JavaScripti SharedArrayBuffer ja Atomics: Lõimekindlate Operatsioonide Saavutamine

JavaScript, mis on traditsiooniliselt tuntud kui ühe lõimega keel, on arenenud, et kasutada paralleelsust veebitöötajate kaudu. Kuid tõeline jagatud mälu paralleelsus oli ajalooliselt puudu, piirates suure jõudlusega paralleelarvutuste potentsiaali brauseris. SharedArrayBuffer ja Atomics kasutuselevõtuga pakub JavaScript nüüd mehhanisme jagatud mälu haldamiseks ja juurdepääsu sünkroonimiseks mitme lõime vahel, avades uusi võimalusi jõudluskriitilistele rakendustele.

Jagatud Mälu ja Atomics'i Vajaduse Mõistmine

Enne spetsiifikasse sukeldumist on ülioluline mõista, miks jagatud mälu ja aatomioperatsioonid on teatud tüüpi rakenduste jaoks olulised. Kujutage ette keerukat pilditöötlusrakendust, mis töötab brauseris. Ilma jagatud mäluta muutub suure pilditeabe edastamine veebitöötajate vahel kulukaks operatsiooniks, mis hõlmab serialiseerimist ja deserialiseerimist (kogu andmestruktuuri kopeerimist). See lisakulu võib jõudlust oluliselt mõjutada.

Jagatud mälu võimaldab veebitöötajatel otse juurde pääseda ja muuta sama mälu ruumi, kõrvaldades vajaduse andmete kopeerimiseks. Kuid samaaegne juurdepääs jagatud mälule suurendab võidujooksude ohtu – olukorrad, kus mitu lõime üritavad samaaegselt lugeda või kirjutada samasse mälu asukohta, mis viib ettearvamatute ja potentsiaalselt valede tulemusteni. Siin tulevad mängu Atomics.

Mis on SharedArrayBuffer?

SharedArrayBuffer on JavaScripti objekt, mis tähistab töötlemata mälublokki, sarnaselt ArrayBuffer-ile, kuid olulise erinevusega: seda saab jagada erinevate täitmiskontekstide vahel, näiteks veebitöötajate vahel. Seda jagamist saavutatakse SharedArrayBuffer objekti edastamisega ühele või mitmele veebitöötajale. Kui see on jagatud, saavad kõik töötajad otse juurde pääseda ja muuta aluseks olevat mälu.

Näide: SharedArrayBufferi loomine ja jagamine

Esiteks looge SharedArrayBuffer peamise lõime sees:

const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024); // 1KB puhver

Seejärel looge veebitöötaja ja edastage puhver:

const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage(sharedBuffer);

Failis worker.js pääsete juurde puhvrile:

self.onmessage = function(event) {
  const sharedBuffer = event.data; // Saadi SharedArrayBuffer
  const uint8Array = new Uint8Array(sharedBuffer); // Looge tüübitud massiivi vaade
  // Nüüd saate lugeda/kirjutada uint8Array-sse, mis muudab jagatud mälu
  uint8Array[0] = 42; // Näide: Kirjutage esimesse baiti
};

Olulised kaalutlused:

• Tüübitud Massiivid: Kuigi SharedArrayBuffer tähistab töötlemata mälu, suhtlete sellega tavaliselt tüübitud massiivide abil (nt Uint8Array, Int32Array, Float64Array). Tüübitud massiivid pakuvad struktureeritud vaadet aluseks olevale mälule, võimaldades teil lugeda ja kirjutada konkreetseid andmetüüpe.
• Turvalisus: Mälu jagamine tekitab turvaprobleeme. Veenduge, et teie kood valideerib korralikult veebitöötajatelt saadud andmed ja takistab pahatahtlikel tegijatel jagatud mälu haavatavuste ärakasutamist. Cross-Origin-Opener-Policy ja Cross-Origin-Embedder-Policy päiste kasutamine on Spectre ja Meltdown haavatavuste leevendamiseks ülioluline. Need päised isoleerivad teie päritolu teistest päritoludest, takistades neil juurdepääsu teie protsessi mälule.

Mis on Atomics?

Atomics on staatiline klass JavaScriptis, mis pakub aatomioperatsioone jagatud mälu asukohtades lugemis-muutmis-kirjutamise operatsioonide tegemiseks. Garanteeritakse, et aatomioperatsioonid on jagamatud; need täidetakse ühe katkestamatu sammuna. See tagab, et ükski teine lõim ei saa operatsiooni ajal sekkuda, vältides võidujookse.

Peamised Aatomioperatsioonid:

• Atomics.load(typedArray, index): Loeb aatomiliselt väärtuse tüübitud massiivi määratud indeksist.
• Atomics.store(typedArray, index, value): Kirjutab aatomiliselt väärtuse tüübitud massiivi määratud indeksisse.
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue): Võrdleb aatomiliselt väärtust määratud indeksis väärtusega expectedValue. Kui need on võrdsed, asendatakse väärtus väärtusega replacementValue. Tagastab algse väärtuse indeksis.
• Atomics.add(typedArray, index, value): Lisab aatomiliselt väärtuse value väärtusele määratud indeksis ja tagastab uue väärtuse.
• Atomics.sub(typedArray, index, value): Lahutab aatomiliselt väärtuse value väärtusest määratud indeksis ja tagastab uue väärtuse.
• Atomics.and(typedArray, index, value): Teostab aatomiliselt bitikaupa AND operatsiooni väärtusel määratud indeksis väärtusega value ja tagastab uue väärtuse.
• Atomics.or(typedArray, index, value): Teostab aatomiliselt bitikaupa VÕI operatsiooni väärtusel määratud indeksis väärtusega value ja tagastab uue väärtuse.
• Atomics.xor(typedArray, index, value): Teostab aatomiliselt bitikaupa XOR operatsiooni väärtusel määratud indeksis väärtusega value ja tagastab uue väärtuse.
• Atomics.exchange(typedArray, index, value): Asendab aatomiliselt väärtuse määratud indeksis väärtusega value ja tagastab vana väärtuse.
• Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout): Blokeerib praeguse lõime, kuni väärtus määratud indeksis erineb väärtusest value või kuni ajalõpp saabub. See on osa ootamis-/teatamismehhanismist.
• Atomics.notify(typedArray, index, count): Äratab määratud indeksis count arvu ootavaid lõimesid.

Praktilised Näited ja Kasutusjuhtumid

Uurime mõningaid praktilisi näiteid, et illustreerida, kuidas SharedArrayBuffer ja Atomics saab kasutada reaalsete probleemide lahendamiseks:

1. Paralleelarvutus: Pilditöötlus

Kujutage ette, et peate brauseris suurele pildile filtri rakendama. Saate pildi jagada tükkideks ja määrata iga tüki töötlemiseks erinevale veebitöötajale. Kasutades SharedArrayBuffer-it, saab kogu pildi salvestada jagatud mällu, kõrvaldades vajaduse pildiandmete kopeerimiseks töötajate vahel.

Rakendusskeem:

1. Laadige pildiandmed SharedArrayBuffer-isse.
2. Jagage pilt ristkülikukujulisteks piirkondadeks.
3. Looge veebitöötajate kogum.
4. Määrake iga piirkond töötajale töötlemiseks. Edastage piirkonna koordinaadid ja mõõtmed töötajale.
5. Iga töötaja rakendab filtri oma määratud piirkonnale jagatud SharedArrayBuffer-i sees.
6. Kui kõik töötajad on lõpetanud, on töödeldud pilt saadaval jagatud mälus.

Sünkroonimine Atomics'iga:

Tagamaks, et peamine lõim teaks, millal kõik töötajad on oma piirkondade töötlemise lõpetanud, saate kasutada aatomi loendurit. Iga töötaja suurendab pärast oma ülesande lõpetamist aatomiliselt loendurit. Peamine lõim kontrollib perioodiliselt loendurit, kasutades Atomics.load. Kui loendur jõuab eeldatava väärtuseni (võrdne piirkondade arvuga), teab peamine lõim, et kogu pilditöötlus on lõpetatud.

// Pealõimes:
const numRegions = 4; // Näide: Jagage pilt 4 piirkonnaks
const completedRegions = new Int32Array(sharedBuffer, offset, 1); // Aatomi loendur
Atomics.store(completedRegions, 0, 0); // Initsialiseerige loendur väärtusega 0

// Igas töötajas:
// ... töötle piirkonda ...
Atomics.add(completedRegions, 0, 1); // Suurendage loendurit

// Pealõimes (kontrollige perioodiliselt):
let count = Atomics.load(completedRegions, 0);
if (count === numRegions) {
  // Kõik piirkonnad on töödeldud
  console.log('Pilditöötlus on lõpetatud!');
}

2. Samaaegsed Andmestruktuurid: Lukuvaba Järjekorra Ehitamine

SharedArrayBuffer ja Atomics saab kasutada lukuvabade andmestruktuuride, näiteks järjekordade juurutamiseks. Lukuvabad andmestruktuurid võimaldavad mitmel lõimel samaaegselt andmestruktuurile juurde pääseda ja seda muuta ilma traditsiooniliste lukkude lisakuludeta.

Lukuvabade Järjekordade Väljakutsed:

• Võidujooksud: Samaaegne juurdepääs järjekorra pea- ja sabanäitajatele võib põhjustada võidujookse.
• Mälu Haldamine: Tagage korralik mälu haldamine ja vältige mälu lekkeid elementide järjekorda lisamisel ja eemaldamisel.

Aatomioperatsioonid Sünkroonimiseks:

Aatomioperatsioone kasutatakse selle tagamiseks, et pea- ja sabanäitajad värskendatakse aatomiliselt, vältides võidujookse. Näiteks saab Atomics.compareExchange kasutada sabanäitaja aatomiliseks värskendamiseks elemendi järjekorda lisamisel.

3. Suure Jõudlusega Numbrilised Arvutused

Rakendused, mis hõlmavad intensiivseid numbrilisi arvutusi, nagu teaduslikud simulatsioonid või finantsmudelid, võivad oluliselt kasu saada paralleelsest töötlemisest, kasutades SharedArrayBuffer-it ja Atomics-it. Suuri numbriliste andmete massiive saab salvestada jagatud mällu ja töödelda samaaegselt mitme töötaja poolt.

Levinud Lõkse ja Parimad Tavad

Kuigi SharedArrayBuffer ja Atomics pakuvad võimsaid võimalusi, toovad need kaasa ka keerukusi, mis nõuavad hoolikat kaalumist. Siin on mõned levinud lõkse ja parimad tavad, mida järgida:

• Andmete Võidujooksud: Kasutage alati aatomioperatsioone, et kaitsta jagatud mälu asukohti andmete võidujooksude eest. Analüüsige hoolikalt oma koodi, et tuvastada potentsiaalsed võidujooksud ja tagada, et kõik jagatud andmed on korralikult sünkroonitud.
• Vale Jagamine: Vale jagamine tekib siis, kui mitu lõime pääsevad juurde erinevatele mälu asukohtadele samas vahemäluliinis. See võib põhjustada jõudluse langust, kuna vahemäluliin tühistatakse ja laaditakse pidevalt lõimede vahel uuesti. Vale jagamise vältimiseks polsterdage jagatud andmestruktuure, et tagada, et iga lõim pääseb juurde oma vahemäluliinile.
• Mälu Järjestus: Mõistke aatomioperatsioonide pakutavaid mälu järjestuse garantiisid. JavaScripti mälumudel on suhteliselt lõtv, seega võib teil olla vaja kasutada mälu barjääre (piirdeid), et tagada operatsioonide täitmine soovitud järjekorras. Kuid JavaScripti Atomics pakub juba järjestikku ühtlast järjestust, mis lihtsustab paralleelsuse kohta arutlemist.
• Jõudluse Lisakulu: Aatomioperatsioonidel võib olla jõudluse lisakulu võrreldes mitte-aatomioperatsioonidega. Kasutage neid mõistlikult ainult siis, kui on vaja jagatud andmeid kaitsta. Kaaluge paralleelsuse ja sünkroonimise lisakulu vahelist kompromissi.
• Silumine: Samaaegse koodi silumine võib olla keeruline. Kasutage logimist ja silumistööriistu, et tuvastada võidujookse ja muid paralleelsuse probleeme. Kaaluge samaaegseks programmeerimiseks mõeldud spetsiaalsete silumistööriistade kasutamist.
• Turvalisuse Mõjud: Olge teadlik lõimede vahel mälu jagamise turvalisuse mõjudest. Puhastage ja valideerige korralikult kogu sisend, et vältida pahatahtliku koodi ärakasutamist jagatud mälu haavatavuste korral. Veenduge, et on seatud õiged Cross-Origin-Opener-Policy ja Cross-Origin-Embedder-Policy päised.
• Kasutage Raamatukogu: Kaaluge olemasolevate raamatukogude kasutamist, mis pakuvad kõrgema taseme abstraktsioone samaaegseks programmeerimiseks. Need raamatukogud aitavad teil vältida levinud lõkse ja lihtsustada samaaegsete rakenduste arendamist. Näideteks on raamatukogud, mis pakuvad lukuvabasid andmestruktuure või ülesannete ajastamise mehhanisme.

Alternatiivid SharedArrayBufferile ja Atomics'ile

Kuigi SharedArrayBuffer ja Atomics on võimsad tööriistad, ei ole need alati parim lahendus iga probleemi jaoks. Siin on mõned alternatiivid, mida kaaluda:

• Sõnumiedastus: Kasutage postMessage-it andmete saatmiseks veebitöötajate vahel. See lähenemisviis väldib jagatud mälu ja kõrvaldab võidujooksude ohu. Kuid see hõlmab andmete kopeerimist, mis võib olla suurte andmestruktuuride puhul ebatõhus.
• WebAssembly Lõimed: WebAssembly toetab lõimesid ja jagatud mälu, pakkudes madalama taseme alternatiivi SharedArrayBuffer-ile ja Atomics-ile. WebAssembly võimaldab teil kirjutada suure jõudlusega samaaegset koodi, kasutades selliseid keeli nagu C++ või Rust.
• Mahalaadimine Serverisse: Arvutusmahukate ülesannete korral kaaluge töö mahalaadimist serverisse. See võib vabastada brauseri ressursse ja parandada kasutajakogemust.

Brauseri Tugi ja Saadavus

SharedArrayBuffer ja Atomics on laialdaselt toetatud kaasaegsetes brauserites, sealhulgas Chrome, Firefox, Safari ja Edge. Kuid on oluline kontrollida brauseri ühilduvustabelit, et tagada, et teie sihtbrauserid neid funktsioone toetavad. Samuti tuleb turvakaalutlustel konfigureerida õiged HTTP-päised (COOP/COEP). Kui nõutavad päised puuduvad, võib brauser SharedArrayBufferi keelata.

Järeldus

SharedArrayBuffer ja Atomics on JavaScripti võimaluste oluline edasiminek, mis võimaldab arendajatel luua suure jõudlusega samaaegseid rakendusi, mis varem olid võimatud. Mõistes jagatud mälu, aatomioperatsioonide ja samaaegse programmeerimise võimalike lõksude kontseptsioone, saate neid funktsioone kasutada uuenduslike ja tõhusate veebirakenduste loomiseks. Kuid olge ettevaatlik, seadke turvalisus esikohale ja kaaluge hoolikalt kompromisse enne SharedArrayBuffer-i ja Atomics-i kasutuselevõttu oma projektides. Kuna veebiplatvorm areneb edasi, mängivad need tehnoloogiad üha olulisemat rolli selles, et nihutada piire, mis on brauseris võimalik. Enne nende kasutamist veenduge, et olete tegelenud turvalisuse probleemidega, mida need võivad tekitada, peamiselt õigete COOP/COEP päise konfiguratsioonide kaudu.