Frontend'i hajutatud lukuhaldur: mitme sõlme sünkroniseerimise saavutamine

Tänapäeva üha keerukamates veebirakendustes on andmete järjepidevuse tagamine ja võidujooksu tingimuste vältimine mitmes brauseri eksemplaris või vahekaardil erinevates seadmetes ülioluline. See nõuab tugevat sünkroniseerimismehhanismi. Kuigi taustasüsteemidel on hajutatud lukustamiseks väljakujunenud mustrid, esitab frontend ainulaadseid väljakutseid. See artikkel süveneb frontend'i hajutatud lukuhaldurite maailma, uurides nende vajalikkust, rakendusviise ja parimaid tavasid mitme sõlme sünkroniseerimise saavutamiseks.

Frontend'i hajutatud lukkude vajaduse mõistmine

Traditsioonilised veebirakendused olid sageli ühe kasutaja ja ühe vahekaardi kogemused. Tänapäevased veebirakendused toetavad aga sageli:

• Mitmikvahekaardi/mitmikakna stsenaariumid: Kasutajatel on sageli avatud mitu vahekaarti või akent, millest igaüks käitab sama rakenduse eksemplari.
• Seadmetevaheline sünkroniseerimine: Kasutajad suhtlevad rakendusega samaaegselt erinevates seadmetes (lauaarvuti, mobiiltelefon, tahvelarvuti).
• Koostööna toimetamine: Mitu kasutajat töötab reaalajas sama dokumendi või andmetega.

Need stsenaariumid toovad kaasa potentsiaali jagatud andmete samaaegseks muutmiseks, mis viib:

• Võidujooksu tingimusteni (race conditions): Kui mitu operatsiooni võistleb sama ressursi pärast, sõltub tulemus nende ettearvamatust täitmisjärjekorrast, mis viib ebajärjepidevate andmeteni.
• Andmete riknemiseni: Samaaegsed kirjutamised samadele andmetele võivad rikkuda nende terviklikkust.
• Ebajärjepideva olekuni: Erinevad rakenduse eksemplarid võivad kuvada vastuolulist teavet.

Frontend'i hajutatud lukuhaldur pakub mehhanismi jagatud ressurssidele juurdepääsu serialiseerimiseks, vältides neid probleeme ja tagades andmete järjepidevuse kõigis rakenduse eksemplarides. See toimib sünkroniseerimisprimitiivina, lubades korraga ühel eksemplaril juurdepääsu konkreetsele ressursile. Mõelge globaalsele e-kaubanduse ostukorvile. Ilma korraliku lukuta ei pruugi kasutaja, kes lisab eseme ühel vahekaardil, seda kohe teisel vahekaardil kajastumas näha, mis tekitab segadust tekitava ostukogemuse.

Frontend'i hajutatud lukuhalduse väljakutsed

Hajutatud lukuhalduri rakendamine frontend'is esitab mitmeid väljakutseid võrreldes taustasüsteemi lahendustega:

• Brauseri efemeerne olemus: Brauseri eksemplarid on oma olemuselt ebausaldusväärsed. Vahekaarte saab ootamatult sulgeda ja võrguühendus võib olla katkendlik.
• Tugevate atomaarsete operatsioonide puudumine: Erinevalt andmebaasidest, millel on atomaarsed operatsioonid, tugineb frontend JavaScriptile, millel on piiratud tugi tõelistele atomaarsetele operatsioonidele.
• Piiratud salvestusvõimalused: Frontend'i salvestusvõimalustel (localStorage, sessionStorage, küpsised) on piirangud suuruse, püsivuse ja juurdepääsetavuse osas erinevates domeenides.
• Turvaprobleemid: Tundlikke andmeid ei tohiks otse frontend'i salvestusruumi salvestada ja lukumehhanism ise peaks olema manipuleerimise eest kaitstud.
• Jõudluse lisakulu: Sage suhtlus keskse lukuserveriga võib põhjustada latentsust ja mõjutada rakenduse jõudlust.

Frontend'i hajutatud lukkude rakendusstrateegiad

Frontend'i hajutatud lukkude rakendamiseks saab kasutada mitmeid strateegiaid, millest igaühel on oma kompromissid:

1. localStorage'i kasutamine koos TTL-iga (Time-To-Live)

See lähenemine kasutab localStorage API-d lukuvõtme salvestamiseks. Kui klient soovib luku hankida, proovib ta seada lukuvõtmele konkreetse TTL-i. Kui võti on juba olemas, tähendab see, et teine klient hoiab lukku.

Näide (JavaScript):

            async function acquireLock(lockKey, ttl = 5000) {
 const lockAcquired = localStorage.getItem(lockKey);
 if (lockAcquired && parseInt(lockAcquired) > Date.now()) {
 return false; // Lock is already held
 }

 localStorage.setItem(lockKey, Date.now() + ttl);
 return true; // Lock acquired
}

function releaseLock(lockKey) {
 localStorage.removeItem(lockKey);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Plussid:

• Lihtne rakendada.
• Puuduvad välised sõltuvused.

Miinused:

• Pole tõeliselt hajutatud, piirdub sama domeeni ja brauseriga.
• Nõuab TTL-i hoolikat käsitlemist, et vältida ummikseise, kui klient enne luku vabastamist kokku jookseb.
• Puuduvad sisseehitatud mehhanismid luku õigluse või prioriteedi tagamiseks.
• Vastuvõtlik kellaaja nihke probleemidele, kui erinevatel klientidel on oluliselt erinevad süsteemiajad.

2. sessionStorage'i kasutamine koos BroadcastChannel API-ga

SessionStorage sarnaneb localStorage'iga, kuid selle andmed püsivad ainult brauseriseansi vältel. BroadcastChannel API võimaldab suhelda sama päritoluga sirvimiskontekstide (nt vahekaardid, aknad) vahel.

Näide (JavaScript):

            const channel = new BroadcastChannel('my-lock-channel');

async function acquireLock(lockKey) {
  return new Promise((resolve) => {
    const checkLock = () => {
      if (!sessionStorage.getItem(lockKey)) {
        sessionStorage.setItem(lockKey, 'locked');
        channel.postMessage({ type: 'lock-acquired', key: lockKey });
        resolve(true);
      } else {
        setTimeout(checkLock, 50);
      }
    };

    checkLock();
  });
}

async function releaseLock(lockKey) {
  sessionStorage.removeItem(lockKey);
  channel.postMessage({ type: 'lock-released', key: lockKey });
}

channel.addEventListener('message', (event) => {
  const { type, key } = event.data;
  if (type === 'lock-released' && key === lockKey) {
    // Another tab released the lock
    // Potentially trigger a new lock acquisition attempt
  }
});

            

              
                Copy
              
            
          

Plussid:

• Võimaldab suhelda sama päritoluga vahekaartide/akende vahel.
• Sobib seansipõhiste lukkude jaoks.

Miinused:

• Pole endiselt tõeliselt hajutatud, piirdub ühe brauseriseansiga.
• Tugineb BroadcastChannel API-le, mida kõik brauserid ei pruugi toetada.
• SessionStorage tühjendatakse brauseri vahekaardi või akna sulgemisel.

3. Tsentraliseeritud lukuserver (nt Redis, Node.js server)

See lähenemine hõlmab spetsiaalse lukuserveri, näiteks Redise või kohandatud Node.js serveri, kasutamist lukkude haldamiseks. Frontend'i kliendid suhtlevad lukuserveriga HTTP või WebSocketide kaudu lukkude hankimiseks ja vabastamiseks.

Näide (kontseptuaalne):

1. Frontend'i klient saadab lukuserverile päringu konkreetse ressursi luku hankimiseks.
2. Lukuserver kontrollib, kas lukk on saadaval.
3. Kui lukk on saadaval, annab server kliendile luku ja salvestab kliendi identifikaatori.
4. Kui lukk on juba hõivatud, võib server kliendi päringu järjekorda panna või tagastada vea.
5. Frontend'i klient sooritab operatsiooni, mis nõuab lukku.
6. Frontend'i klient vabastab luku, teavitades sellest lukuserverit.
7. Lukuserver vabastab luku, võimaldades teisel kliendil selle hankida.

Plussid:

• Pakub tõeliselt hajutatud lukumehhanismi mitme seadme ja brauseri vahel.
• Pakub rohkem kontrolli lukkude haldamise üle, sealhulgas õiglust, prioriteeti ja ajalõppe.

Miinused:

• Nõuab eraldi lukuserveri seadistamist ja hooldamist.
• Põhjustab võrgu latentsust, mis võib mõjutada jõudlust.
• Suurendab keerukust võrreldes localStorage'i või sessionStorage'il põhinevate lähenemistega.
• Lisab sõltuvuse lukuserveri saadavusest.

Redise kasutamine lukuserverina

Redis on populaarne mälusisene andmehoidla, mida saab kasutada ülijõudsa lukuserverina. See pakub atomaarseid operatsioone nagu `SETNX` (SET if Not eXists), mis on ideaalsed hajutatud lukkude rakendamiseks.

Näide (Node.js koos Redisega):

            const redis = require('redis');
const client = redis.createClient();
const { promisify } = require('util');

const setAsync = promisify(client.set).bind(client);
const getAsync = promisify(client.get).bind(client);
const delAsync = promisify(client.del).bind(client);

async function acquireLock(lockKey, clientId, ttl = 5000) {
  const lock = await setAsync(lockKey, clientId, 'NX', 'PX', ttl);
  return lock === 'OK';
}

async function releaseLock(lockKey, clientId) {
  const currentClientId = await getAsync(lockKey);
  if (currentClientId === clientId) {
    await delAsync(lockKey);
    return true;
  }
  return false; // Lock was held by someone else
}

// Example usage
const clientId = 'unique-client-id';

acquireLock('my-resource-lock', clientId, 10000) // Acquire lock for 10 seconds
  .then(acquired => {
    if (acquired) {
      console.log('Lock acquired!');
      // Perform operations requiring the lock

      setTimeout(() => {
        releaseLock('my-resource-lock', clientId)
          .then(released => {
            if (released) {
              console.log('Lock released!');
            } else {
              console.log('Failed to release lock (held by someone else)');
            }
          });
      }, 5000); // Release lock after 5 seconds
    } else {
      console.log('Failed to acquire lock');
    }
  });

            

              
                Copy
              
            
          

See näide kasutab `SETNX`-i lukuvõtme atomaarseks seadmiseks, kui seda veel ei eksisteeri. Samuti seatakse TTL, et vältida ummikseise kliendi krahhi korral. `releaseLock` funktsioon kontrollib, et lukku vabastav klient on sama, kes selle hankis.

Kohandatud Node.js lukuserveri rakendamine

Alternatiivina saate ehitada kohandatud lukuserveri, kasutades Node.js-i ja andmebaasi (nt MongoDB, PostgreSQL) või mälusisest andmestruktuuri. See võimaldab suuremat paindlikkust ja kohandamist, kuid nõuab rohkem arendustööd.

Kontseptuaalne rakendamine:

• Looge API otspunkt luku hankimiseks (nt `/locks/:resource/acquire`).
• Looge API otspunkt luku vabastamiseks (nt `/locks/:resource/release`).
• Salvestage luku teave (ressursi nimi, kliendi ID, ajatempel) andmebaasi või mälusisesesse andmestruktuuri.
• Kasutage lõimede ohutuse tagamiseks sobivaid andmebaasi lukustusmehhanisme (nt optimistlik lukustamine) või sünkroniseerimisprimitiive (nt mutexid).

4. Web Workers'i ja SharedArrayBuffer'i kasutamine (edasijõudnutele)

Web Workers'id pakuvad võimalust käitada JavaScripti koodi taustal, peamisest lõimest sõltumatult. SharedArrayBuffer võimaldab mälu jagada Web Workers'ite ja peamise lõime vahel.

Seda lähenemist saab kasutada jõudlusvõimelisema ja robustsema lukumehhanismi rakendamiseks, kuid see on keerulisem ja nõuab hoolikat konkurentsuse ja sünkroniseerimisprobleemide kaalumist.

Plussid:

• Potentsiaal suuremaks jõudluseks jagatud mälu tõttu.
• Delegeerib lukuhalduse eraldi lõimele.

Miinused:

• Keeruline rakendada ja siluda.
• Nõuab hoolikat sünkroniseerimist lõimede vahel.
• SharedArrayBuffer'il on turvamõjud ja see võib nõuda spetsiifiliste HTTP päiste lubamist.
• Piiratud brauseritugi ja ei pruugi sobida kõikideks kasutusjuhtudeks.

Frontend'i hajutatud lukuhalduse parimad tavad

• Valige õige strateegia: Valige rakendusviis vastavalt oma rakenduse spetsiifilistele nõuetele, arvestades kompromisse keerukuse, jõudluse ja usaldusväärsuse vahel. Lihtsate stsenaariumide jaoks võib piisata localStorage'ist või sessionStorage'ist. Nõudlikumate stsenaariumide jaoks on soovitatav tsentraliseeritud lukuserver.
• Rakendage TTL-e: Kasutage alati TTL-e, et vältida ummikseise kliendi krahhide või võrguprobleemide korral.
• Kasutage unikaalseid lukuvõtmeid: Veenduge, et lukuvõtmed oleksid unikaalsed ja kirjeldavad, et vältida konflikte erinevate ressursside vahel. Kaaluge nimeruumide konventsiooni kasutamist. Näiteks `cart:user123:lock` luku jaoks, mis on seotud konkreetse kasutaja ostukorviga.
• Rakendage korduskatseid eksponentsiaalse ooteajaga: Kui klient ei suuda lukku hankida, rakendage korduskatse mehhanism eksponentsiaalse ooteajaga, et vältida lukuserveri ülekoormamist.
• Käsitlege luku konkurentsi sujuvalt: Andke kasutajale informatiivset tagasisidet, kui lukku ei saa hankida. Vältige määramatut blokeerimist, mis võib põhjustada halva kasutajakogemuse.
• Jälgige lukkude kasutamist: Jälgige lukkude hankimise ja vabastamise aegu, et tuvastada potentsiaalseid jõudluse kitsaskohti või konkurentsiprobleeme.
• Turvake lukuserver: Kaitske lukuserverit volitamata juurdepääsu ja manipuleerimise eest. Kasutage autentimis- ja autoriseerimismehhanisme, et piirata juurdepääsu volitatud klientidele. Kaaluge HTTPS-i kasutamist frontend'i ja lukuserveri vahelise suhtluse krüpteerimiseks.
• Kaaluge luku õiglust: Rakendage mehhanisme, et tagada kõigile klientidele õiglane võimalus luku hankimiseks, vältides teatud klientide näljutamist. FIFO (First-In, First-Out) järjekorda saab kasutada lukupäringute õiglaseks haldamiseks.
• Idempotentsus: Veenduge, et luku all kaitstud operatsioonid on idempotentsed. See tähendab, et kui operatsioon sooritatakse mitu korda, on sellel sama mõju kui selle ühekordsel sooritamisel. See on oluline juhtude käsitlemiseks, kus lukk võidakse enneaegselt vabastada võrguprobleemide või kliendi krahhide tõttu.
• Kasutage südamelööke: Kui kasutate tsentraliseeritud lukuserverit, rakendage südamelöökide mehhanismi, mis võimaldab serveril tuvastada ja vabastada lukud, mida hoiavad ootamatult ühenduse kaotanud kliendid. See hoiab ära lukkude määramatu hoidmise.
• Testige põhjalikult: Testige lukumehhanismi rangelt erinevates tingimustes, sealhulgas samaaegne juurdepääs, võrgutõrked ja kliendi krahhid. Kasutage automatiseeritud testimisvahendeid realistlike stsenaariumide simuleerimiseks.
• Dokumenteerige rakendus: Dokumenteerige selgelt lukumehhanism, sealhulgas rakenduse üksikasjad, kasutusjuhised ja võimalikud piirangud. See aitab teistel arendajatel koodi mõista ja hooldada.

Näidisstsenaarium: topeltvormide esitamise vältimine

Levinud kasutusjuhtum frontend'i hajutatud lukkude jaoks on topeltvormide esitamise vältimine. Kujutage ette stsenaariumi, kus kasutaja klõpsab aeglase võrguühenduse tõttu mitu korda esitamisnupule. Ilma lukuta võidakse vormiandmed esitada mitu korda, mis toob kaasa soovimatuid tagajärgi.

Rakendamine localStorage'i abil:

            const submitButton = document.getElementById('submit-button');
const form = document.getElementById('my-form');
const lockKey = 'form-submission-lock';

submitButton.addEventListener('click', async (event) => {
 event.preventDefault();

 if (await acquireLock(lockKey)) {
 console.log('Submitting form...');
 // Simulate form submission
 setTimeout(() => {
 console.log('Form submitted successfully!');
 releaseLock(lockKey);
 }, 2000);

 } else {
 console.log('Form submission already in progress. Please wait.');
 }
});

            

              
                Copy
              
            
          

Selles näites takistab `acquireLock` funktsioon mitmekordset vormi esitamist, hankides enne vormi esitamist luku. Kui lukk on juba hõivatud, teavitatakse kasutajat ootama.

Reaalse maailma näited

• Koostööl põhinev dokumentide redigeerimine (Google Docs, Microsoft Office Online): Need rakendused kasutavad keerukaid lukustusmehhanisme, et tagada mitme kasutaja samaaegne dokumendi redigeerimine ilma andmete riknemiseta. Tavaliselt kasutavad nad operatsioonide teisendamist (OT) või konfliktivabu replikeeritud andmetüüpe (CRDT) koos lukkudega samaaegsete muudatuste käsitlemiseks.
• E-kaubanduse platvormid (Amazon, Alibaba): Need platvormid kasutavad lukke laoseisu haldamiseks, üle-müümise vältimiseks ja järjepidevate ostukorvi andmete tagamiseks mitmes seadmes.
• Veebipanganduse rakendused: Need rakendused kasutavad lukke tundlike finantsandmete kaitsmiseks ja petturlike tehingute vältimiseks.
• Reaalajas mängimine: Mitmikmängud kasutavad sageli lukke mänguseisundi sünkroniseerimiseks ja petmise vältimiseks.

Kokkuvõte

Frontend'i hajutatud lukuhaldus on robustsete ja usaldusväärsete veebirakenduste ehitamise kriitiline aspekt. Selles artiklis käsitletud väljakutseid ja rakendusstrateegiaid mõistes saavad arendajad valida oma spetsiifilistele vajadustele sobiva lähenemisviisi ning tagada andmete järjepidevuse ja vältida võidujooksu tingimusi mitmes brauseri eksemplaris või vahekaardil. Kuigi lihtsamad lahendused, mis kasutavad localStorage'i või sessionStorage'i, võivad piisata põhiliste stsenaariumide jaoks, pakub tsentraliseeritud lukuserver kõige robustsemat ja skaleeritavamat lahendust keerukatele rakendustele, mis nõuavad tõelist mitme sõlme sünkroniseerimist. Pidage meeles, et oma frontend'i hajutatud lukumehhanismi kavandamisel ja rakendamisel seadke alati esikohale turvalisus, jõudlus ja tõrketaluvus. Kaaluge hoolikalt erinevate lähenemisviiside kompromisse ja valige see, mis sobib kõige paremini teie rakenduse nõuetega. Põhjalik testimine ja jälgimine on olulised, et tagada teie lukumehhanismi usaldusväärsus ja tõhusus tootmiskeskkonnas.