleichzeitig auf den Local Storage zuzugreifen und ihn zu ändern, kann es zu Datenkorruption kommen. Die Web Locks API kann verwendet werden, um den Zugriff auf den Local Storage zu synchronisieren und die Datenintegrität zu gewährleisten.

async function updateLocalStorage(key, value) {
  try {
    await navigator.locks.request('localStorage', async () => {
      // Kritischer Abschnitt: Aktualisieren des Local Storage
      console.log(`Sperre für localStorage erworben. Aktualisiere Schlüssel ${key}...`);
      localStorage.setItem(key, value);
      console.log(`Schlüssel ${key} im localStorage aktualisiert.`);
    });
  } catch (error) {
    console.error(`Aktualisierung des localStorage fehlgeschlagen:`, error);
  }
}

In diesem Beispiel versucht die Funktion `updateLocalStorage`, eine Sperre für die Ressource 'localStorage' zu erwerben. Die Callback-Funktion aktualisiert dann den angegebenen Schlüssel im Local Storage. Die Sperre stellt sicher, dass nur ein Code-Teil gleichzeitig auf den Local Storage zugreifen kann, wodurch Race Conditions verhindert werden.

Beispiel 3: Geteilte Ressourcen in Web Workern verwalten

Web Worker ermöglichen es Ihnen, JavaScript-Code im Hintergrund auszuführen, ohne den Hauptthread zu blockieren. Wenn jedoch ein Web Worker auf geteilte Ressourcen mit dem Hauptthread oder anderen Web Workern zugreifen muss, ist eine Synchronisierung unerlässlich. Die Web Locks API kann verwendet werden, um den Zugriff auf diese Ressourcen zu koordinieren.

Zuerst in Ihrem Hauptthread:

async function mainThreadFunction() {
    try {
        await navigator.locks.request('sharedResource', async () => {
            console.log('Hauptthread hat Sperre für sharedResource erworben');
            // Auf die geteilte Ressource zugreifen und sie ändern
            await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 2000)); // Arbeit simulieren
            console.log('Hauptthread gibt Sperre für sharedResource frei');
        });
    } catch (error) {
        console.error('Hauptthread konnte Sperre nicht erwerben:', error);
    }
}

mainThreadFunction();

Dann in Ihrem Web Worker:

self.addEventListener('message', async (event) => {
    if (event.data.type === 'accessSharedResource') {
        try {
            await navigator.locks.request('sharedResource', async () => {
                console.log('Web Worker hat Sperre für sharedResource erworben');
                // Auf die geteilte Ressource zugreifen und sie ändern
                await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 3000)); // Arbeit simulieren
                console.log('Web Worker gibt Sperre für sharedResource frei');
                self.postMessage({ type: 'sharedResourceAccessed', success: true });
            });
        } catch (error) {
            console.error('Web Worker konnte Sperre nicht erwerben:', error);
            self.postMessage({ type: 'sharedResourceAccessed', success: false, error: error.message });
        }
    }
});

In diesem Beispiel versuchen sowohl der Hauptthread als auch der Web Worker, eine Sperre für die `sharedResource` zu erwerben. Das `navigator.locks`-Objekt ist in Web Workern verfügbar, was ihnen ermöglicht, am selben Sperrmechanismus wie der Hauptthread teilzunehmen. Nachrichten werden verwendet, um zwischen dem Hauptthread und dem Worker zu kommunizieren und den Versuch zum Erwerb der Sperre auszulösen.

Sperrmodi: Exklusiv vs. Geteilt

Die Web Locks API unterstützt zwei Sperrmodi: `exclusive` und `shared`. Die Wahl des Sperrmodus hängt von den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung ab.

Exklusive Sperren

Eine exklusive Sperre gewährt ausschließlichen Zugriff auf eine Ressource. Nur ein Code-Teil kann zu einem bestimmten Zeitpunkt eine exklusive Sperre für eine bestimmte Ressource halten. Dieser Modus eignet sich für Szenarien, in denen nur ein Prozess eine Ressource gleichzeitig ändern darf. Zum Beispiel beim Schreiben von Daten in eine Datei, beim Aktualisieren eines Datenbankeintrags oder beim Ändern des Zustands einer UI-Komponente.

Alle obigen Beispiele verwendeten standardmäßig exklusive Sperren. Sie müssen den Modus nicht angeben, da `exclusive` der Standard ist.

Geteilte Sperren

Eine geteilte Sperre erlaubt es mehreren Code-Teilen, gleichzeitig eine Sperre für eine Ressource zu halten, vorausgesetzt, kein anderer Code hält eine exklusive Sperre für dieselbe Ressource. Dieser Modus eignet sich für Szenarien, in denen mehrere Prozesse eine Ressource gleichzeitig lesen müssen, aber kein Prozess sie ändern muss. Zum Beispiel beim Lesen von Daten aus einer Datei, beim Abfragen einer Datenbank oder beim Rendern einer UI-Komponente.

Um eine geteilte Sperre anzufordern, müssen Sie die Option `mode` in der Methode `navigator.locks.request` angeben.

async function readData(resourceId) {
  try {
    await navigator.locks.request(resourceId, { mode: 'shared' }, async () => {
      // Kritischer Abschnitt: Daten aus der Ressource lesen
      console.log(`Geteilte Sperre für Ressource ${resourceId} erworben. Lese...`);
      const data = await readFromResource(resourceId);
      console.log(`Daten aus Ressource ${resourceId} gelesen:`, data);
      return data;
    });
  } catch (error) {
    console.error(`Lesen von Daten aus Ressource ${resourceId} fehlgeschlagen:`, error);
  }
}

async function readFromResource(resourceId) {
  // Simuliert das Lesen aus einer Ressource (durch echten API-Aufruf ersetzen)
  return new Promise(resolve => setTimeout(() => resolve({ value: 'Einige Daten' }), 500));
}

In diesem Beispiel fordert die Funktion `readData` eine geteilte Sperre für die angegebene Ressource an. Mehrere Instanzen dieser Funktion können gleichzeitig ausgeführt werden, solange kein anderer Code eine exklusive Sperre für dieselbe Ressource hält.

Überlegungen für globale Anwendungen

Bei der Entwicklung von Webanwendungen für ein globales Publikum ist es entscheidend, die Auswirkungen der Ressourcensynchronisation und der Steuerung konkurrierender Zugriffe in unterschiedlichen Umgebungen zu berücksichtigen.

• Netzwerklatenz: Hohe Netzwerklatenz kann die Auswirkungen von Nebenläufigkeitsproblemen verschärfen. Serverseitige Sperrmechanismen können erhebliche Verzögerungen verursachen, was zu einer schlechten Benutzererfahrung führt. Die Web Locks API kann hier Abhilfe schaffen, indem sie eine clientseitige Lösung zur Synchronisierung des Zugriffs auf Ressourcen bietet.
• Zeitzonen: Bei der Verarbeitung zeitkritischer Daten, wie der Planung von Ereignissen oder der Abwicklung von Transaktionen, ist es unerlässlich, unterschiedliche Zeitzonen zu berücksichtigen. Geeignete Synchronisationsmechanismen können helfen, Konflikte zu vermeiden und die Datenkonsistenz über geografisch verteilte Systeme hinweg zu gewährleisten.
• Kulturelle Unterschiede: Verschiedene Kulturen können unterschiedliche Erwartungen an den Datenzugriff und die Datenänderung haben. Einige Kulturen bevorzugen möglicherweise die Echtzeit-Zusammenarbeit, während andere einen eher asynchronen Ansatz vorziehen. Es ist wichtig, Ihre Anwendung so zu gestalten, dass sie diesen vielfältigen Bedürfnissen gerecht wird.
• Sprache und Lokalisierung: Die Web Locks API selbst hat nichts direkt mit Sprache oder Lokalisierung zu tun. Die synchronisierten Ressourcen können jedoch lokalisierte Inhalte enthalten. Stellen Sie sicher, dass Ihre Synchronisationsmechanismen mit Ihrer Lokalisierungsstrategie kompatibel sind.

Best Practices für die Verwendung der Web Locks API

• Kritische Abschnitte kurz halten: Je länger eine Sperre gehalten wird, desto größer ist das Potenzial für Konkurrenz und Verzögerungen. Halten Sie die kritischen Code-Abschnitte, die auf geteilte Daten zugreifen und diese ändern, so kurz wie möglich.
• Deadlocks vermeiden: Deadlocks treten auf, wenn zwei oder mehr Code-Teile auf unbestimmte Zeit blockiert sind und darauf warten, dass der andere die Sperren freigibt. Um Deadlocks zu vermeiden, stellen Sie sicher, dass Sperren immer in einer konsistenten Reihenfolge erworben und freigegeben werden.
• Fehler elegant behandeln: Die Methode `navigator.locks.request` kann abgewiesen werden, wenn die Sperre nicht erworben werden kann. Behandeln Sie diese Fehler elegant und geben Sie dem Benutzer informatives Feedback.
• Sinnvolle Sperrennamen verwenden: Wählen Sie Sperrennamen, die die geschützten Ressourcen klar identifizieren. Dies macht Ihren Code leichter verständlich und wartbar.
• Gültigkeitsbereich der Sperre berücksichtigen: Bestimmen Sie den geeigneten Gültigkeitsbereich für Ihre Sperren. Soll die Sperre global sein (über alle Browser-Tabs und -Fenster hinweg) oder auf einen bestimmten Tab oder ein bestimmtes Fenster beschränkt sein? Die Web Locks API ermöglicht es Ihnen, den Gültigkeitsbereich Ihrer Sperren zu steuern.
• Gründlich testen: Testen Sie Ihren Code gründlich, um sicherzustellen, dass er die Nebenläufigkeit korrekt handhabt und Race Conditions verhindert. Verwenden Sie Concurrency-Testing-Tools, um zu simulieren, wie mehrere Benutzer gleichzeitig auf geteilte Ressourcen zugreifen und diese ändern.

Einschränkungen der Web Locks API

Obwohl die Web Locks API einen leistungsstarken Mechanismus zur Synchronisierung des Zugriffs auf Ressourcen in Webanwendungen bietet, ist es wichtig, sich ihrer Einschränkungen bewusst zu sein.

• Browser-Unterstützung: Die Web Locks API wird nicht von allen Browsern unterstützt. Überprüfen Sie die Browser-Kompatibilität, bevor Sie die API in Ihrem Produktionscode verwenden. Möglicherweise sind Polyfills verfügbar, um Unterstützung für ältere Browser bereitzustellen.
• Persistenz: Sperren sind nicht über Browsersitzungen hinweg persistent. Wenn der Browser geschlossen oder aktualisiert wird, werden alle Sperren freigegeben.
• Keine verteilten Sperren: Die Web Locks API bietet nur eine Synchronisierung innerhalb einer einzelnen Browser-Instanz. Sie bietet keinen Mechanismus zur Synchronisierung des Zugriffs auf Ressourcen über mehrere Maschinen oder Server hinweg. Für verteiltes Sperren müssen Sie auf serverseitige Sperrmechanismen zurückgreifen.
• Kooperatives Sperren: Die Web Locks API beruht auf kooperativem Sperren. Es liegt an den Entwicklern sicherzustellen, dass Code, der auf geteilte Ressourcen zugreift, das Sperrprotokoll einhält. Die API kann nicht verhindern, dass Code auf Ressourcen zugreift, ohne zuvor eine Sperre zu erwerben.

Alternativen zur Web Locks API

Während die Web Locks API ein wertvolles Werkzeug zur Ressourcensynchronisation darstellt, gibt es mehrere alternative Ansätze, jeder mit seinen eigenen Stärken und Schwächen.

• Serverseitiges Sperren: Die Implementierung von Sperrmechanismen auf dem Server ist ein traditioneller Ansatz zur Verwaltung von Nebenläufigkeit. Dies beinhaltet die Verwendung von Datenbanktransaktionen, optimistischem oder pessimistischem Sperren zum Schutz geteilter Ressourcen. Serverseitiges Sperren bietet eine robustere und zuverlässigere Lösung für verteilte Nebenläufigkeit, kann aber Latenz verursachen und die Serverlast erhöhen.
• Atomare Operationen: Einige Datenstrukturen und APIs bieten atomare Operationen, die garantieren, dass eine Sequenz von Operationen als eine einzige, unteilbare Einheit ausgeführt wird. Dies kann nützlich sein, um den Zugriff auf einfache Datenstrukturen ohne explizite Sperren zu synchronisieren.
• Nachrichtenübermittlung (Message Passing): Anstatt einen veränderlichen Zustand zu teilen, sollten Sie die Nachrichtenübermittlung zur Kommunikation zwischen verschiedenen Teilen Ihrer Anwendung in Betracht ziehen. Dieser Ansatz kann die Verwaltung der Nebenläufigkeit vereinfachen, indem er die Notwendigkeit geteilter Sperren eliminiert.
• Unveränderlichkeit (Immutability): Die Verwendung unveränderlicher Datenstrukturen kann ebenfalls die Verwaltung der Nebenläufigkeit vereinfachen. Unveränderliche Daten können nach ihrer Erstellung nicht mehr geändert werden, was die Möglichkeit von Race Conditions ausschließt.

Fazit

Die Web Locks API ist ein wertvolles Werkzeug zur Synchronisierung des Zugriffs auf Ressourcen und zur Verwaltung konkurrierender Zugriffe in Webanwendungen. Durch die Bereitstellung eines clientseitigen Sperrmechanismus kann die API die Leistung verbessern, Datenkorruption verhindern und die Benutzererfahrung verbessern. Es ist jedoch wichtig, die Einschränkungen der API zu verstehen und sie angemessen zu verwenden. Berücksichtigen Sie die spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung, die Browser-Kompatibilität und das Potenzial für Deadlocks, bevor Sie die Web Locks API implementieren.

Indem Sie die in diesem Leitfaden beschriebenen Best Practices befolgen, können Sie die Web Locks API nutzen, um robuste und reaktionsschnelle Webanwendungen zu erstellen, die Nebenläufigkeit elegant handhaben und die Datenintegrität in vielfältigen globalen Umgebungen gewährleisten.