JavaScript'i samaaegne hulk (Concurrent Set): Lõimekindlad hulgaoperatsioonid

JavaScript, traditsiooniliselt tuntud kui ühelõimeline keel, leiab üha enam kasutust keskkondades, kus samaaegsus on hädavajalik. Kuigi JavaScript käitab koodi brauseris peamiselt ühel lõimel, võimaldavad Web Workerid ja Node.js-i töötajalõimed paralleelset täitmist. See teeb vajalikuks andmestruktuuride arendamise, mis on samaaegseks juurdepääsuks ohutud. Üks selline andmestruktuur on samaaegne hulk (Concurrent Set), standardse hulga variatsioon, mis tagab operatsioonide ajal lõimekindluse.

Samaaegsuse mõistmine JavaScriptis

Enne samaaegsetesse hulkadesse süvenemist vaatame lühidalt üle samaaegsuse JavaScriptis.

• Ühelõimeline mudel: JavaScripti põhiline täitmismudel brauserites on ühelõimeline. See tähendab, et korraga saab käitada ainult ühte koodijuppi.
• Asünkroonsed operatsioonid: Mitme ülesande samaaegseks haldamiseks tugineb JavaScript tugevalt asünkroonsetele operatsioonidele, kasutades tagasikutseid (callbacks), lubadusi (Promises) ja async/await. Need tehnikad ei loo tõelist paralleelsust, kuid hoiavad ära põhilõime blokeerimise.
• Veebitöötajad (Web Workers): Web Workerid võimaldavad tõelist paralleelset täitmist, käitades JavaScripti koodi taustalõimedes. See on ülioluline arvutusmahukate ülesannete jaoks, mis muidu külmutaksid kasutajaliidese. Näiteks pilditöötluse või keerulised arvutused saab delegeerida Web Workerile.
• Node.js-i töötajalõimed (Worker Threads): Node.js pakub sarnast mehhanismi töötajalõimedega, mis võimaldab kasutada mitmetuumalisi protsessoreid parema serveripoolse jõudluse saavutamiseks. See on eriti kasulik arvukate samaaegsete päringute käsitlemisel.

Kui mitu lõime pääsevad juurde ja muudavad jagatud andmeid, võivad tekkida võidujooksu tingimused (race conditions). Võidujooksu tingimus tekib siis, kui operatsiooni tulemus sõltub lõimede ettearvamatust täitmisjärjekorrast. See võib viia andmete riknemiseni ja ootamatu käitumiseni. Seetõttu on lõimekindlad andmestruktuurid jagatud andmete haldamiseks samaaegsetes keskkondades hädavajalikud.

Mis on samaaegne hulk (Concurrent Set)?

Samaaegne hulk on hulga (Set) andmestruktuur, mis pakub lõimekindlaid operatsioone. See tähendab, et mitu lõime saavad samaaegselt lisada, eemaldada või kontrollida elementide olemasolu hulgas, põhjustamata andmete riknemist või võidujooksu tingimusi. Samaaegse hulga põhiidee on pakkuda mehhanisme juurdepääsu sünkroniseerimiseks aluseks olevale andmehoidlale.

Samaaegse hulga põhiomadused:

• Lõimekindlus: Tagab, et operatsioonid on atomaarsed ja järjepidevad, isegi kui neid teostavad samaaegselt mitu lõime.
• Atomaarsus: Kindlustab, et iga operatsioon (nt lisamine, eemaldamine, kontrollimine) teostatakse ühe, jagamatu ühikuna.
• Järjepidevus: Säilitab andmestruktuuri terviklikkuse, vältides andmete riknemist.
• Lukuvaba või lukupõhine: Saab rakendada lukuvabade algoritmide abil (mis on keerukamad, kuid potentsiaalselt parema jõudlusega) või selgesõnaliste lukkudega (mida on lihtsam rakendada, kuid mis võivad tekitada konkurentsi).

Samaaegse hulga rakendamine JavaScriptis

Samaaegse hulga rakendamine JavaScriptis nõuab funktsioonide kasutamist, mis võimaldavad jagatud mälu ja atomaarseid operatsioone. Peamised tööriistad selleks on SharedArrayBuffer ja Atomics.

1. SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer on JavaScripti objekt, mis võimaldab mitmel Web Workeril või Node.js-i töötajalõimel pääseda juurde samale mäluruumile. See pakub viisi andmete jagamiseks lõimede vahel, mis on hädavajalik samaaegsete andmestruktuuride ehitamiseks.

Näide:

            // Loome 1024-baidise SharedArrayBufferi
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);

            

              
                Copy
              
            
          

2. Atomics

Atomics objekt pakub atomaarseid operatsioone, mida saab kasutada lõimekindlate operatsioonide teostamiseks SharedArrayBuffer'is talletatud andmetega. Atomaarsed operatsioonid on garanteeritult jagamatud, vältides võidujooksu tingimusi. Atomics objekt pakub meetodeid väärtuste atomaarseks lugemiseks, kirjutamiseks ja muutmiseks SharedArrayBuffer'is.

Näide:

            // Loome SharedArrayBufferi peale Uint32Array vaate
const atomicArray = new Uint32Array(sharedBuffer);

// Lisame atomaarselt väärtusele indeksil 0 arvu 1
Atomics.add(atomicArray, 0, 1);

            

              
                Copy
              
            
          

Samaaegse hulga kontseptuaalne rakendamine

Siin on kontseptuaalne ülevaade, kuidas võiksite rakendada samaaegset hulka JavaScriptis, kasutades SharedArrayBuffer'it ja Atomics'it. Pange tähele, et tootmisvalmis rakendus nõuaks oluliselt rohkem keerukust kokkupõrgete, suuruse muutmise ja tõhusa mäluhalduse käsitlemiseks.

1. Aluseks olev andmehoidla: Kasutage SharedArrayBuffer'it hulga elementide salvestamiseks. Kuna JavaScript ei toeta otse suvaliste objektide salvestamist tüübimassiivi, on teil vaja mehhanismi objektide serialiseerimiseks/deserialiseerimiseks baidiesitusse ja tagasi. Levinud tehnika on kasutada täisarvude massiivi indeksitena eraldi objektihoidlasse.
2. Atomaarsed operatsioonid: Kasutage Atomics operatsioone lõimekindlate toimingute tegemiseks aluseks oleval andmehoidlal. Näiteks võite kasutada Atomics.compareExchange'i elementide atomaarseks lisamiseks või eemaldamiseks hulgast.
3. Kokkupõrgete käsitlemine: Rakendage kokkupõrgete lahendamise strateegia (nt eraldi aheldamine või avatud adresseerimine), et käsitleda juhtumeid, kus mitu elementi vastavad samale indeksile hoidlas.
4. Suuruse muutmine: Rakendage suuruse muutmise mehhanism, et vajadusel dünaamiliselt suurendada hulga mahtu.

Lihtsustatud näide (ainult illustratiivne - mitte tootmisvalmis)

Järgnev näide on lihtsustatud illustratsioon. See jätab tähelepanuta olulised detailid, nagu mäluhaldus, kokkupõrgete lahendamine ja korrektne serialiseerimine. Ärge kasutage seda koodi otse tootmiskeskkonnas.

            class ConcurrentSet {
  constructor(size) {
    this.buffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * size);
    this.data = new Int32Array(this.buffer);
    this.size = size;
    this.length = 0; // Selles lihtsustatud rakenduses ei kasutata Atomic.add
  }

  has(value) {
    for (let i = 0; i < this.length; i++) {
      if (Atomics.load(this.data,i) === value) {
        return true;
      }
    }
    return false;
  }

  add(value) {
    if (!this.has(value) && this.length < this.size) {
      Atomics.store(this.data, this.length, value);
      this.length++;
      return true;
    }
    return false; // Või muuda suurust, kui vaja (keeruline)
  }
  remove(value) {
    // Lihtsustatud eemaldamine (pole tõeliselt atomaarne ilma lukkudeta või compareExchange'ita)
    for (let i = 0; i < this.length; i++) {
      if (Atomics.load(this.data, i) === value) {
        // Asenda viimase elemendiga (järjekord pole tagatud)
        Atomics.store(this.data, i, Atomics.load(this.data,this.length -1));
        this.length--;
        return true;
      }
    }
     return false;
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Selgitus:

• Klass ConcurrentSet kasutab elementide salvestamiseks SharedArrayBuffer'it.
• Meetod has itereerib läbi massiivi, et kontrollida, kas element on olemas.
• Meetod add lisab elemendi massiivi, kui seda veel pole ja kui ruumi on saadaval.
• Meetod remove asendab elemendi massiivi viimase elemendiga ja vähendab 'length' väärtust.

Olulised kaalutlused:

• Serialiseerimine: See lihtsustatud näide kasutab otse täisarve. Keerukamate objektide jaoks peate rakendama serialiseerimis-/deserialiseerimismehhanismi, et teisendada objekte baidiesitusse ja tagasi, mida saab salvestada SharedArrayBuffer'isse.
• Kokkupõrgete lahendamine: See näide ei käsitle kokkupõrkeid. Tõelises rakenduses vajate kokkupõrgete lahendamise strateegiat.
• Suuruse muutmine: See näide ei käsitle SharedArrayBuffer'i suuruse muutmist. SharedArrayBuffer'i suuruse muutmine on keeruline ja nõuab uue puhvri loomist ning andmete kopeerimist.
• Lukustamine/sünkroniseerimine: Kuigi Atomics pakub atomaarseid operatsioone, võivad keerukamad operatsioonid nõuda lõimekindluse tagamiseks selgesõnalisi lukustusmehhanisme (nt kasutades Atomicsiga rakendatud mutex'it). Ülaltoodud lihtsal eemaldamismeetodil on võidujooksu tingimused.

Samaaegsete hulkade kasutusjuhud

Samaaegsed hulgad on kasulikud mitmesugustes stsenaariumides, kus mitu lõime peavad samaaegselt juurde pääsema ja muutma andmete hulka. Mõned levinumad kasutusjuhud hõlmavad:

• Paralleelne andmetöötlus: Suurte andmekogumite paralleelsel töötlemisel Web Workerite või Node.js-i töötajalõimede abil saab samaaegset hulka kasutada vahetulemuste salvestamiseks või juba töödeldud elementide jälgimiseks. Näiteks hajutatud pilditöötluskonveieris saaks samaaegne hulk jälgida, milliseid pildi tükke on erinevad töötajad töödelnud.
• Vahemällu salvestamine: Mitmelõimelises serverikeskkonnas saab samaaegset hulka kasutada lõimekindla vahemälu rakendamiseks. Mitu lõime saavad samaaegselt lisada, eemaldada või kontrollida vahemällu salvestatud üksuste olemasolu, põhjustamata võidujooksu tingimusi.
• Dedubleerimine: Mitmest allikast pärineva andmevoo töötlemisel saab samaaegset hulka kasutada andmete tõhusaks dedubleerimiseks. Mitu lõime saavad samaaegselt hulka elemente lisada, tagades, et töödeldakse ainult unikaalseid elemente.
• Reaalajas koostöö: Reaalajas koostöörakendustes saab samaaegset hulka kasutada selleks, et jälgida, millised kasutajad on hetkel võrgus või milliseid dokumente redigeeritakse. Näiteks koostööpõhine tekstiredaktor saaks kasutada samaaegset hulka, et hallata kasutajaid, kes parasjagu dokumenti redigeerivad.

Alternatiivid samaaegsetele hulkadele

Kuigi samaaegsed hulgad võivad teatud stsenaariumides olla kasulikud, on ka teisi alternatiive, mida võiksite kaaluda sõltuvalt teie konkreetsetest vajadustest:

• Muutumatud andmestruktuurid: Muutumatud andmestruktuurid on sellised andmestruktuurid, mida ei saa pärast nende loomist muuta. See välistab võidujooksu tingimuste võimaluse, sest ükski lõim ei saa andmestruktuuri kohapeal muuta. Teegid nagu Immutable.js pakuvad JavaScripti jaoks muutumatuid andmestruktuure. Siiski nõuavad muutumatud andmestruktuurid üldiselt muudatuste tegemisel andmetest uute koopiate loomist, mis võib jõudlust mõjutada.
• Sõnumite edastamine: Selle asemel, et andmeid otse lõimede vahel jagada, saate andmete edastamiseks lõimede vahel kasutada sõnumite edastamist. See lähenemine väldib vajadust jagatud mälu ja atomaarsete operatsioonide järele. Web Workerid ja Node.js-i töötajalõimed pakuvad sisseehitatud mehhanisme sõnumite edastamiseks.
• Lukustusmehhanismid: Saate kasutada selgesõnalisi lukustusmehhanisme (nt mutex'eid), et sünkroniseerida juurdepääsu jagatud andmetele. Siiski võib lukustamine tekitada konkurentsi ja ummikseise (deadlocks), seega tuleks seda kasutada ettevaatlikult. Luku rakendamine Atomics operatsioonide abil nõuab hoolikat kaalumist, et vältida aktiivset ootamist (spinlocks) ja tagada õiglus.

Jõudlusega seotud kaalutlused

Samaaegse hulga tõhus rakendamine nõuab hoolikat jõudluse kaalumist. Mõned tegurid, mida arvesse võtta, on järgmised:

• Konkurents (Contention): Suur konkurents võib tekkida, kui mitu lõime üritavad pidevalt samadele andmetele juurde pääseda. See võib viia jõudluse halvenemiseni sagedaste lukkude hankimiste ja vabastamiste tõttu. Konkurentsi minimeerimine on hea jõudluse saavutamiseks ülioluline.
• Atomaarsed operatsioonid: Atomaarsed operatsioonid võivad olla mitte-atomaarsete operatsioonidega võrreldes suhteliselt kulukad. Seetõttu on oluline minimeerida sooritatavate atomaarsete operatsioonide arvu.
• Mäluhaldus: Tõhus mäluhaldus on mälulekete ja fragmenteerumise vältimiseks ülioluline.
• Andmete lokaalsus: Juurdepääs andmetele, mis on mälus järjestikku salvestatud, on üldiselt kiirem kui juurdepääs andmetele, mis on mälus laiali. Seetõttu on samaaegse hulga kujundamisel oluline arvestada andmete lokaalsusega.

Parimad praktikad samaaegsete hulkade kasutamisel

Siin on mõned parimad praktikad, mida meeles pidada samaaegsete hulkade kasutamisel JavaScriptis:

• Minimeerige jagatud olekut: Püüdke minimeerida jagatud oleku hulka lõimede vahel. Mida vähem jagatud olekut teil on, seda vähem vajate sünkroniseerimismehhanisme.
• Kasutage atomaarseid operatsioone targalt: Kasutage atomaarseid operatsioone ainult siis, kui see on vajalik. Vältige atomaarsete operatsioonide kasutamist toiminguteks, mida saab sooritada ilma sünkroniseerimiseta.
• Kaaluge muutumatuid andmestruktuure: Võimalusel kaaluge muutumatute andmestruktuuride kasutamist muutuvate andmestruktuuride asemel. Muutumatud andmestruktuurid välistavad võidujooksu tingimuste võimaluse.
• Testige põhjalikult: Testige oma koodi põhjalikult, et tagada selle lõimekindlus ja võidujooksu tingimuste puudumine. Kasutage potentsiaalsete probleemide avastamiseks tööriistu nagu lõimeanalüsaatorid (thread sanitizers).
• Profileerige oma koodi: Profileerige oma koodi, et tuvastada jõudluse kitsaskohad. Kasutage profileerimisvahendeid, et mõõta oma samaaegse hulga jõudlust ja leida parenduskohti.

Kokkuvõte

Samaaegsed hulgad on väärtuslik tööriist jagatud andmete haldamiseks samaaegsetes JavaScripti keskkondades. Kuigi samaaegse hulga rakendamine nõuab hoolikat lõimekindluse, atomaarsuse ja jõudluse kaalumist, võivad paralleelse täitmise võimaldamise eelised olla märkimisväärsed. Kasutades SharedArrayBuffer'it ja Atomics'it, saate luua lõimekindlaid andmestruktuure, mis võimaldavad teil täielikult ära kasutada mitmetuumalisi protsessoreid ja parandada oma JavaScripti rakenduste jõudlust. Pidage meeles kaaluda erinevate samaaegsusmudelite kompromisse ja valida lähenemisviis, mis sobib kõige paremini teie konkreetsetele vajadustele.

Kuna JavaScript areneb pidevalt ja leiab tee üha enamatesse samaaegsetesse keskkondadesse, kasvab lõimekindlate andmestruktuuride, nagu samaaegsed hulgad, tähtsus veelgi. Mõistes selles artiklis käsitletud põhimõtteid ja tehnikaid, olete hästi varustatud, et ehitada robustseid ja skaleeritavaid samaaegseid JavaScripti rakendusi.

SharedArrayBufferi ja Atomicsi korrektse kasutamise keerukust ei tohiks alahinnata. Enne keeruliste mitmelõimeliste andmestruktuuride katsetamist veenduge, et teil on kindel arusaam samaaegsuse mustritest ja potentsiaalsetest lõksudest nagu ummikseisud (deadlocks), elusseisud (livelocks) ja mälukonkurents. Samaaegsetele andmestruktuuridele spetsialiseerunud teegid võivad pakkuda valmisehitatud ja hästi testitud lahendusi, vähendades peente vigade sissetoomise riski.