JavaScript moodulite töötluslõimed: taustal moodulite töötlemise valdamine

JavaScript, mis on traditsiooniliselt ühelõimeline, võib mõnikord hätta jääda arvutusmahukate ülesannetega, mis blokeerivad peamist lõime, põhjustades kasutajaliidese hangumist ja halba kasutajakogemust. Kuid töötluslõimede ja ECMAScripti moodulite tulekuga on arendajatel nüüd käepärast võimsad tööriistad ülesannete delegeerimiseks taustalõimedele ja rakenduste tundlikuna hoidmiseks. See artikkel süveneb JavaScripti moodulite töötluslõimede maailma, uurides nende eeliseid, rakendamist ja parimaid praktikaid jõudluspõhiste veebirakenduste ehitamiseks.

Töötluslõimede vajaduse mõistmine

Peamine põhjus töötluslõimede kasutamiseks on JavaScripti koodi paralleelne käivitamine väljaspool peamist lõime. Peamine lõim vastutab kasutaja interaktsioonide käsitlemise, DOM-i uuendamise ja suurema osa rakenduse loogika käivitamise eest. Kui peamises lõimes käivitatakse pikaajaline või protsessori-intensiivne ülesanne, võib see blokeerida kasutajaliidese, muutes rakenduse mittetundlikuks.

Kaaluge järgmisi stsenaariume, kus töötluslõimed võivad olla eriti kasulikud:

• Piltide ja videote töötlemine: Keeruline pilditöötlus (suuruse muutmine, filtreerimine) või video kodeerimine/dekodeerimine saab delegeerida töötluslõimele, vältides kasutajaliidese hangumist protsessi ajal. Kujutage ette veebirakendust, mis võimaldab kasutajatel pilte üles laadida ja redigeerida. Ilma töötluslõimedeta võivad need toimingud muuta rakenduse mittetundlikuks, eriti suurte piltide puhul.
• Andmeanalüüs ja arvutused: Keerukate arvutuste tegemine, andmete sorteerimine või statistiline analüüs võib olla arvutusmahukas. Töötluslõimed võimaldavad neid ülesandeid täita taustal, hoides kasutajaliidese tundlikuna. Näiteks finantsrakendus, mis arvutab reaalajas aktsiatrende, või teaduslik rakendus, mis teostab keerulisi simulatsioone.
• Mahukas DOM-i manipuleerimine: Kuigi DOM-i manipuleerimist haldab tavaliselt peamine lõim, saab mõnikord väga suuremahulisi DOM-i uuendusi või keerulisi renderdamise arvutusi delegeerida (kuigi see nõuab hoolikat arhitektuuri, et vältida andmete ebajärjekindlust).
• Võrgupäringud: Kuigi fetch/XMLHttpRequest on asünkroonsed, võib suurte vastuste töötlemise delegeerimine parandada tajutavat jõudlust. Kujutage ette väga suure JSON-faili allalaadimist ja selle töötlemise vajadust. Allalaadimine on asünkroonne, kuid parsimine ja töötlemine võivad siiski peamist lõime blokeerida.
• Krüpteerimine/dekrüpteerimine: Krüptograafilised operatsioonid on arvutusmahukad. Töötluslõimede abil ei hangugi kasutajaliides, kui kasutaja andmeid krüpteerib või dekrüpteerib.

Sissejuhatus JavaScripti töötluslõimedesse

Töötluslõimed on funktsioon, mis võeti kasutusele Node.js-is ja standardiseeriti veebibrauserite jaoks Web Workers API kaudu. Need võimaldavad teil luua oma JavaScripti keskkonnas eraldi täitmislõimed. Igal töötluslõimel on oma mäluruum, mis hoiab ära võidujooksu tingimused ja tagab andmete isoleerimise. Suhtlus peamise lõime ja töötluslõimede vahel toimub sõnumite edastamise teel.

Põhimõisted:

• Lõimede isoleerimine: Igal töötluslõimel on oma iseseisev täitmiskontekst ja mäluruum. See takistab lõimedel otse üksteise andmetele juurde pääsemast, vähendades andmete rikkumise ja võidujooksu tingimuste riski.
• Sõnumite edastamine: Suhtlus peamise lõime ja töötluslõimede vahel toimub sõnumite edastamise teel, kasutades meetodit `postMessage()` ja sündmust `message`. Andmed serialiseeritakse lõimede vahel saatmisel, tagades andmete järjepidevuse.
• ECMAScripti moodulid (ESM): Kaasaegne JavaScript kasutab koodi organiseerimiseks ja modulaarsuseks ECMAScripti mooduleid. Töötluslõimed saavad nüüd otse täita ESM-mooduleid, mis lihtsustab koodihaldust ja sõltuvuste käsitlemist.

Töötamine moodulite töötluslõimedega

Enne moodulite töötluslõimede kasutuselevõttu sai töötajaid luua ainult URL-iga, mis viitas eraldi JavaScripti failile. See tekitas sageli probleeme moodulite lahendamise ja sõltuvuste haldamisega. Moodulite töötluslõimed aga võimaldavad luua töötajaid otse ES-moodulitest.

Mooduli töötluslõime loomine

Mooduli töötluslõime loomiseks tuleb lihtsalt edastada ES-mooduli URL `Worker` konstruktorile koos valikuga `type: 'module'`:

const worker = new Worker('./my-module.js', { type: 'module' });

Selles näites on `my-module.js` ES-moodul, mis sisaldab töötluslõimes käivitatavat koodi.

Näide: lihtne moodulitöötaja

Loome lihtsa näite. Esmalt looge fail nimega `worker.js`:

// worker.js

addEventListener('message', (event) => {
  const data = event.data;
  console.log('Töötaja sai:', data);

  const result = data * 2;
  postMessage(result);
});

Nüüd looge oma peamine JavaScripti fail:

// main.js

const worker = new Worker('./worker.js', { type: 'module' });

worker.addEventListener('message', (event) => {
  const result = event.data;
  console.log('Peamine lõim sai:', result);
});

worker.postMessage(10);

Selles näites:

• `main.js` loob uue töötluslõime, kasutades moodulit `worker.js`.
• Peamine lõim saadab töötluslõimele sõnumi (numbri 10), kasutades `worker.postMessage()`.
• Töötluslõim võtab sõnumi vastu, korrutab selle kahega ja saadab tulemuse peamisele lõimele tagasi.
• Peamine lõim võtab tulemuse vastu ja logib selle konsooli.

Andmete saatmine ja vastuvõtmine

Andmeid vahetatakse peamise lõime ja töötluslõimede vahel, kasutades meetodit `postMessage()` ja sündmust `message`. Meetod `postMessage()` serialiseerib andmed enne nende saatmist ja sündmus `message` annab juurdepääsu vastuvõetud andmetele omaduse `event.data` kaudu.

Saate saata erinevaid andmetüüpe, sealhulgas:

• Primitiivsed väärtused (numbrid, stringid, tõeväärtused)
• Objektid (sh massiivid)
• Ülekantavad objektid (ArrayBuffer, MessagePort, ImageBitmap)

Ülekantavad objektid on erijuhtum. Kopeerimise asemel kantakse need ühest lõimest teise, mis toob kaasa märkimisväärse jõudluse kasvu, eriti suurte andmestruktuuride, näiteks ArrayBufferite puhul.

Näide: ülekantavad objektid

Illustreerime seda ArrayBufferi abil. Looge fail `worker_transfer.js`:

// worker_transfer.js

addEventListener('message', (event) => {
  const buffer = event.data;
  const array = new Uint8Array(buffer);

  // Muuda puhvrit
  for (let i = 0; i < array.length; i++) {
    array[i] = array[i] * 2;
  }

  postMessage(buffer, [buffer]); // Kanna omandiõigus tagasi
});

Ja peamine fail `main_transfer.js`:

// main_transfer.js

const buffer = new ArrayBuffer(1024);
const array = new Uint8Array(buffer);

// Initsialiseeri massiiv
for (let i = 0; i < array.length; i++) {
  array[i] = i;
}

const worker = new Worker('./worker_transfer.js', { type: 'module' });

worker.addEventListener('message', (event) => {
  const receivedBuffer = event.data;
  const receivedArray = new Uint8Array(receivedBuffer);

  console.log('Peamine lõim sai:', receivedArray);
});

worker.postMessage(buffer, [buffer]); // Kanna omandiõigus töötajale üle

Selles näites:

• Peamine lõim loob ArrayBufferi ja initsialiseerib selle väärtustega.
• Peamine lõim kannab ArrayBufferi omandiõiguse töötluslõimele üle, kasutades `worker.postMessage(buffer, [buffer])`. Teine argument, `[buffer]`, on ülekantavate objektide massiiv.
• Töötluslõim võtab ArrayBufferi vastu, muudab seda ja kannab omandiõiguse peamisele lõimele tagasi.
• Pärast `postMessage`'i *ei ole* peamisel lõimel enam sellele ArrayBufferile juurdepääsu. Selle lugemise või kirjutamise katse tulemuseks on viga. See on sellepärast, et omandiõigus on üle kantud.
• Peamine lõim võtab muudetud ArrayBufferi vastu.

Ülekantavad objektid on jõudluse seisukohast üliolulised suurte andmemahtudega tegelemisel, kuna need väldivad kopeerimise üldkulusid.

Vigade käsitlemine

Töötluslõimes esinevaid vigu saab püüda, kuulates töötaja objektil `error` sündmust.

worker.addEventListener('error', (event) => {
  console.error('Töötaja viga:', event.message, event.filename, event.lineno);
});

See võimaldab teil vigu sujuvalt käsitleda ja vältida kogu rakenduse kokkujooksmist.

Praktilised rakendused ja näited

Uurime mõningaid praktilisi näiteid, kuidas moodulite töötluslõimesid saab kasutada rakenduse jõudluse parandamiseks.

1. Pilditöötlus

Kujutage ette veebirakendust, mis võimaldab kasutajatel pilte üles laadida ja rakendada erinevaid filtreid (nt halltoonid, udusus, seepia). Nende filtrite rakendamine otse peamises lõimes võib põhjustada kasutajaliidese hangumist, eriti suurte piltide puhul. Töötluslõime abil saab pilditöötluse delegeerida taustale, hoides kasutajaliidese tundlikuna.

Töötluslõim (image-worker.js):

// image-worker.js

import { applyGrayscaleFilter } from './image-filters.js';

addEventListener('message', async (event) => {
  const { imageData, filter } = event.data;
  let processedImageData;

  switch (filter) {
    case 'grayscale':
      processedImageData = applyGrayscaleFilter(imageData);
      break;
    // Lisa siia teised filtrid
    default:
      processedImageData = imageData;
  }

  postMessage(processedImageData, [processedImageData.data.buffer]); // Ülekantav objekt
});

Peamine lõim:

// main.js

const worker = new Worker('./image-worker.js', { type: 'module' });

worker.addEventListener('message', (event) => {
  const processedImageData = event.data;
  // Uuenda lõuendit töödeldud pildiandmetega
  updateCanvas(processedImageData);
});

// Hangi pildiandmed lõuendilt
const imageData = getImageData();

worker.postMessage({ imageData: imageData, filter: 'grayscale' }, [imageData.data.buffer]); // Ülekantav objekt

2. Andmeanalüüs

Kujutage ette finantsrakendust, mis peab teostama keerulist statistilist analüüsi suurte andmekogumite peal. See võib olla arvutusmahukas ja blokeerida peamist lõime. Töötluslõime saab kasutada analüüsi teostamiseks taustal.

Töötluslõim (data-worker.js):

// data-worker.js

import { performStatisticalAnalysis } from './data-analysis.js';

addEventListener('message', (event) => {
  const data = event.data;
  const results = performStatisticalAnalysis(data);
  postMessage(results);
});

Peamine lõim:

// main.js

const worker = new Worker('./data-worker.js', { type: 'module' });

worker.addEventListener('message', (event) => {
  const results = event.data;
  // Kuva tulemused kasutajaliideses
  displayResults(results);
});

// Laadi andmed
const data = loadData();

worker.postMessage(data);

3. 3D renderdamine

Veebipõhine 3D-renderdamine, eriti teekidega nagu Three.js, võib olla väga protsessori-intensiivne. Mõnede renderdamise arvutuslike aspektide, näiteks keerukate tippude positsioonide arvutamine või kiirtejälitus (ray tracing), viimine töötluslõimele võib jõudlust oluliselt parandada.

Töötluslõim (render-worker.js):

// render-worker.js

import { calculateVertexPositions } from './render-utils.js';

addEventListener('message', (event) => {
    const meshData = event.data;
    const updatedPositions = calculateVertexPositions(meshData);

    postMessage(updatedPositions, [updatedPositions.buffer]); // Ülekantav
});

Peamine lõim:

// main.js

const worker = new Worker('./render-worker.js', {type: 'module'});

worker.addEventListener('message', (event) => {
    const updatedPositions = event.data;

    //Uuenda geomeetriat uute tippude positsioonidega
    updateGeometry(updatedPositions);
});

// ... loo võrgustiku andmed ...

worker.postMessage(meshData, [meshData.buffer]); //Ülekantav

Parimad praktikad ja kaalutlused

• Hoidke ülesanded lühikesed ja fokusseeritud: Vältige äärmiselt pikaajaliste ülesannete delegeerimist töötluslõimedele, kuna see võib siiski põhjustada kasutajaliidese hangumist, kui töötluslõimel kulub liiga kaua aega. Jaotage keerulised ülesanded väiksemateks, paremini hallatavateks tükkideks.
• Minimeerige andmeedastust: Andmete edastamine peamise lõime ja töötluslõimede vahel võib olla kulukas. Minimeerige edastatavate andmete hulka ja kasutage võimaluse korral ülekantavaid objekte.
• Käsitlege vigu sujuvalt: Rakendage korralikku veakäsitlust, et püüda ja käsitleda töötluslõimedes esinevaid vigu.
• Arvestage üldkuludega: Töötluslõimede loomisel ja haldamisel on teatud üldkulud. Ärge kasutage töötluslõimesid tühiste ülesannete jaoks, mida saab peamises lõimes kiiresti täita.
• Silumine: Töötluslõimede silumine võib olla keerulisem kui peamise lõime silumine. Kasutage konsooli logimist ja brauseri arendaja tööriistu töötluslõimede oleku kontrollimiseks. Paljud kaasaegsed brauserid toetavad nüüd spetsiaalseid töötluslõimede silumise tööriistu.
• Turvalisus: Töötluslõimed alluvad sama päritolu poliitikale (same-origin policy), mis tähendab, et nad saavad juurde pääseda ainult ressurssidele samast domeenist, kust pärineb peamine lõim. Olge väliste ressurssidega töötamisel teadlik võimalikest turvamõjudest.
• Jagatud mälu: Kuigi töötluslõimed suhtlevad traditsiooniliselt sõnumite edastamise teel, võimaldab SharedArrayBuffer jagatud mälu kasutamist lõimede vahel. See võib teatud stsenaariumides olla oluliselt kiirem, kuid nõuab hoolikat sünkroniseerimist võidujooksu tingimuste vältimiseks. Selle kasutamine on sageli piiratud ja nõuab turvakaalutlustel (Spectre/Meltdown haavatavused) spetsiifilisi päiseid/seadeid. Kaaluge Atomics API kasutamist juurdepääsu sünkroniseerimiseks SharedArrayBufferitele.
• Funktsionaalsuse tuvastamine: Kontrollige alati, kas töötluslõimed on kasutaja brauseris toetatud, enne nende kasutamist. Pakkuge tagavara mehhanismi brauseritele, mis ei toeta töötluslõimesid.

Alternatiivid töötluslõimedele

Kuigi töötluslõimed pakuvad võimsat mehhanismi taustatöötluseks, ei ole need alati parim lahendus. Kaaluge järgmisi alternatiive:

• Asünkroonsed funktsioonid (async/await): I/O-ga seotud operatsioonide (nt võrgupäringud) jaoks pakuvad asünkroonsed funktsioonid kergemat ja lihtsamini kasutatavat alternatiivi töötluslõimedele.
• WebAssembly (WASM): Arvutusmahukate ülesannete jaoks võib WebAssembly pakkuda peaaegu natiivset jõudlust, käivitades kompileeritud koodi brauseris. WASM-i saab kasutada otse peamises lõimes või töötluslõimedes.
• Teenindustöötajad (Service Workers): Teenindustöötajaid kasutatakse peamiselt vahemällu salvestamiseks ja taustasünkroonimiseks, kuid neid saab kasutada ka muude ülesannete täitmiseks taustal, näiteks tõuketeatised.

Kokkuvõte

JavaScripti moodulite töötluslõimed on väärtuslik tööriist jõudluspõhiste ja tundlike veebirakenduste ehitamiseks. Delegeerides arvutusmahukaid ülesandeid taustalõimedele, saate vältida kasutajaliidese hangumist ja pakkuda sujuvamat kasutajakogemust. Selles artiklis kirjeldatud põhimõistete, parimate praktikate ja kaalutluste mõistmine annab teile võimekuse moodulite töötluslõimesid oma projektides tõhusalt kasutada.

Võtke omaks mitmelõimelisuse jõud JavaScriptis ja avage oma veebirakenduste täielik potentsiaal. Katsetage erinevate kasutusjuhtudega, optimeerige oma koodi jõudluse jaoks ja looge erakordseid kasutajakogemusi, mis rõõmustavad teie kasutajaid üle maailma.

Lisalugemist

• MDN Web Docs: Worker
• Node.js dokumentatsioon: Worker Threads