JavaScript SharedArrayBuffer lukuvabad algoritmid: aatomioperatsioonide mustrid

Kaasaegsed veebirakendused on jõudluse ja reageerimisvõime osas üha nõudlikumad. Kuna JavaScript areneb, kasvab ka vajadus täiustatud tehnikate järele, et kasutada mitmetuumaliste protsessorite võimsust ja parandada samaaegsust. Üks selline tehnika hõlmab SharedArrayBuffer'i ja aatomioperatsioonide kasutamist lukuvabade algoritmide loomiseks. See lähenemisviis võimaldab erinevatel lõimedel (veebitöötajatel) pääseda jagatud mälule ja seda muuta ilma traditsiooniliste lukkude lisakoormuseta, mis toob kaasa märkimisväärse jõudluse kasvu teatud stsenaariumide korral. See artikkel süveneb lukuvabade algoritmide kontseptsioonidesse, juurutamisse ja praktilistesse rakendustesse JavaScriptis, tagades juurdepääsetavuse globaalsele publikule, kellel on erinev tehniline taust.

SharedArrayBufferi ja Atomicsi mõistmine

SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer on JavaScripti lisatud andmestruktuur, mis võimaldab mitmel töötajal (lõimel) pääseda samale mäluruumile ja seda muuta. Enne selle kasutuselevõttu tugines JavaScripti samaaegsusmudel peamiselt sõnumite edastamisele töötajate vahel, mis põhjustas andmete kopeerimisest tulenevaid lisakulusid. SharedArrayBuffer kõrvaldab selle lisakulu, pakkudes jagatud mäluruumi, võimaldades töötajate vahel palju kiiremat suhtlust ja andmete jagamist.

Oluline on märkida, et SharedArrayBuffer'i kasutamine nõuab Cross-Origin Opener Policy (COOP) ja Cross-Origin Embedder Policy (COEP) päiste lubamist JavaScripti koodi teenindavas serveris. See on turvameede Spectre ja Meltdowni haavatavuste leevendamiseks, mida saab potentsiaalselt ära kasutada, kui jagatud mälu kasutatakse ilma nõuetekohase kaitseta. Nende päiste seadistamata jätmine takistab SharedArrayBuffer'i õiget toimimist.

Atomics

Kuigi SharedArrayBuffer pakub jagatud mäluruumi, on Atomics objekt, mis pakub selles mälus aatomioperatsioone. Aatomioperatsioonid on garanteeritud jagamatuks; need kas lõpetatakse täielikult või üldse mitte. See on ülioluline võidujooksude vältimiseks ja andmete järjepidevuse tagamiseks, kui mitu töötajat samaaegselt jagatud mälule juurde pääsevad ja seda muudavad. Ilma aatomioperatsioonideta oleks võimatu usaldusväärselt jagatud andmeid ilma lukustamata värskendada, mis muudaks SharedArrayBuffer'i kasutamise eesmärgi algusest peale mõttetuks.

Objekt Atomics pakub erinevaid meetodeid aatomioperatsioonide tegemiseks erinevat tüüpi andmetel, sealhulgas:

• Atomics.add(typedArray, index, value): liidab aatomiliselt väärtuse tüübitud massiivi elemendile määratud indeksil.
• Atomics.sub(typedArray, index, value): lahutab aatomiliselt väärtuse tüübitud massiivi elemendilt määratud indeksil.
• Atomics.and(typedArray, index, value): teostab aatomiliselt bitikaupa JA operatsiooni tüübitud massiivi elemendil määratud indeksil.
• Atomics.or(typedArray, index, value): teostab aatomiliselt bitikaupa VÕI operatsiooni tüübitud massiivi elemendil määratud indeksil.
• Atomics.xor(typedArray, index, value): teostab aatomiliselt bitikaupa XOR operatsiooni tüübitud massiivi elemendil määratud indeksil.
• Atomics.exchange(typedArray, index, value): asendab aatomiliselt väärtuse tüübitud massiivi elemendil määratud indeksil uue väärtusega ja tagastab vana väärtuse.
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue): võrdleb aatomiliselt väärtust tüübitud massiivi elemendil määratud indeksil eeldatava väärtusega. Kui need on võrdsed, asendatakse väärtus uue väärtusega. Funktsioon tagastab algse väärtuse indeksil.
• Atomics.load(typedArray, index): laadib aatomiliselt väärtuse tüübitud massiivi elemendilt määratud indeksil.
• Atomics.store(typedArray, index, value): salvestab aatomiliselt väärtuse tüübitud massiivi elemendile määratud indeksil.
• Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout): blokeerib praeguse lõime (töötaja), kuni väärtus tüübitud massiivi elemendil määratud indeksil muutub väärtuseks, mis erineb pakutud väärtusest, või kuni ajalõpp saab läbi.
• Atomics.wake(typedArray, index, count): äratab määratud arvu ootavaid lõimesid (töötajaid), kes ootavad tüübitud massiivi elemendil määratud indeksil.

Lukuvabad algoritmid: põhitõed

Lukuvabad algoritmid on algoritmid, mis tagavad süsteemiülese edenemise, mis tähendab, et kui üks lõim viibib või ebaõnnestub, saavad teised lõimed ikkagi edusamme teha. See on vastupidine lukupõhistele algoritmidele, kus lukku hoidev lõim võib blokeerida teistel lõimedel juurdepääsu jagatud ressursile, mis võib põhjustada ummikseisu või jõudluse kitsaskohti. Lukuvabad algoritmid saavutavad selle, kasutades aatomioperatsioone, et tagada jagatud andmete värskenduste tegemine järjepidevalt ja ennustatavalt isegi samaaegse juurdepääsu korral.

Lukuvabade algoritmide eelised:

• Parem jõudlus: lukkude eemaldamine vähendab lukkude hankimise ja vabastamisega seotud lisakulusid, mis viib kiirema täitmisajani, eriti väga samaaegses keskkonnas.
• Vähendatud konkurents: lukuvabad algoritmid minimeerivad lõimede vahelist konkurentsi, kuna need ei sõltu jagatud ressurssidele eksklusiivsest juurdepääsust.
• Ummikseisuvaba: lukuvabad algoritmid on olemuselt ummikseisuvabad, kuna need ei kasuta lukke.
• Vigade taluvus: kui üks lõim ebaõnnestub, ei takista see teistel lõimedel edusamme teha.

Lukuvabade algoritmide puudused:

• Keerukus: lukuvabade algoritmide projekteerimine ja juurutamine võib olla oluliselt keerukam kui lukupõhiste algoritmide puhul.
• Silumine: lukuvabade algoritmide silumine võib olla keeruline lõimede vaheliste keerukate koostoimete tõttu.
• Näljutamise potentsiaal: kuigi süsteemiülene edenemine on garanteeritud, võivad üksikud lõimed siiski kogeda näljutamist, kus neil ei õnnestu korduvalt jagatud andmeid värskendada.

Aatomioperatsioonide mustrid lukuvabade algoritmide jaoks

Mitmed levinud mustrid kasutavad aatomioperatsioone lukuvabade algoritmide loomiseks. Need mustrid pakuvad ehitusplokke keerukamate samaaegsete andmestruktuuride ja algoritmide jaoks.

1. Aatomi loendurid

Aatomi loendurid on üks lihtsamaid aatomioperatsioonide rakendusi. Need võimaldavad mitmel lõimel jagatud loendurit suurendada või vähendada ilma lukkude vajaduseta. Seda kasutatakse sageli paralleelse töötlemise stsenaariumis lõpetatud ülesannete arvu jälgimiseks või unikaalsete identifikaatorite genereerimiseks.

Näide:

            // Peamine lõim
const buffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const counter = new Int32Array(buffer);

// Loenduri initsialiseerimine 0-ga
Atomics.store(counter, 0, 0);

// Töölõimede loomine
const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

worker1.postMessage(buffer);
worker2.postMessage(buffer);

            

              
                Copy
              
            
          

            // worker.js
self.onmessage = function(event) {
  const buffer = event.data;
  const counter = new Int32Array(buffer);

  for (let i = 0; i < 10000; i++) {
    Atomics.add(counter, 0, 1); // Loenduri aatomiline suurendamine
  }

  self.postMessage('done');
};

            

              
                Copy
              
            
          

Selles näites suurendavad kaks töölõime jagatud loendurit kumbki 10 000 korda. Operatsioon Atomics.add tagab, et loendurit suurendatakse aatomiliselt, vältides võidujookse ja tagades, et loenduri lõppväärtus on 20 000.

2. Võrdle ja vaheta (CAS)

Võrdle ja vaheta (CAS) on põhiline aatomioperatsioon, mis moodustab paljude lukuvabade algoritmide aluse. See võrdleb aatomiliselt mälukoha väärtust eeldatava väärtusega ja kui need on võrdsed, asendab väärtuse uue väärtusega. JavaScripti meetod Atomics.compareExchange pakub seda funktsionaalsust.

CAS operatsioon:

1. Lugege praegune väärtus mälukohast.
2. Arvutage praeguse väärtuse põhjal uus väärtus.
3. Kasutage Atomics.compareExchange'i, et aatomiliselt võrrelda praegust väärtust sammus 1 loetud väärtusega.
4. Kui väärtused on võrdsed, kirjutatakse uus väärtus mälukohta ja operatsioon õnnestub.
5. Kui väärtused ei ole võrdsed, siis operatsioon ebaõnnestub ja tagastatakse praegune väärtus (mis näitab, et teine lõim on vahepeal väärtust muutnud).
6. Korrake samme 1–5, kuni operatsioon õnnestub.

Tsüklit, mis kordab CAS-i operatsiooni, kuni see õnnestub, nimetatakse sageli "uuesti proovimise tsükliks".

Näide: lukuvaba pinu juurutamine CAS-i abil

            // Peamine lõim
const buffer = new SharedArrayBuffer(4 + 8 * 100); // 4 baiti ülemise indeksi jaoks, 8 baiti sõlme kohta
const sabView = new Int32Array(buffer);
const dataView = new Float64Array(buffer, 4);

const TOP_INDEX = 0;
const STACK_SIZE = 100;

Atomics.store(sabView, TOP_INDEX, -1); // Initsialiseeri ülemine -1-ga (tühi pinu)

function push(value) {
    let currentTopIndex = Atomics.load(sabView, TOP_INDEX);
    let newTopIndex = currentTopIndex + 1;

    if (newTopIndex >= STACK_SIZE) {
        return false; // Pinu ületäitumine
    }

    while (true) {
        if (Atomics.compareExchange(sabView, TOP_INDEX, currentTopIndex, newTopIndex) === currentTopIndex) {
            dataView[newTopIndex] = value;
            return true; // Push õnnestus
        } else {
            currentTopIndex = Atomics.load(sabView, TOP_INDEX);
            newTopIndex = currentTopIndex + 1;
            if (newTopIndex >= STACK_SIZE) {
                return false; // Pinu ületäitumine
            }
        }
    }
}

function pop() {
  let currentTopIndex = Atomics.load(sabView, TOP_INDEX);
  if (currentTopIndex === -1) {
    return undefined; // Pinu on tühi
  }

  while (true) {
    const nextTopIndex = currentTopIndex - 1;

    if (Atomics.compareExchange(sabView, TOP_INDEX, currentTopIndex, nextTopIndex) === currentTopIndex) {
      const value = dataView[currentTopIndex];
      return value; // Pop õnnestus
    } else {
      currentTopIndex = Atomics.load(sabView, TOP_INDEX);
      if (currentTopIndex === -1) {
        return undefined; // Pinu on tühi
      }
    }
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

See näide demonstreerib lukuvaba pinu, mis on juurutatud kasutades SharedArrayBuffer ja Atomics.compareExchange. Funktsioonid push ja pop kasutavad CAS-i tsüklit, et aatomiliselt värskendada pinu ülemist indeksit. See tagab, et mitu lõime saavad elemendid pinusse lisada ja sealt eemaldada samaaegselt, rikkumata pinu olekut.

3. Too ja lisa

Too ja lisa (tuntud ka kui aatomiline suurendamine) suurendab aatomiliselt väärtust mälukohas ja tagastab algse väärtuse. Meetodit Atomics.add saab kasutada selle funktsionaalsuse saavutamiseks, kuigi tagastatud väärtus on *uus* väärtus, mis nõuab täiendavat laadimist, kui on vaja algset väärtust.

Kasutusjuhud:

• Unikaalsete jada numbrite genereerimine.
• Lõimekindlate loendurite juurutamine.
• Ressursside haldamine samaaegses keskkonnas.

4. Aatomi lipud

Aatomi lipud on Boole'i väärtused, mida saab aatomiliselt seada või tühjendada. Neid kasutatakse sageli lõimede vaheliseks signaalimiseks või jagatud ressurssidele juurdepääsu kontrollimiseks. Kuigi JavaScripti objekt Atomics ei paku otseselt aatomilisi Boole'i operatsioone, saate neid simuleerida, kasutades täisarvulisi väärtusi (nt 0 tähendab vale, 1 tähendab tõene) ja aatomioperatsioone nagu Atomics.compareExchange.

Näide: aatomilipu juurutamine

            // Peamine lõim
const buffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const flag = new Int32Array(buffer);

const UNLOCKED = 0;
const LOCKED = 1;

// Initsialiseeri lipp olekusse UNLOCKED (0)
Atomics.store(flag, 0, UNLOCKED);

function acquireLock() {
  while (true) {
    if (Atomics.compareExchange(flag, 0, UNLOCKED, LOCKED) === UNLOCKED) {
      return; // Luku omandamine
    }
    // Oota, kuni lukk vabastatakse
    Atomics.wait(flag, 0, LOCKED, Infinity); // Infinity tähendab igavesti ootamist
  }
}

function releaseLock() {
  Atomics.store(flag, 0, UNLOCKED);
  Atomics.wake(flag, 0, 1); // Ärka üles üks ootav lõim
}

            

              
                Copy
              
            
          

Selles näites kasutab funktsioon acquireLock CAS-i tsüklit, et proovida aatomiliselt seada lipp olekusse LOCKED. Kui lipp on juba LOCKED, ootab lõim, kuni see vabastatakse. Funktsioon releaseLock seab lipu aatomiliselt tagasi olekusse UNLOCKED ja äratab ootava lõime (kui neid on).

Praktilised rakendused ja näited

Lukuvaba algoritme saab rakendada erinevates stsenaariumides, et parandada veebirakenduste jõudlust ja reageerimisvõimet.

1. Paralleelne andmetöötlus

Suurte andmekogumitega tegelemisel saate andmed jagada tükkideks ja töödelda iga tükki eraldi töölõimes. Lukuvaba andmestruktuure, näiteks lukuvaba järjekorda või räsitabeleid, saab kasutada andmete jagamiseks töötajate vahel ja tulemuste agregeerimiseks. See lähenemisviis võib oluliselt vähendada töötlemisaega võrreldes ühe lõimega töötlemisega.

Näide: pilditöötlus

Kujutage ette stsenaariumi, kus peate suurele pildile filtrit rakendama. Saate pildi jagada väiksemateks piirkondadeks ja määrata iga piirkonna töölõimele. Seejärel saab iga töölõime rakendada filtrit oma piirkonnale ja salvestada tulemuse jagatud SharedArrayBuffer'isse. Seejärel saab peamine lõim töödeldud piirkonnad lõplikuks pildiks kokku panna.

2. Reaalajas andmevoog

Reaalajas andmevoograkendustes, näiteks veebimängudes või finantstehingute platvormides, tuleb andmeid töödelda ja kuvada võimalikult kiiresti. Lukuvaba algoritme saab kasutada suure jõudlusega andmetorude loomiseks, mis suudavad hallata suuri andmemahte minimaalse latentsusega.

Näide: anduri andmete töötlemine

Mõelge süsteemile, mis kogub andmeid mitmelt andurilt reaalajas. Iga anduri andmeid saab töödelda eraldi töölõimes. Lukuvaba järjekorda saab kasutada andmete edastamiseks anduri lõimedest töötlemise lõimedesse, tagades, et andmeid töödeldakse niipea kui need saabuvad.

3. Samaaegsed andmestruktuurid

Lukuvaba algoritme saab kasutada samaaegsete andmestruktuuride, näiteks järjekordade, pinude ja räsitaebelide loomiseks, millele mitu lõime saavad samaaegselt juurde pääseda ilma lukkude vajaduseta. Neid andmestruktuure saab kasutada erinevates rakendustes, näiteks sõnumijärjekordades, ülesannete planeerijates ja vahemällu salvestamise süsteemides.

Parimad tavad ja kaalutlused

Kuigi lukuvaba algoritmid võivad pakkuda märkimisväärset jõudluse kasu, on oluline järgida parimaid tavasid ja kaaluda potentsiaalseid puudusi enne nende juurutamist.

• Alustage probleemi selge mõistmisega: enne kui proovite lukuvaba algoritmi juurutada, veenduge, et teil on selge arusaam probleemist, mida proovite lahendada, ja oma rakenduse konkreetsetest nõuetest.
• Valige õige algoritm: valige sobiv lukuvaba algoritm, mis põhineb konkreetsel andmestruktuuril või toimingul, mida peate tegema.
• Testige põhjalikult: testige põhjalikult oma lukuvaba algoritme, et tagada nende korrektsus ja ootuspärane toimimine erinevates samaaegsuse stsenaariumides. Kasutage stressiteste ja samaaegsuse testimise tööriistu, et tuvastada potentsiaalseid võidujookse või muid probleeme.
• Jälgige jõudlust: jälgige oma lukuvaba algoritmide jõudlust tootmiskeskkonnas, et tagada nende oodatava kasu pakkumine. Kasutage jõudluse jälgimise tööriistu, et tuvastada potentsiaalseid kitsaskohti või valdkondi, mida saaks parandada.
• Kaaluge alternatiivseid lahendusi: enne lukuvaba algoritmi juurutamist kaaluge, kas alternatiivsed lahendused, näiteks muutumatute andmestruktuuride või sõnumside kasutamine, võivad olla lihtsamad ja tõhusamad.
• Tegelege vale jagamisega: olge teadlik vale jagamisest, jõudlusprobleemist, mis võib tekkida, kui mitu lõime pääsevad juurde erinevatele andmeüksustele, mis asuvad samas vahemäluliinis. Vale jagamine võib põhjustada tarbetuid vahemälu kehtetuks tunnistamisi ja vähendada jõudlust. Vale jagamise leevendamiseks saate andmestruktuure polsterdada, et tagada iga andmeüksuse hõivamine oma vahemäluliinis.
• Mälu järjestus: Mälu järjestuse mõistmine on aatomioperatsioonidega töötamisel ülioluline. Erinevatel arhitektuuridel on erinevad mälu järjestuse garantiid. JavaScripti operatsioonid Atomics pakuvad vaikimisi järjestikku järjepidevat järjestust, mis on kõige tugevam ja intuitiivsem, kuid võib mõnikord olla kõige vähem jõudlik. Mõnel juhul võite jõudluse parandamiseks leevendada mälu järjestuse piiranguid, kuid see nõuab sügavat arusaamist riistvarast ja nõrgema järjestuse potentsiaalsetest tagajärgedest.

Turvakaalutlused

Nagu varem mainitud, nõuab SharedArrayBuffer'i kasutamine COOP-i ja COEP-i päiste lubamist Spectre ja Meltdowni haavatavuste leevendamiseks. Oluline on mõista nende päiste tagajärgi ja tagada, et need on teie serveris õigesti konfigureeritud.

Lisaks on lukuvabade algoritmide kavandamisel oluline olla teadlik potentsiaalsetest turvaaukudest, näiteks andmete võidujooksudest või teenusetõkestusrünnakutest. Vaadake oma kood hoolikalt üle ja kaaluge potentsiaalseid rünnakusuundi, et tagada oma algoritmide turvalisus.

Järeldus

Lukuvabad algoritmid pakuvad võimsat lähenemisviisi samaaegsuse ja jõudluse parandamiseks JavaScripti rakendustes. Kasutades SharedArrayBuffer'it ja aatomioperatsioone, saate luua suure jõudlusega andmestruktuure ja algoritme, mis suudavad hallata suuri andmemahte minimaalse latentsusega. Lukuvabad algoritmid on aga keerukad ja nõuavad hoolikat disaini ja juurutamist. Järgides parimaid tavasid ja kaaludes potentsiaalseid puudusi, saate lukuvaba algoritme edukalt rakendada, et lahendada keerulisi samaaegsusprobleeme ja luua reageerivamaid ja tõhusamaid veebirakendusi. Kuna JavaScript areneb edasi, muutub SharedArrayBuffer'i ja aatomioperatsioonide kasutamine tõenäoliselt üha tavalisemaks, võimaldades arendajatel avada mitmetuumaliste protsessorite kogu potentsiaali ja luua tõeliselt samaaegseid rakendusi.