JavaScripti Samaaegsed Kogumid Lõimete Ohutus: Lõimete Ohutute Andmestruktuuride Valdamine

JavaScripti rakenduste keerukuse kasvades muutub tõhusa ja usaldusväärse samaaegsuse haldamise vajadus üha kriitilisemaks. Kuigi JavaScript on traditsiooniliselt ühelõimeline, pakuvad kaasaegsed keskkonnad nagu Node.js ja veebibrauserid veebitöötajate ja asünkroonsete toimingute kaudu samaaegsuse mehhanisme. See tekitab võistlussituatsioonide ja andmete rikkumise võimaluse, kui mitu lõime või asünkroonset ülesannet pääsevad juurde jagatud andmetele ja muudavad neid. See postitus käsitleb JavaScripti samaaegsete kogumite lõimete ohutuse väljakutseid ja pakub praktilisi strateegiaid vastupidavate ja usaldusväärsete rakenduste loomiseks.

Mõistke Samaaegsust JavaScriptis

JavaScripti sündmuste silmus võimaldab asünkroonset programmeerimist, lastes toiminguid teostada ilma peamist lõime blokeerimata. Kuigi see pakub samaaegsust, ei paku see olemuselt tõelist paralleelsust, nagu seda näeb mitmelõimelistes keeltes. Kuid veebitöötajad pakuvad vahendit JavaScripti koodi eraldi lõimedes teostamiseks, võimaldades tõelist paralleelset töötlust. See võimekus on eriti väärtuslik arvutusmahukate ülesannete jaoks, mis muidu blokeeriksid peamise lõime, põhjustades halva kasutajakogemuse.

Veebitöötajad: JavaScripti Vastus Multithreadingule

Veebitöötajad on taustaskriptid, mis töötavad peamisest lõimest sõltumatult. Nad suhtlevad peamise lõimega sõnumiedastussüsteemi abil. See isolatsioon tagab, et veebitöötaja vead või pikad töökorraldused ei mõjuta peamise lõime reageerimisvõimet. Veebitöötajad sobivad suurepäraselt selliste ülesannete jaoks nagu pilditöötlus, keerukad arvutused ja andmeanalüüs.

Asünkroonne Programmeerimine ja Sündmuste Silmus

Asünkroonsete toimingutega, nagu võrguühendused ja failide I/O, tegeleb sündmuste silmus. Kui asünkroonne toiming algatatakse, antakse see üle brauserile või Node.js keskkonnale. Kui toiming on lõpule viidud, asetatakse tagasihelistamisfunktsioon sündmuste silmuse järjekorda. Sündmuste silmus seejärel teostab tagasihelistamise, kui peamine lõim on saadaval. See mitteblokeeriv lähenemine võimaldab JavaScriptil samaaegselt hallata mitut toimingut ilma kasutajaliidese külmutamiseta.

Lõimete Ohutuse Väljakutsed

Lõimete ohutus viitab programmi võimele õigesti töötada ka siis, kui mitu lõime pääsevad samaaegselt ligi jagatud andmetele. Ühelõimelises keskkonnas ei ole lõimete ohutus üldiselt murettekitav, kuna ainult üks toiming võib igal ajal toimuda. Kuid kui mitu lõime või asünkroonset ülesannet pääsevad ligi jagatud andmetele ja muudavad neid, võivad tekkida võistlussituatsioonid, mis viivad ettearvamatute ja potentsiaalselt katastroofiliste tulemusteni. Võistlussituatsioonid tekivad siis, kui arvutuse tulemus sõltub mitme lõime teostamise ettearvamatu järjestuse järgi.

Võistlussituatsioonid: Tüüpiline Vigade Allikas

Võistlussituatsioon tekib siis, kui mitu lõime pääsevad samaaegselt ligi jagatud andmetele ja muudavad neid ning lõpptulemus sõltub lõimede teostamise konkreetsest järjestusest. Vaatame lihtsat näidet, kus kaks lõime suurendavad jagatud loendurit:

            let counter = 0;

function incrementCounter() {
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    counter++;
  }
}

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

worker1.postMessage('start');
worker2.postMessage('start');

worker1.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 1 finished');
};

worker2.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 2 finished');
  console.log('Final counter value:', counter);
};

// worker.js
self.onmessage = function(event) {
  if (event.data === 'start') {
    incrementCounter();
    self.postMessage('done');
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

Ideaalis peaks loenduri lõppväärtus olema 200000. Kuid võistlussituatsiooni tõttu on tegelik väärtus sageli oluliselt väiksem. See on tingitud sellest, et mõlemad lõimed loevad ja kirjutavad samaaegselt `counter`-isse ning uuendused võivad ettearvamatul viisil vahele segada, põhjustades kadunud uuendusi.

Andmete Rikkumine: Tõsine Järelm

Võistlussituatsioonid võivad põhjustada andmete rikkumist, kus jagatud andmed muutuvad ebajärjekindlaks või kehtetuks. Sellel võib olla tõsiseid tagajärgi, eriti rakendustes, mis sõltuvad täpsest andmest, nagu finantssüsteemid, meditsiiniseadmed ja juhtimissüsteemid. Andmete rikkumist võib olla raske tuvastada ja siluda, kuna sümptomid võivad olla katkendlikud ja ettearvamatud.

JavaScripti Lõimete Ohutud Andmestruktuurid

Võistlussituatsioonide ja andmete rikkumise riskide maandamiseks on oluline kasutada lõimete ohutuid andmestruktuure ja samaaegsusmustreid. Lõimete ohutud andmestruktuurid on loodud tagama, et jagatud andmetele samaaegne juurdepääs on sünkroniseeritud ja andmete terviklikkus säilib. Kuigi JavaScriptil ei ole sisseehitatud lõimete ohutuid andmestruktuure samal viisil kui mõnel muul keelel (nagu Java `ConcurrentHashMap`), on mitmeid strateegiaid, mida saate rakendada lõimete ohutuse saavutamiseks.

Aatomtoimingud

Aatomtoimingud on toimingud, mille puhul on garanteeritud, et neid teostatakse ühe, jagamatu üksusena. See tähendab, et ükski teine lõim ei saa aatomtoimingut selle toimumise ajal katkestada. Aatomtoimingud on lõimete ohutute andmestruktuuride ja samaaegsuse kontrolli fundamentaalsed ehitusplokid. JavaScript pakub piiratud tuge aatomtoimingutele `Atomics` objekti kaudu, mis on osa SharedArrayBuffer APIst.

SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer on andmestruktuur, mis võimaldab mitmel veebitöötajal pääseda juurde samale mälule ja seda muuta. See võimaldab tõhusat andmete jagamist lõimede vahel, kuid tekitab ka võistlussituatsioonide võimaluse. Atomics objekt pakub aatomtoimingute komplekti, mida saab kasutada SharedArrayBufferi andmete turvaliseks manipuleerimiseks.

Atomics API

Atomics API pakub mitmeid aatomtoiminguid, sealhulgas:

• `Atomics.add(typedArray, index, value)`: Lisab aatomselt väärtuse tüüp-massiivi määratud indeksil olevale elemendile.
• `Atomics.sub(typedArray, index, value)`: Lahutab aatomselt väärtuse tüüp-massiivi määratud indeksil olevalt elemendilt.
• `Atomics.and(typedArray, index, value)`: Teostab aatomselt biti-AND-operatsiooni tüüp-massiivi määratud indeksil oleval elemendil.
• `Atomics.or(typedArray, index, value)`: Teostab aatomselt biti-OR-operatsiooni tüüp-massiivi määratud indeksil oleval elemendil.
• `Atomics.xor(typedArray, index, value)`: Teostab aatomselt biti-XOR-operatsiooni tüüp-massiivi määratud indeksil oleval elemendil.
• `Atomics.exchange(typedArray, index, value)`: Asendab aatomselt tüüp-massiivi määratud indeksil oleva elemendi uue väärtusega ja tagastab vana väärtuse.
• `Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, newValue)`: Võrdleb aatomselt tüüp-massiivi määratud indeksil olevat elementi eeldatava väärtusega. Kui need on võrdsed, asendatakse element uue väärtusega. Tagastab algse väärtuse.
• `Atomics.load(typedArray, index)`: Laeb aatomselt väärtuse tüüp-massiivi määratud indeksil.
• `Atomics.store(typedArray, index, value)`: Salvestab aatomselt väärtuse tüüp-massiivi määratud indeksil.
• `Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout)`: Blokeerib praeguse lõime, kuni tüüp-massiivi määratud indeksil olev väärtus muutub või aegumine lõpeb.
• `Atomics.notify(typedArray, index, count)`: Ärgitab määratud arvu lõime, mis ootavad tüüp-massiivi määratud indeksil olevat väärtust.

Siin on näide `Atomics.add` kasutamisest lõimete ohutu loenduri rakendamiseks:

            const sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const counter = new Int32Array(sab);

function incrementCounter() {
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    Atomics.add(counter, 0, 1);
  }
}

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

worker1.postMessage('start');
worker2.postMessage('start');

worker1.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 1 finished');
};

worker2.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 2 finished');
  console.log('Final counter value:', Atomics.load(counter, 0));
};

// worker.js
self.onmessage = function(event) {
  if (event.data === 'start') {
    incrementCounter();
    self.postMessage('done');
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

Selles näites salvestatakse `counter` SharedArrayBufferisse ja `Atomics.add` kasutatakse loenduri aatomseks suurendamiseks. See tagab, et `counter` lõppväärtus on alati 200000, isegi kui mitu lõime seda samaaegselt suurendavad.

Lukud ja Semaforid

Lukud ja semaforid on sünkroniseerimisprimitiivid, mida saab kasutada jagatud ressurssidele juurdepääsu juhtimiseks. Lukk (tuntud ka kui multipleks) võimaldab ainult ühel lõimel pääseda korraga ligi jagatud ressursile, samas kui semafor võimaldab piiratud arvu lõimesid samaaegselt ligi pääseda jagatud ressursile.

Lukude Rakendamine Atomitega

Lukud saab rakendada `Atomics.compareExchange` ja `Atomics.wait`/`Atomics.notify` toimingute abil. Siin on näide lihtsast lukurakendusest:

            class Lock {
  constructor() {
    this.sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
    this.lock = new Int32Array(this.sab);
    this.UNLOCKED = 0;
    this.LOCKED = 1;
  }

  lockAcquire() {
    while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, this.UNLOCKED, this.LOCKED) !== this.UNLOCKED) {
      Atomics.wait(this.lock, 0, this.LOCKED, Number.POSITIVE_INFINITY); // Oota, kuni lukust vabastatakse
    }
  }

  lockRelease() {
    Atomics.store(this.lock, 0, this.UNLOCKED);
    Atomics.notify(this.lock, 0, 1); // Ärgitab ühe ootava lõime
  }
}

// Kasutus
const lock = new Lock();

function criticalSection() {
  lock.lockAcquire();
  try {
    // Pääsete siin turvaliselt ligi jagatud ressurssidele
    console.log('Critical section entered');
    // Simuleeri mingit tööd
    for (let i = 0; i < 1000; i++) {}
  } finally {
    lock.lockRelease();
    console.log('Critical section exited');
  }
}

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

worker1.postMessage({ action: 'start', lockSab: lock.sab });
worker2.postMessage({ action: 'start', lockSab: lock.sab });

// worker.js
let lock;

class Lock {
  constructor(sab) {
    this.sab = sab;
    this.lock = new Int32Array(this.sab);
    this.UNLOCKED = 0;
    this.LOCKED = 1;
  }

  lockAcquire() {
    while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, this.UNLOCKED, this.LOCKED) !== this.UNLOCKED) {
      Atomics.wait(this.lock, 0, this.LOCKED, Number.POSITIVE_INFINITY);
    }
  }

  lockRelease() {
    Atomics.store(this.lock, 0, this.UNLOCKED);
    Atomics.notify(this.lock, 0, 1);
  }
}

self.onmessage = function(event) {
  if (event.data.action === 'start') {
    lock = new Lock(event.data.lockSab);
    for (let i = 0; i < 5; i++) {
      criticalSection();
    }
  }

  function criticalSection() {
    lock.lockAcquire();
    try {
      console.log('Worker ' + self.name + ': Critical section entered');
    } finally {
      lock.lockRelease();
      console.log('Worker ' + self.name + ': Critical section exited');
    }
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

See näide demonstreerib, kuidas kasutada Atomicsit lihtsa lukustuse rakendamiseks, mida saab kasutada jagatud ressursside kaitsmiseks samaaegse juurdepääsu eest. `lockAcquire` meetod üritab lukku saada `Atomics.compareExchange` abil. Kui lukk on juba hõivatud, ootab lõim `Atomics.wait` abil, kuni lukk vabastatakse. `lockRelease` meetod vabastab luku, seades lukuväärtuse `UNLOCKED` ja teavitades ootavat lõime `Atomics.notify` abil.

Semaforid

Semafor on üldisem sünkroniseerimisprimitiiv kui lukk. See hoiab arvu, mis tähistab saadaolevate ressursside arvu. Lõimed saavad ressursi hankida, vähendades arvu, ja nad saavad ressursi vabastada, suurendades arvu. Semaforeid saab kasutada piiratud arvu jagatud ressurssidele samaaegse juurdepääsu juhtimiseks.

Muutumatuse

Muutumatuse on programmeerimisparadigma, mis rõhutab objektide loomist, mida pärast nende loomist ei saa muuta. Kui andmed on muutumatud, puudub võistlussituatsioonide oht, kuna mitu lõime saavad andmetele turvaliselt ligi pääseda ilma rikkumise hirmuta. JavaScript toetab muutumatust `const` muutujate ja muutumatute andmestruktuuride abil.

Muutumatud Andmestruktuurid

Raamatukogud nagu Immutable.js pakuvad muutumatuid andmestruktuure nagu List, Map ja Set. Need andmestruktuurid on loodud tõhusateks ja jõudlust pakkuvateks, tagades samal ajal, et andmeid ei muudeta kohapeal. Selle asemel tagastavad muutumatute andmestruktuuride toimingud uued instansid uuendatud andmetega.

            const { Map, List } = require('immutable');

let myMap = Map({ a: 1, b: 2, c: 3 });

// Kaardi muutmine tagastab uue kaardi
let updatedMap = myMap.set('b', 4);

console.log(myMap.toJS()); // { a: 1, b: 2, c: 3 }
console.log(updatedMap.toJS()); // { a: 1, b: 4, c: 3 }

let myList = List([1, 2, 3]);
let updatedList = myList.push(4);

console.log(myList.toJS()); // [ 1, 2, 3 ]
console.log(updatedList.toJS()); // [ 1, 2, 3, 4 ]

            

              
                Copy
              
            
          

Muutumatute andmestruktuuride kasutamine võib oluliselt lihtsustada samaaegsuse haldamist, kuna te ei pea muretsema jagatud andmetele juurdepääsu sünkroniseerimise pärast. Siiski on oluline olla teadlik, et uute muutumatute objektide loomine võib põhjustada jõudluse lisakulu, eriti suurte andmestruktuuride puhul. Seetõttu on oluline kaaluda muutumatuse eeliseid potentsiaalsete jõudluskulude vastu.

Sõnumiedastus

Sõnumiedastus on samaaegsusmuster, kus lõimed suhtlevad, saates üksteisele sõnumeid. Selle asemel, et jagada andmeid otse, vahetavad lõimed teavet sõnumite kaudu, mida tavaliselt kopeeritakse või serialiseeritakse. See kõrvaldab vajaduse jagatud mälu ja sünkroniseerimisprimitiivide järele, muutes samaaegsuse kohta arutlemise lihtsamaks ja võistlussituatsioonide vältimise. JavaScripti veebitöötajad kasutavad sõnumiedastust peamise lõime ja töötaja lõimede vaheliseks suhtluseks.

Veebitöötajate Suhtlus

Nagu eelnevates näidetes näha, suhtlevad veebitöötajad peamise lõimega `postMessage` meetodi ja `onmessage` sündmusehalduri abil. See sõnumiedastusmehhanism pakub puhast ja turvalist viisi andmete vahetamiseks lõimede vahel ilma jagatud mäluga seotud riskideta. Siiski on oluline olla teadlik, et sõnumiedastus võib põhjustada latentsust ja lisakulu, kuna andmeid tuleb lõimede vahel saates serialiseerida ja deserialiseerida.

Actori Mudel

Actori mudel on samaaegsusmudel, kus arvutamist teostavad actoriid, mis on sõltumatud üksused, kes suhtlevad omavahel asünkroonsete sõnumite kaudu. Igal actoriil on oma olek ja see võib muuta ainult oma olekut vastuseks sissetulevatele sõnumitele. See oleku isolatsioon kõrvaldab vajaduse lukkude ja muude sünkroniseerimisprimitiivide järele, muutes samaaegsete ja hajutatud süsteemide loomise lihtsamaks.

Actori Raamatukogud

Kuigi JavaScriptil ei ole sisseehitatud tuge Actori Mudelile, rakendavad mitmed raamatukogud seda mustrit. Need raamatukogud pakuvad raamistikku actoriide loomiseks ja haldamiseks, sõnumite saatmiseks actoriide vahel ja asünkroonsete sündmuste käsitlemiseks. Actori Mudel võib olla võimas vahend väga samaaegsete ja skaleeritavate rakenduste loomiseks, kuid see nõuab ka erinevat mõtteviisi programmi kujundamisel.

Parimad Tavad Lõimete Ohutuse Osas JavaScriptis

Lõimete ohutute JavaScripti rakenduste loomine nõuab hoolikat planeerimist ja tähelepanu detailidele. Siin on mõned parimad tavad:

• Minimeerige Jagatud Olek: Mida vähem jagatud olekut on, seda väiksem on võistlussituatsioonide risk. Püüdke kapseldada olek individuaalsetesse lõimidesse või actoritesse ja suhelge sõnumiedastuse kaudu.
• Kasutage Aatomtoiminguid, Kui Võimalik: Kui jagatud olek on vältimatu, kasutage aatomtoiminguid, et tagada andmete turvaline muutmine.
• Kaaluge Muutumatust: Muutumatuse abil saab kõrvaldada sünkroniseerimisprimitiivide vajaduse, muutes samaaegsuse kohta arutlemise lihtsamaks.
• Kasutage Lukke ja Semafore Hargselt: Lukud ja semaforid võivad põhjustada jõudluse lisakulu ja keerukust. Kasutage neid ainult siis, kui see on vajalik ja veenduge, et neid kasutatakse õigesti, et vältida ummikuid.
• Testige Põhjalikult: Testige oma samaaegset koodi põhjalikult, et tuvastada ja parandada võistlussituatsioone ja muid samaaegsusega seotud vigu. Kasutage tööriistu nagu samaaegsuse stressitestid, et simuleerida suuri koormusstsenaariume ja paljastada võimalikke probleeme.
• Järgige Koodistandardeid: Järgige koodistandardeid ja parimaid tavasid, et parandada oma samaaegse koodi loetavust ja hooldatavust.
• Kasutage Linters ja Staatilisi Analüüsi Tööriistu: Kasutage linters ja staatilisi analüüsi tööriistu, et tuvastada võimalikke samaaegsuse probleeme arendusprotsessi alguses.

Tegelikud Näited

Lõimete ohutus on kriitiline mitmesugustes reaalsetes JavaScripti rakendustes:

• Veebiserverid: Node.js veebiserverid haldavad mitmeid samaaegseid päringuid. Lõimete ohutuse tagamine on andmete terviklikkuse säilitamiseks ja krahhide ärahoidmiseks kriitilise tähtsusega. Näiteks, kui server haldab kasutajaseansi andmeid, tuleb seansisalvestuse samaaegset juurdepääsu hoolikalt sünkroniseerida.
• Reaalajas Rakendused: Sellised rakendused nagu vestlusserverid ja online-mängud nõuavad madalat latentsust ja suurt läbilaskevõimet. Lõimete ohutus on oluline samaaegsete ühenduste haldamiseks ja mängu oleku uuendamiseks.
• Andmetöötlus: Andmetöötlust teostavad rakendused, nagu pildieditorid või videokodeerijad, saavad kasu samaaegsusest. Lõimete ohutus on vajalik, et tagada andmete õige töötlemine ja tulemuste järjepidevus.
• Teaduslik Arvutus: Teadusrakendused hõlmavad sageli keerukaid arvutusi, mida saab veebitöötajate abil paralleeliseerida. Lõimete ohutus on kriitilise tähtsusega, et tagada nende arvutuste tulemuste täpsus.
• Finants-Süsteemid: Finantsrakendused nõuavad suurt täpsust ja usaldusväärsust. Lõimete ohutus on oluline andmete rikkumise ärahoidmiseks ja tehingute õige töötlemise tagamiseks. Näiteks, kaaluge aktsiate kauplemisplatvormi, kus mitu kasutajat esitavad samaaegselt tellimusi.

Kokkuvõte

Lõimete ohutus on kriitiline aspekt vastupidavate ja usaldusväärsete JavaScripti rakenduste loomisel. Kuigi JavaScripti ühelõimeline olemus lihtsustab paljusid samaaegsusprobleeme, nõuab veebitöötajate ja asünkroonne programmeerimise kasutuselevõtt hoolikat tähelepanu sünkroniseerimisele ja andmete terviklikkusele. Mõistes lõimete ohutuse väljakutseid ja rakendades sobivaid samaaegsusmustreid ja andmestruktuure, saavad arendajad luua väga samaaegseid ja skaleeritavaid rakendusi, mis on vastupidavad võistlussituatsioonidele ja andmete rikkumisele. Muutumatuse omaksvõtmine, aatomtoimingute kasutamine ja jagatud oleku hoolikas haldamine on peamised strateegiad lõimete ohutuse valdamiseks JavaScriptis.

Kuna JavaScript jätkab arengut ja omandab rohkem samaaegsusfunktsioone, kasvab lõimete ohutuse tähtsus ainult. Püsides kursis uusimate tehnikate ja parimate tavadega, saavad arendajad tagada, et nende rakendused jäävad vastupidavaks, usaldusväärseks ja jõudluseks kasvava keerukuse ees.