Uurige JavaScripti samaaegseid hulki, nende rakendamist Atomicsi ja SharedArrayBufferi abil lÔimekindluse tagamiseks ning nende rakendusi paralleelarvutustes.
JavaScript'i samaaegne hulk (Concurrent Set): LÔimekindlad hulgaoperatsioonid
JavaScript, traditsiooniliselt tuntud kui ĂŒhelĂ”imeline keel, leiab ĂŒha enam kasutust keskkondades, kus samaaegsus on hĂ€davajalik. Kuigi JavaScript kĂ€itab koodi brauseris peamiselt ĂŒhel lĂ”imel, vĂ”imaldavad Web Workerid ja Node.js-i töötajalĂ”imed paralleelset tĂ€itmist. See teeb vajalikuks andmestruktuuride arendamise, mis on samaaegseks juurdepÀÀsuks ohutud. Ăks selline andmestruktuur on samaaegne hulk (Concurrent Set), standardse hulga variatsioon, mis tagab operatsioonide ajal lĂ”imekindluse.
Samaaegsuse mÔistmine JavaScriptis
Enne samaaegsetesse hulkadesse sĂŒvenemist vaatame lĂŒhidalt ĂŒle samaaegsuse JavaScriptis.
- ĂhelĂ”imeline mudel: JavaScripti pĂ”hiline tĂ€itmismudel brauserites on ĂŒhelĂ”imeline. See tĂ€hendab, et korraga saab kĂ€itada ainult ĂŒhte koodijuppi.
- AsĂŒnkroonsed operatsioonid: Mitme ĂŒlesande samaaegseks haldamiseks tugineb JavaScript tugevalt asĂŒnkroonsetele operatsioonidele, kasutades tagasikutseid (callbacks), lubadusi (Promises) ja async/await. Need tehnikad ei loo tĂ”elist paralleelsust, kuid hoiavad Ă€ra pĂ”hilĂ”ime blokeerimise.
- Veebitöötajad (Web Workers): Web Workerid vĂ”imaldavad tĂ”elist paralleelset tĂ€itmist, kĂ€itades JavaScripti koodi taustalĂ”imedes. See on ĂŒlioluline arvutusmahukate ĂŒlesannete jaoks, mis muidu kĂŒlmutaksid kasutajaliidese. NĂ€iteks pilditöötluse vĂ”i keerulised arvutused saab delegeerida Web Workerile.
- Node.js-i töötajalÔimed (Worker Threads): Node.js pakub sarnast mehhanismi töötajalÔimedega, mis vÔimaldab kasutada mitmetuumalisi protsessoreid parema serveripoolse jÔudluse saavutamiseks. See on eriti kasulik arvukate samaaegsete pÀringute kÀsitlemisel.
Kui mitu lÔime pÀÀsevad juurde ja muudavad jagatud andmeid, vÔivad tekkida vÔidujooksu tingimused (race conditions). VÔidujooksu tingimus tekib siis, kui operatsiooni tulemus sÔltub lÔimede ettearvamatust tÀitmisjÀrjekorrast. See vÔib viia andmete riknemiseni ja ootamatu kÀitumiseni. SeetÔttu on lÔimekindlad andmestruktuurid jagatud andmete haldamiseks samaaegsetes keskkondades hÀdavajalikud.
Mis on samaaegne hulk (Concurrent Set)?
Samaaegne hulk on hulga (Set) andmestruktuur, mis pakub lĂ”imekindlaid operatsioone. See tĂ€hendab, et mitu lĂ”ime saavad samaaegselt lisada, eemaldada vĂ”i kontrollida elementide olemasolu hulgas, pĂ”hjustamata andmete riknemist vĂ”i vĂ”idujooksu tingimusi. Samaaegse hulga pĂ”hiidee on pakkuda mehhanisme juurdepÀÀsu sĂŒnkroniseerimiseks aluseks olevale andmehoidlale.
Samaaegse hulga pÔhiomadused:
- LÔimekindlus: Tagab, et operatsioonid on atomaarsed ja jÀrjepidevad, isegi kui neid teostavad samaaegselt mitu lÔime.
- Atomaarsus: Kindlustab, et iga operatsioon (nt lisamine, eemaldamine, kontrollimine) teostatakse ĂŒhe, jagamatu ĂŒhikuna.
- JÀrjepidevus: SÀilitab andmestruktuuri terviklikkuse, vÀltides andmete riknemist.
- Lukuvaba vÔi lukupÔhine: Saab rakendada lukuvabade algoritmide abil (mis on keerukamad, kuid potentsiaalselt parema jÔudlusega) vÔi selgesÔnaliste lukkudega (mida on lihtsam rakendada, kuid mis vÔivad tekitada konkurentsi).
Samaaegse hulga rakendamine JavaScriptis
Samaaegse hulga rakendamine JavaScriptis nÔuab funktsioonide kasutamist, mis vÔimaldavad jagatud mÀlu ja atomaarseid operatsioone. Peamised tööriistad selleks on SharedArrayBuffer ja Atomics.
1. SharedArrayBuffer
SharedArrayBuffer on JavaScripti objekt, mis vÔimaldab mitmel Web Workeril vÔi Node.js-i töötajalÔimel pÀÀseda juurde samale mÀluruumile. See pakub viisi andmete jagamiseks lÔimede vahel, mis on hÀdavajalik samaaegsete andmestruktuuride ehitamiseks.
NĂ€ide:
// Loome 1024-baidise SharedArrayBufferi
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);
2. Atomics
Atomics objekt pakub atomaarseid operatsioone, mida saab kasutada lÔimekindlate operatsioonide teostamiseks SharedArrayBuffer'is talletatud andmetega. Atomaarsed operatsioonid on garanteeritult jagamatud, vÀltides vÔidujooksu tingimusi. Atomics objekt pakub meetodeid vÀÀrtuste atomaarseks lugemiseks, kirjutamiseks ja muutmiseks SharedArrayBuffer'is.
NĂ€ide:
// Loome SharedArrayBufferi peale Uint32Array vaate
const atomicArray = new Uint32Array(sharedBuffer);
// Lisame atomaarselt vÀÀrtusele indeksil 0 arvu 1
Atomics.add(atomicArray, 0, 1);
Samaaegse hulga kontseptuaalne rakendamine
Siin on kontseptuaalne ĂŒlevaade, kuidas vĂ”iksite rakendada samaaegset hulka JavaScriptis, kasutades SharedArrayBuffer'it ja Atomics'it. Pange tĂ€hele, et tootmisvalmis rakendus nĂ”uaks oluliselt rohkem keerukust kokkupĂ”rgete, suuruse muutmise ja tĂ”husa mĂ€luhalduse kĂ€sitlemiseks.
- Aluseks olev andmehoidla: Kasutage
SharedArrayBuffer'it hulga elementide salvestamiseks. Kuna JavaScript ei toeta otse suvaliste objektide salvestamist tĂŒĂŒbimassiivi, on teil vaja mehhanismi objektide serialiseerimiseks/deserialiseerimiseks baidiesitusse ja tagasi. Levinud tehnika on kasutada tĂ€isarvude massiivi indeksitena eraldi objektihoidlasse. - Atomaarsed operatsioonid: Kasutage
Atomicsoperatsioone lÔimekindlate toimingute tegemiseks aluseks oleval andmehoidlal. NÀiteks vÔite kasutadaAtomics.compareExchange'i elementide atomaarseks lisamiseks vÔi eemaldamiseks hulgast. - KokkupÔrgete kÀsitlemine: Rakendage kokkupÔrgete lahendamise strateegia (nt eraldi aheldamine vÔi avatud adresseerimine), et kÀsitleda juhtumeid, kus mitu elementi vastavad samale indeksile hoidlas.
- Suuruse muutmine: Rakendage suuruse muutmise mehhanism, et vajadusel dĂŒnaamiliselt suurendada hulga mahtu.
Lihtsustatud nÀide (ainult illustratiivne - mitte tootmisvalmis)
JĂ€rgnev nĂ€ide on lihtsustatud illustratsioon. See jĂ€tab tĂ€helepanuta olulised detailid, nagu mĂ€luhaldus, kokkupĂ”rgete lahendamine ja korrektne serialiseerimine. Ărge 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; // VÔi muuda suurust, kui vaja (keeruline)
}
remove(value) {
// Lihtsustatud eemaldamine (pole tÔeliselt atomaarne ilma lukkudeta vÔi compareExchange'ita)
for (let i = 0; i < this.length; i++) {
if (Atomics.load(this.data, i) === value) {
// Asenda viimase elemendiga (jÀrjekord pole tagatud)
Atomics.store(this.data, i, Atomics.load(this.data,this.length -1));
this.length--;
return true;
}
}
return false;
}
}
Selgitus:
- Klass
ConcurrentSetkasutab elementide salvestamiseksSharedArrayBuffer'it. - Meetod
hasitereerib lÀbi massiivi, et kontrollida, kas element on olemas. - Meetod
addlisab elemendi massiivi, kui seda veel pole ja kui ruumi on saadaval. - Meetod
removeasendab elemendi massiivi viimase elemendiga ja vÀhendab 'length' vÀÀrtust.
Olulised kaalutlused:
- Serialiseerimine: See lihtsustatud nÀide kasutab otse tÀisarve. Keerukamate objektide jaoks peate rakendama serialiseerimis-/deserialiseerimismehhanismi, et teisendada objekte baidiesitusse ja tagasi, mida saab salvestada
SharedArrayBuffer'isse. - KokkupÔrgete lahendamine: See nÀide ei kÀsitle kokkupÔrkeid. TÔelises rakenduses vajate kokkupÔrgete lahendamise strateegiat.
- Suuruse muutmine: See nÀide ei kÀsitle
SharedArrayBuffer'i suuruse muutmist.SharedArrayBuffer'i suuruse muutmine on keeruline ja nĂ”uab uue puhvri loomist ning andmete kopeerimist. - Lukustamine/sĂŒnkroniseerimine: Kuigi Atomics pakub atomaarseid operatsioone, vĂ”ivad keerukamad operatsioonid nĂ”uda lĂ”imekindluse tagamiseks selgesĂ”nalisi lukustusmehhanisme (nt kasutades Atomicsiga rakendatud mutex'it). Ălaltoodud lihtsal eemaldamismeetodil on vĂ”idujooksu tingimused.
Samaaegsete hulkade kasutusjuhud
Samaaegsed hulgad on kasulikud mitmesugustes stsenaariumides, kus mitu lÔime peavad samaaegselt juurde pÀÀsema ja muutma andmete hulka. MÔned levinumad kasutusjuhud hÔlmavad:
- Paralleelne andmetöötlus: Suurte andmekogumite paralleelsel töötlemisel Web Workerite vĂ”i Node.js-i töötajalĂ”imede abil saab samaaegset hulka kasutada vahetulemuste salvestamiseks vĂ”i juba töödeldud elementide jĂ€lgimiseks. NĂ€iteks hajutatud pilditöötluskonveieris saaks samaaegne hulk jĂ€lgida, milliseid pildi tĂŒkke on erinevad töötajad töödelnud.
- VahemĂ€llu salvestamine: MitmelĂ”imelises serverikeskkonnas saab samaaegset hulka kasutada lĂ”imekindla vahemĂ€lu rakendamiseks. Mitu lĂ”ime saavad samaaegselt lisada, eemaldada vĂ”i kontrollida vahemĂ€llu salvestatud ĂŒksuste olemasolu, pĂ”hjustamata vĂ”idujooksu tingimusi.
- Dedubleerimine: Mitmest allikast pÀrineva andmevoo töötlemisel saab samaaegset hulka kasutada andmete tÔhusaks dedubleerimiseks. Mitu lÔime saavad samaaegselt hulka elemente lisada, tagades, et töödeldakse ainult unikaalseid elemente.
- Reaalajas koostöö: Reaalajas koostöörakendustes saab samaaegset hulka kasutada selleks, et jÀlgida, millised kasutajad on hetkel vÔrgus vÔi milliseid dokumente redigeeritakse. NÀiteks koostööpÔhine tekstiredaktor saaks kasutada samaaegset hulka, et hallata kasutajaid, kes parasjagu dokumenti redigeerivad.
Alternatiivid samaaegsetele hulkadele
Kuigi samaaegsed hulgad vÔivad teatud stsenaariumides olla kasulikud, on ka teisi alternatiive, mida vÔiksite kaaluda sÔltuvalt teie konkreetsetest vajadustest:
- Muutumatud andmestruktuurid: Muutumatud andmestruktuurid on sellised andmestruktuurid, mida ei saa pĂ€rast nende loomist muuta. See vĂ€listab vĂ”idujooksu tingimuste vĂ”imaluse, sest ĂŒkski lĂ”im ei saa andmestruktuuri kohapeal muuta. Teegid nagu Immutable.js pakuvad JavaScripti jaoks muutumatuid andmestruktuure. Siiski nĂ”uavad muutumatud andmestruktuurid ĂŒldiselt muudatuste tegemisel andmetest uute koopiate loomist, mis vĂ”ib jĂ”udlust mĂ”jutada.
- SÔnumite edastamine: Selle asemel, et andmeid otse lÔimede vahel jagada, saate andmete edastamiseks lÔimede vahel kasutada sÔnumite edastamist. See lÀhenemine vÀldib vajadust jagatud mÀlu ja atomaarsete operatsioonide jÀrele. Web Workerid ja Node.js-i töötajalÔimed pakuvad sisseehitatud mehhanisme sÔnumite edastamiseks.
- Lukustusmehhanismid: Saate kasutada selgesĂ”nalisi lukustusmehhanisme (nt mutex'eid), et sĂŒnkroniseerida juurdepÀÀsu jagatud andmetele. Siiski vĂ”ib lukustamine tekitada konkurentsi ja ummikseise (deadlocks), seega tuleks seda kasutada ettevaatlikult. Luku rakendamine Atomics operatsioonide abil nĂ”uab hoolikat kaalumist, et vĂ€ltida aktiivset ootamist (spinlocks) ja tagada Ă”iglus.
JÔudlusega seotud kaalutlused
Samaaegse hulga tÔhus rakendamine nÔuab hoolikat jÔudluse kaalumist. MÔned tegurid, mida arvesse vÔtta, on jÀrgmised:
- Konkurents (Contention): Suur konkurents vĂ”ib tekkida, kui mitu lĂ”ime ĂŒritavad pidevalt samadele andmetele juurde pÀÀseda. See vĂ”ib viia jĂ”udluse halvenemiseni sagedaste lukkude hankimiste ja vabastamiste tĂ”ttu. Konkurentsi minimeerimine on hea jĂ”udluse saavutamiseks ĂŒlioluline.
- Atomaarsed operatsioonid: Atomaarsed operatsioonid vÔivad olla mitte-atomaarsete operatsioonidega vÔrreldes suhteliselt kulukad. SeetÔttu on oluline minimeerida sooritatavate atomaarsete operatsioonide arvu.
- MĂ€luhaldus: TĂ”hus mĂ€luhaldus on mĂ€lulekete ja fragmenteerumise vĂ€ltimiseks ĂŒlioluline.
- Andmete lokaalsus: JuurdepÀÀs andmetele, mis on mĂ€lus jĂ€rjestikku salvestatud, on ĂŒldiselt kiirem kui juurdepÀÀs andmetele, mis on mĂ€lus laiali. SeetĂ”ttu on samaaegse hulga kujundamisel oluline arvestada andmete lokaalsusega.
Parimad praktikad samaaegsete hulkade kasutamisel
Siin on mÔned parimad praktikad, mida meeles pidada samaaegsete hulkade kasutamisel JavaScriptis:
- Minimeerige jagatud olekut: PĂŒĂŒdke minimeerida jagatud oleku hulka lĂ”imede vahel. Mida vĂ€hem jagatud olekut teil on, seda vĂ€hem vajate sĂŒnkroniseerimismehhanisme.
- Kasutage atomaarseid operatsioone targalt: Kasutage atomaarseid operatsioone ainult siis, kui see on vajalik. VĂ€ltige atomaarsete operatsioonide kasutamist toiminguteks, mida saab sooritada ilma sĂŒnkroniseerimiseta.
- Kaaluge muutumatuid andmestruktuure: VÔimalusel kaaluge muutumatute andmestruktuuride kasutamist muutuvate andmestruktuuride asemel. Muutumatud andmestruktuurid vÀlistavad vÔidujooksu tingimuste vÔimaluse.
- Testige pĂ”hjalikult: Testige oma koodi pĂ”hjalikult, et tagada selle lĂ”imekindlus ja vĂ”idujooksu tingimuste puudumine. Kasutage potentsiaalsete probleemide avastamiseks tööriistu nagu lĂ”imeanalĂŒsaatorid (thread sanitizers).
- Profileerige oma koodi: Profileerige oma koodi, et tuvastada jÔudluse kitsaskohad. Kasutage profileerimisvahendeid, et mÔÔta oma samaaegse hulga jÔudlust ja leida parenduskohti.
KokkuvÔte
Samaaegsed hulgad on vÀÀrtuslik tööriist jagatud andmete haldamiseks samaaegsetes JavaScripti keskkondades. Kuigi samaaegse hulga rakendamine nÔuab hoolikat lÔimekindluse, atomaarsuse ja jÔudluse kaalumist, vÔivad paralleelse tÀitmise vÔimaldamise eelised olla mÀrkimisvÀÀrsed. Kasutades SharedArrayBuffer'it ja Atomics'it, saate luua lÔimekindlaid andmestruktuure, mis vÔimaldavad teil tÀielikult Àra kasutada mitmetuumalisi protsessoreid ja parandada oma JavaScripti rakenduste jÔudlust. Pidage meeles kaaluda erinevate samaaegsusmudelite kompromisse ja valida lÀhenemisviis, mis sobib kÔige paremini teie konkreetsetele vajadustele.
Kuna JavaScript areneb pidevalt ja leiab tee ĂŒha enamatesse samaaegsetesse keskkondadesse, kasvab lĂ”imekindlate andmestruktuuride, nagu samaaegsed hulgad, tĂ€htsus veelgi. MĂ”istes selles artiklis kĂ€sitletud pĂ”himĂ”tteid ja tehnikaid, olete hĂ€sti varustatud, et ehitada robustseid ja skaleeritavaid samaaegseid JavaScripti rakendusi.
SharedArrayBufferi ja Atomicsi korrektse kasutamise keerukust ei tohiks alahinnata. Enne keeruliste mitmelÔimeliste andmestruktuuride katsetamist veenduge, et teil on kindel arusaam samaaegsuse mustritest ja potentsiaalsetest lÔksudest nagu ummikseisud (deadlocks), elusseisud (livelocks) ja mÀlukonkurents. Samaaegsetele andmestruktuuridele spetsialiseerunud teegid vÔivad pakkuda valmisehitatud ja hÀsti testitud lahendusi, vÀhendades peente vigade sissetoomise riski.