Esirakenduse (Frontend) Veebi Lukusurma Tuvastamine: Ressurrilukkude Tsüklite Vältimine

Lukusurmad, kurikuulus probleem paralleelses programmeerimises, ei ole ainult taustsüsteemide pärusmaa. Esirakenduse veebirakendused, eriti need, mis kasutavad asünkroonseid operatsioone ja keerulist olekuhaldust, on samuti vastuvõtlikud. See artikkel annab põhjaliku juhendi lukusurmade mõistmiseks, tuvastamiseks ja vältimiseks esirakenduse veebiarenduses, keskendudes ressurrilukkude tsüklite vältimise kriitilisele aspektile.

Lukusurmade mõistmine esirakenduses

Lukusurm tekib siis, kui kaks või enam protsessi (meie puhul brauseris täituv JavaScripti kood) on lõputult blokeeritud, kusjuures igaüks ootab, et teine vabastaks ressursi. Esirakenduse kontekstis võivad ressurssideks olla:

• JavaScripti objektid: Kasutatakse muteksite või semaforidena jagatud andmetele ligipääsu kontrollimiseks.
• Kohalik salvestus/Sessiooni salvestus: Salvestusruumile juurdepääs ja selle muutmine võib põhjustada konkurentsi.
• Veebitöötajad (Web Workers): Peamise lõime ja töötajate vaheline suhtlus võib luua sõltuvusi.
• Välised API-d: Üksteisest sõltuvate API-vastuste ootamine võib põhjustada lukusurmasid.
• DOM-i manipuleerimine: Ulatuslikud ja sünkroniseeritud DOM-i operatsioonid, kuigi harvemad, võivad kaasa aidata.

Erinevalt traditsioonilistest operatsioonisüsteemidest töötab esirakenduse keskkond ühelõimelise sündmuste tsükli piirangutes (peamiselt). Kuigi Veebitöötajad (Web Workers) toovad sisse paralleelsuse, vajab nendevaheline ja peamise lõime vaheline suhtlus hoolikat haldamist, et vältida lukusurmasid. Oluline on mõista, kuidas asünkroonsed operatsioonid, Promises ja `async/await` võivad varjata ressursisõltuvuste keerukust, muutes lukusurmade tuvastamise raskemaks.

Lukusurma neli tingimust (Coffmani tingimused)

Lukusurma tekkimiseks vajalike tingimuste, mida tuntakse Coffmani tingimustena, mõistmine on ennetamiseks ülioluline:

1. Vastastikune välistamine: Ressurssidele on eksklusiivne juurdepääs. Ainult üks protsess saab korraga ressurssi hoida.
2. Hoia ja oota: Protsess hoiab ressurssi, oodates samal ajal teist ressurssi.
3. Mittetungimine (No Preemption): Ressurssi ei saa protsessilt jõuga ära võtta. See tuleb vabastada vabatahtlikult.
4. Ringikujuline ootamine: Eksisteerib ringikujuline protsesside ahel, kus iga protsess ootab ressurssi, mida hoiab järgmine protsess ahelas.

Lukusurm saab tekkida ainult siis, kui kõik neli tingimust on täidetud. Seega, lukusurma vältimine hõlmab vähemalt ühe neist tingimustest murdmist.

Ressurrilukkude tsükli tuvastamine: Ennetamise tuum

Esirakenduses tekib kõige levinum lukusurma tüüp tsüklilistest sõltuvustest lukkude omandamisel, sellest ka termin "ressurrilukkude tsükkel". See avaldub sageli pesastatud asünkroonsetes operatsioonides. Illustreerime näitega:

Näide (lihtsustatud lukusurma stsenaarium):

            // Two asynchronous functions that acquire and release locks
async function operationA(resource1, resource2) {
  await acquireLock(resource1);
  try {
    await operationB(resource2, resource1); // Calls operationB, potentially waiting for resource2
  } finally {
    releaseLock(resource1);
  }
}

async function operationB(resource2, resource1) {
  await acquireLock(resource2);
  try {
    // Perform some operation
  } finally {
    releaseLock(resource2);
  }
}

// Simplified lock acquisition/release functions
const locks = {};

async function acquireLock(resource) {
  return new Promise((resolve) => {
    if (!locks[resource]) {
      locks[resource] = true;
      resolve();
    } else {
      // Wait until the resource is released
      const interval = setInterval(() => {
        if (!locks[resource]) {
          locks[resource] = true;
          clearInterval(interval);
          resolve();
        }
      }, 50); // Polling interval
    }
  });
}

function releaseLock(resource) {
  locks[resource] = false;
}

// Simulate a deadlock
async function simulateDeadlock() {
  await operationA('resource1', 'resource2');
  await operationB('resource2', 'resource1');
}

simulateDeadlock();

            

              
                Copy
              
            
          

Selles näites, kui `operationA` omandab `resource1` ja seejärel kutsub välja `operationB`, mis ootab `resource2`, ja `operationB` kutsutakse välja viisil, et see püüab esmalt omandada `resource2`, kuid see väljakutse toimub enne, kui `operationA` on lõpetanud ja vabastanud `resource1`, ning see püüab omandada `resource1`, tekib meil lukusurm. `operationA` ootab, et `operationB` vabastaks `resource2`, ja `operationB` ootab, et `operationA` vabastaks `resource1`.

Tuvastamise tehnikad

Ressurrilukkude tsüklite tuvastamine esirakenduse koodis võib olla keeruline, kuid saab kasutada mitmeid tehnikaid:

1. Lukusurma ennetamine (disaini etapis): Parim lähenemine on kujundada rakendus nii, et see väldiks tingimusi, mis viivad lukusurmadeni. Vaata ennetusstrateegiaid allpool.
2. Lukkude järjestamine: Jõustada lukkude omandamise järjekindlat korda. Kui kõik protsessid omandavad lukud samas järjekorras, välditakse ringikujulist ootamist.
3. Ajalimiidil põhinev tuvastamine: Rakendada ajalimiidid lukkude omandamiseks. Kui protsess ootab lukku kauem kui eelnevalt määratletud ajalimiit, võib see eeldada lukusurma ja vabastada oma praegused lukud.
4. Ressursijaotuse graafid: Luua suunatud graaf, kus sõlmed esindavad protsesse ja ressursse. Servad esindavad ressursipäringuid ja -jaotusi. Tsükkel graafis näitab lukusurma. (Seda on esirakenduses keerulisem rakendada).
5. Silumise tööriistad: Brauseri arendaja tööriistad aitavad tuvastada seiskunud asünkroonseid operatsioone. Otsige lubadusi, mis kunagi ei täitu, või funktsioone, mis on lõputult blokeeritud.

Ennetusstrateegiad: Coffmani tingimuste murdmine

Lukusurmade ennetamine on sageli tõhusam kui nende tuvastamine ja neist taastumine. Siin on strateegiad iga Coffmani tingimuse murdmiseks:

1. Vastastikuse välistamise murdmine

See tingimus on sageli vältimatu, kuna eksklusiivne juurdepääs ressurssidele on andmete järjepidevuse tagamiseks tihti vajalik. Kuid kaaluge, kas saate tõesti täielikult vältida andmete jagamist. Muutumatus (immutability) võib siin olla võimas tööriist. Kui andmed pärast nende loomist kunagi ei muutu, pole põhjust neid lukkudega kaitsta. Sellised teegid nagu Immutable.js võivad selle saavutamisel abiks olla.

2. Hoia ja oota tingimuse murdmine

• Omanda kõik lukud korraga: Lukkude järk-järgulise omandamise asemel omandage kõik vajalikud lukud operatsiooni alguses. Kui mõnda lukku ei saa omandada, vabastage kõik lukud ja proovige hiljem uuesti.
• TryLock: Kasutage mittetõkestavat `tryLock` mehhanismi. Kui lukku ei saa kohe omandada, saab protsess sooritada muid ülesandeid või vabastada oma praegused lukud. (Vähem kohaldatav standardse JS-keskkonna puhul ilma selgete paralleelsusfunktsioonideta, kuid kontseptsiooni saab jäljendada hoolika Promise'i haldamisega).

Näide (kõigi lukkude omandamine korraga):

            async function operationC(resource1, resource2) {
  let lock1Acquired = false;
  let lock2Acquired = false;
  try {
    lock1Acquired = await tryAcquireLock(resource1);
    if (!lock1Acquired) {
      return false; // Could not acquire lock1, abort
    }

    lock2Acquired = await tryAcquireLock(resource2);
    if (!lock2Acquired) {
      releaseLock(resource1);
      return false; // Could not acquire lock2, abort and release lock1
    }

    // Perform operation with both resources locked
    console.log('Both locks acquired successfully!');
    return true;

  } finally {
    if (lock1Acquired) {
      releaseLock(resource1);
    }
    if (lock2Acquired) {
      releaseLock(resource2);
    }
  }
}

async function tryAcquireLock(resource) {
    if (!locks[resource]) {
      locks[resource] = true;
      return true; // Lock acquired successfully
    } else {
      return false; // Lock is already held
    }
}

            

              
                Copy
              
            
          

3. Mittetungimise murdmine

Tüüpilises JavaScripti keskkonnas on ressursi funktsioonilt jõuga äravõtmine keeruline. Kuid alternatiivsed mustrid saavad tungimist simuleerida:

• Ajalimiidid ja tühistamise märgid: Kasutage ajalimiite, et piirata aega, mille jooksul protsess saab lukku hoida. Kui ajalimiit aegub, vabastab protsess luku. Tühistamise märgid saavad anda protsessile signaali oma lukkude vabatahtlikuks vabastamiseks. Sellised teegid nagu `AbortController` (ehkki peamiselt fetch API päringuteks) pakuvad sarnaseid tühistamisvõimalusi, mida saab kohandada.

Näide (ajalimiit `AbortController`iga):

            async function operationWithTimeout(resource, timeoutMs) {
  const controller = new AbortController();
  const timeoutId = setTimeout(() => {
    controller.abort(); // Signal cancellation after timeout
  }, timeoutMs);

  try {
    await acquireLock(resource, controller.signal);
    console.log('Lock acquired, performing operation...');
    // Simulate long-running operation
    await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 2000));

  } catch (error) {
    if (error.name === 'AbortError') {
      console.log('Operation cancelled due to timeout.');
    } else {
      console.error('Error during operation:', error);
    }
  } finally {
    clearTimeout(timeoutId);
    releaseLock(resource);
    console.log('Lock released.');
  }
}

async function acquireLock(resource, signal) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    if (locks[resource]) {
      const intervalId = setInterval(() => {
        if (!locks[resource]) {
            locks[resource] = true; //Attempt to acquire
            clearInterval(intervalId);
            resolve();
        }
      }, 50);

      signal.addEventListener('abort', () => {
        clearInterval(intervalId);
        reject(new Error('Aborted'));
      });

    } else {
      locks[resource] = true;
      resolve();
    }

  });
}

            

              
                Copy
              
            
          

4. Ringikujulise ootamise murdmine

• Lukkude järjestus (hierarhia): Kehtestage kõigile ressurssidele globaalne järjekord. Protsessid peavad omandama lukud selles järjekorras. See väldib tsüklilisi sõltuvusi.
• Vältige pesastatud lukkude omandamist: Refaktoreerige koodi, et minimeerida või eemaldada pesastatud lukkude omandamised. Kaaluge alternatiivseid andmestruktuure või algoritme, mis vähendavad vajadust mitme luku järele.

Näide (lukkude järjestamine):

            // Define a global order for resources
const resourceOrder = ['resourceA', 'resourceB', 'resourceC'];

async function operationWithOrderedLocks(resource1, resource2) {
  const index1 = resourceOrder.indexOf(resource1);
  const index2 = resourceOrder.indexOf(resource2);

  if (index1 === -1 || index2 === -1) {
    throw new Error('Invalid resource name.');
  }

  // Ensure locks are acquired in the correct order
  const firstResource = index1 < index2 ? resource1 : resource2;
  const secondResource = index1 < index2 ? resource2 : resource1;

  try {
    await acquireLock(firstResource);
    try {
      await acquireLock(secondResource);
      // Perform operation with both resources locked
      console.log(`Operation with ${firstResource} and ${secondResource}`);
    } finally {
      releaseLock(secondResource);
    }
  } finally {
    releaseLock(firstResource);
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Esirakenduse spetsiifilised kaalutlused

• Ühelõimeline olemus: Kuigi JavaScript on peamiselt ühelõimeline, võivad asünkroonsed operatsioonid siiski põhjustada lukusurmasid, kui neid hoolikalt ei hallata.
• Kasutajaliidese reageerimisvõime: Lukusurmad võivad külmutada kasutajaliidese, pakkudes halba kasutajakogemust. Põhjalik testimine ja jälgimine on olulised.
• Veebitöötajad (Web Workers): Suhtlus peamise lõime ja veebitöötajate vahel peab olema hoolikalt orkestreeritud, et vältida lukusurmasid. Kasutage sõnumite edastamist ja vältige jagatud mälu, kus võimalik.
• Oleku haldamise teegid (Redux, Vuex, Zustand): Olge ettevaatlik oleku haldamise teekide kasutamisel, eriti kui teostate keerulisi uuendusi, mis hõlmavad mitut oleku osa. Vältige ringikujulisi sõltuvusi reduktorite või mutatsioonide vahel.

Praktilised näited ja koodilõigud (edasijõudnutele)

1. Lukusurma tuvastamine ressursijaotuse graafi abil (kontseptuaalne)

Kuigi täieliku ressursijaotuse graafi rakendamine JavaScriptis on keeruline, saame kontseptsiooni illustreerida lihtsustatud esitusega.

            // Simplified Resource Allocation Graph (Conceptual)
class ResourceAllocationGraph {
  constructor() {
    this.graph = {}; // { process: [resources held], resource: [processes waiting] }
  }

  addProcess(process) {
    this.graph[process] = {held: [], waitingFor: null};
  }

  addResource(resource) {
    if(!this.graph[resource]) {
      this.graph[resource] = []; //processes waiting for resource
    }
  }

  allocateResource(process, resource) {
    if (!this.graph[process]) this.addProcess(process);
    if (!this.graph[resource]) this.addResource(resource);

    if (this.graph[resource].length === 0) {
      this.graph[process].held.push(resource);
      this.graph[resource] = process;

    } else {
      this.graph[process].waitingFor = resource; //process is waiting for the resource
      this.graph[resource].push(process); //add process to queue waiting for this resource

    }
  }

  releaseResource(process, resource) {
    const index = this.graph[process].held.indexOf(resource);
    if (index > -1) {
      this.graph[process].held.splice(index, 1);

      this.graph[resource] = null;

    }
  }

  detectCycle() {
    // Implement cycle detection algorithm (e.g., Depth-First Search)
    // This is a simplified example and requires a proper DFS implementation
    // to accurately detect cycles in the graph.
    // The idea is to traverse the graph and look for back edges.

    let visited = new Set();
    let recursionStack = new Set();

    for (const process in this.graph) {
      if (!visited.has(process)) {
        if (this.dfs(process, visited, recursionStack)) {
          return true; // Cycle detected
        }
      }
    }

    return false; // No cycle detected
  }

  dfs(process, visited, recursionStack) {
      visited.add(process);
      recursionStack.add(process);

      if (this.graph[process].waitingFor) {
          let resourceWaitingFor = this.graph[process].waitingFor;
          if(this.graph[resourceWaitingFor] !== null) { //Resource is in use
            let waitingProcess = this.graph[resourceWaitingFor];
            if(recursionStack.has(waitingProcess)) {
              return true; //Cycle Detected
            }

            if(visited.has(waitingProcess) == false) {
              if(this.dfs(waitingProcess, visited, recursionStack)){
                return true;
              }
            }
          }

      }

      recursionStack.delete(process);
      return false;
  }
}

// Example Usage (Conceptual)
const graph = new ResourceAllocationGraph();
graph.addProcess('processA');
graph.addProcess('processB');
graph.addResource('resource1');
graph.addResource('resource2');

graph.allocateResource('processA', 'resource1');
graph.allocateResource('processB', 'resource2');
graph.allocateResource('processA', 'resource2'); // processA now waits for resource2
graph.allocateResource('processB', 'resource1'); // processB now waits for resource1

if (graph.detectCycle()) {
  console.log('Deadlock detected!');
} else {
  console.log('No deadlock detected.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

Oluline: See on suuresti lihtsustatud näide. Reaalse maailma implementatsioon nõuaks robustsemat tsükli tuvastamise algoritmi (nt sügavuti otsingut (Depth-First Search) suunatud servade õige käsitlemisega), ressursside hoidjate ja ootajate õiget jälgimist ning integreerimist rakenduses kasutatava lukustusmehhanismiga.

2. `async-mutex` teegi kasutamine

Kuigi sisseehitatud JavaScriptis pole natiivseid mutekseid, võivad sellised teegid nagu `async-mutex` pakkuda struktureerituma viisi lukkude haldamiseks.

            //Install async-mutex via npm
//npm install async-mutex

import { Mutex } from 'async-mutex';

const mutex1 = new Mutex();
const mutex2 = new Mutex();

async function operationWithMutex(resource1, resource2) {
  const release1 = await mutex1.acquire();
  try {
    const release2 = await mutex2.acquire();
    try {
      // Perform operations with resource1 and resource2
      console.log(`Operation with ${resource1} and ${resource2}`);
    } finally {
      release2(); // Release mutex2
    }
  } finally {
    release1(); // Release mutex1
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Testimine ja jälgimine

• Ühiktestid: Kirjutage ühiktestid, et simuleerida paralleelseid stsenaariume ja veenduda, et lukud omandatakse ja vabastatakse korrektselt.
• Integratsioonitestid: Testige rakenduse erinevate komponentide vahelist suhtlust, et tuvastada võimalikud lukusurmad.
• Lõpp-lõpuni testid: Käivitage lõpp-lõpuni testid, et simuleerida reaalseid kasutajate interaktsioone ja tuvastada lukusurmad, mis võivad tootmises tekkida.
• Jälgimine: Rakendage jälgimist, et jälgida lukkude konflikti ja tuvastada jõudluse kitsaskohti, mis võivad viidata lukusurmadele. Kasutage brauseri jõudluse jälgimise tööriistu pikaajaliselt kestvate ülesannete ja blokeeritud ressursside jälgimiseks.

Kokkuvõte

Lukusurmad esirakenduse veebirakendustes on peen, kuid tõsine probleem, mis võib viia kasutajaliidese hangumise ja halva kasutajakogemuseni. Mõistes Coffmani tingimusi, keskendudes ressurrilukkude tsükli ennetamisele ja rakendades selles artiklis kirjeldatud strateegiaid, saate ehitada robustsemaid ja usaldusväärsemaid esirakendusi. Pidage meeles, et ennetamine on alati parem kui ravi, ning hoolikas disain ja testimine on lukusurmade vältimiseks esmatähtsad. Seadke esikohale selge, arusaadav kood ja olge teadlik asünkroonsetest operatsioonidest, et hoida esirakenduse kood hooldatavana ja vältida ressursside konflikti probleeme.

Neid tehnikaid hoolikalt kaaludes ja oma arendusprotsessi integreerides saate märkimisväärselt vähendada lukusurmade riski ning parandada oma esirakenduste üldist stabiilsust ja jõudlust.