Web Workers lõimekogum: taustatoimingute jaotamine ja koormuse tasakaalustamine

Tänapäeva keerukates veebirakendustes on reageerimisvõime säilitamine positiivse kasutajakogemuse pakkumisel ülioluline. Arvutusmahukad või väliste ressursside (nagu võrgupäringud või andmebaasi päringud) ootamist nõudvad toimingud võivad blokeerida põhilõime, mis põhjustab kasutajaliidese hangumist ja rakenduse aeglast toimimist. Web Workers pakub võimsa lahenduse, võimaldades käivitada JavaScripti koodi taustalõimedes, vabastades seeläbi põhilõime kasutajaliidese uuendusteks ja kasutajate interaktsioonideks.

Samas võib mitme Web Workeri otsene haldamine muutuda tülikaks, eriti suure hulga ülesannete korral. Siin tulebki mängu Web Workers lõimekogumi (thread pool) kontseptsioon. Lõimekogum pakub hallatud kogumit Web Workeritest, millele saab dünaamiliselt ülesandeid määrata, optimeerides seeläbi ressursside kasutamist ja lihtsustades taustatoimingute jaotamist.

Mis on Web Workers lõimekogum?

Web Workers lõimekogum on disainimuster, mis hõlmab kindla või dünaamilise arvu Web Workerite loomist ja nende elutsükli haldamist. Selle asemel, et iga ülesande jaoks Web Workerit luua ja hävitada, hoiab lõimekogum alles kogumit saadaolevatest töötajatest, mida saab taaskasutada. See vähendab oluliselt töötajate loomise ja lõpetamisega seotud lisakoormust, mis viib parema jõudluse ja ressursitõhususeni.

Mõelge sellest kui spetsialiseerunud töötajate meeskonnast, kus igaüks on valmis vastu võtma teatud tüüpi ülesandeid. Selle asemel, et iga kord, kui midagi on vaja teha, töötajaid palgata ja vallandada, on teil meeskond valmis ja ootamas, et neile ülesandeid määrata, kui need tekivad.

Web Workers lõimekogumi kasutamise eelised

• Parem jõudlus: Web Workerite taaskasutamine vähendab nende loomise ja hävitamisega seotud lisakoormust, mis viib ülesannete kiirema täitmiseni.
• Lihtsustatud ülesannete haldamine: Lõimekogum pakub tsentraliseeritud mehhanismi taustatoimingute haldamiseks, lihtsustades kogu rakenduse arhitektuuri.
• Koormuse tasakaalustamine: Ülesandeid saab jaotada ühtlaselt olemasolevate töötajate vahel, vältides ühegi töötaja ülekoormamist.
• Ressursside optimeerimine: Töötajate arvu kogumis saab kohandada vastavalt olemasolevatele ressurssidele ja töökoormusele, tagades optimaalse ressursside kasutamise.
• Suurenenud reageerimisvõime: Arvutusmahukate ülesannete delegeerimisega taustalõimedele jääb põhilõim vabaks kasutajaliidese uuenduste ja kasutajate interaktsioonide käsitlemiseks, mille tulemuseks on reageerimisvõimelisem rakendus.

Web Workers lõimekogumi implementeerimine

Web Workers lõimekogumi implementeerimine hõlmab mitut põhikomponenti:

1. Töötajate loomine: Looge Web Workerite kogum ja salvestage need massiivi või muusse andmestruktuuri.
2. Ülesannete järjekord: Hoidke alles järjekorda ülesannetest, mis ootavad töötlemist.
3. Ülesannete määramine: Kui töötaja vabaneb, määrake talle ülesanne järjekorrast.
4. Tulemuste käsitlemine: Kui töötaja lõpetab ülesande, hankige tulemus ja teavitage vastavat tagasikutsefunktsiooni.
5. Töötajate taaskasutamine: Pärast ülesande lõpetamist tagastage töötaja kogumisse taaskasutamiseks.

Siin on lihtsustatud näide JavaScriptis:

            
class ThreadPool {
  constructor(size) {
    this.size = size;
    this.workers = [];
    this.taskQueue = [];
    this.availableWorkers = [];

    for (let i = 0; i < size; i++) {
      const worker = new Worker('worker.js'); // Veenduge, et worker.js eksisteerib ja sisaldab töötaja loogikat
      worker.onmessage = (event) => {
        const { taskId, result } = event.data;
        // Käsitsege tulemust, nt lahendage ülesandega seotud lubadus (promise)
        this.taskCompletion(taskId, result, worker);
      };
      worker.onerror = (error) => {
        console.error('Worker error:', error);
        // Käsitsege viga, potentsiaalselt lükake lubadus tagasi
        this.taskError(error, worker);
      };
      this.workers.push(worker);
      this.availableWorkers.push(worker);
    }
  }

  enqueue(task, taskId) {
    return new Promise((resolve, reject) => {
      this.taskQueue.push({ task, resolve, reject, taskId });
      this.processTasks();
    });
  }

  processTasks() {
    while (this.availableWorkers.length > 0 && this.taskQueue.length > 0) {
      const worker = this.availableWorkers.shift();
      const { task, resolve, reject, taskId } = this.taskQueue.shift();
      worker.postMessage({ task, taskId }); // Saatke ülesanne ja taskId töötajale
    }
  }

  taskCompletion(taskId, result, worker) {
    // Leidke ülesanne järjekorrast (vajadusel keerukamate stsenaariumide jaoks)
    // Lahendage ülesandega seotud lubadus
    const taskData = this.workers.find(w => w === worker);

    // Käsitsege tulemust (nt uuendage kasutajaliidest)
    // Lahendage ülesandega seotud lubadus
    const taskIndex = this.taskQueue.findIndex(t => t.taskId === taskId);
    if(taskIndex !== -1){
        this.taskQueue.splice(taskIndex, 1); //eemaldage lõpetatud ülesanded
    }
    this.availableWorkers.push(worker);
    this.processTasks();

    // Lahendage ülesandega seotud lubadus, kasutades tulemust
  }

  taskError(error, worker) {
      //Käsitsege töötaja viga siin
      console.error("task error", error);
      this.availableWorkers.push(worker);
      this.processTasks();
  }
}

// Näidiskasutus:
const pool = new ThreadPool(4); // Looge 4 töötajaga kogum

async function doWork() {
  const task1 = pool.enqueue({ action: 'calculateSum', data: [1, 2, 3, 4, 5] }, 'task1');
  const task2 = pool.enqueue({ action: 'multiply', data: [2, 3, 4, 5, 6] }, 'task2');
  const task3 = pool.enqueue({ action: 'processImage', data: 'image_data' }, 'task3');
  const task4 = pool.enqueue({ action: 'fetchData', data: 'https://example.com/data' }, 'task4');

  const results = await Promise.all([task1, task2, task3, task4]);
  console.log('Results:', results);
}

doWork();

            

              
                Copy
              
            
          

worker.js (näidistöötaja skript):

            
self.onmessage = (event) => {
  const { task, taskId } = event.data;
  let result;

  switch (task.action) {
    case 'calculateSum':
      result = task.data.reduce((a, b) => a + b, 0);
      break;
    case 'multiply':
      result = task.data.reduce((a, b) => a * b, 1);
      break;
    case 'processImage':
      // Simuleerige pilditöötlust (asendage tegeliku pilditöötlusloogikaga)
      result = 'Image processed successfully!';
      break;
    case 'fetchData':
      //Simuleerige andmete toomist
      result = 'Data fetched successfully';
      break;
    default:
      result = 'Unknown action';
  }

  self.postMessage({ taskId, result }); // Postitage tulemus tagasi põhilõimele, lisades taskId
};

            

              
                Copy
              
            
          

Koodi selgitus:

• Klass ThreadPool:
  • Konstruktor: Initsialiseerib lõimekogumi määratud suurusega. See loob määratud arvu töötajaid, lisab igale töötajale `onmessage` ja `onerror` sündmuste kuulajad, et käsitleda töötajatelt tulevaid sõnumeid ja vigu, ning lisab nad nii `workers` kui ka `availableWorkers` massiividesse.
  • enqueue(task, taskId): Lisab ülesande `taskQueue` järjekorda. See tagastab `Promise`'i, mis lahendatakse ülesande tulemusega või lükatakse tagasi vea ilmnemisel. Ülesanne lisatakse järjekorda koos `resolve`, `reject` ja `taskId`-ga.
  • processTasks(): Kontrollib, kas järjekorras on vabu töötajaid ja ülesandeid. Kui jah, siis võtab see järjekorrast töötaja ja ülesande ning saadab ülesande töötajale, kasutades `postMessage`'i.
  • taskCompletion(taskId, result, worker): Seda meetodit kutsutakse välja, kui töötaja lõpetab ülesande. See hangib ülesande `taskQueue`-st, lahendab seotud `Promise`'i tulemusega ja lisab töötaja tagasi `availableWorkers` massiivi. Seejärel kutsub see välja `processTasks()` uue ülesande alustamiseks, kui see on saadaval.
  • taskError(error, worker): Seda meetodit kutsutakse välja, kui töötaja satub veale. See logib vea, lisab töötaja tagasi `availableWorkers` massiivi ja kutsub välja `processTasks()` uue ülesande alustamiseks, kui see on saadaval. Vigade korrektne käsitlemine on oluline, et vältida rakenduse kokkujooksmist.
• Töötaja skript (worker.js):
  • onmessage: See sündmuste kuulaja käivitatakse, kui töötaja saab põhilõimelt sõnumi. See eraldab sündmuse andmetest ülesande ja taskId.
  • Ülesande töötlemine: `switch`-lauset kasutatakse erineva koodi täitmiseks vastavalt ülesandes määratud `action`-ile. See võimaldab töötajal teostada erinevat tüüpi toiminguid.
  • postMessage: Pärast ülesande töötlemist saadab töötaja tulemuse tagasi põhilõimele, kasutades `postMessage`'i. Tulemus sisaldab taskId-d, mis on oluline ülesannete ja nende vastavate lubaduste jälgimiseks põhilõimes.

Olulised kaalutlused:

• Vigade käsitlemine: Kood sisaldab põhilist veakäsitlust töötajas ja põhilõimes. Siiski on tootmiskeskkondades olulised robustsed veakäsitlusstrateegiad, et vältida kokkujooksmisi ja tagada rakenduse stabiilsus.
• Ülesande serialiseerimine: Web Workeritele edastatavad andmed peavad olema serialiseeritavad. See tähendab, et andmed tuleb teisendada string-esituseks, mida saab edastada põhilõime ja töötaja vahel. Keerulised objektid võivad vajada spetsiaalseid serialiseerimistehnikaid.
• Töötaja skripti asukoht: Fail `worker.js` peaks olema serveeritud samast päritolust kui peamine HTML-fail või peab CORS olema õigesti konfigureeritud, kui töötaja skript asub teises domeenis.

Koormuse tasakaalustamise strateegiad

Koormuse tasakaalustamine on ülesannete ühtlase jaotamise protsess olemasolevate ressursside vahel. Web Workers lõimekogumite kontekstis tagab koormuse tasakaalustamine, et ükski töötaja ei saaks ülekoormatud, maksimeerides üldist jõudlust ja reageerimisvõimet.

Siin on mõned levinumad koormuse tasakaalustamise strateegiad:

• Ringmeetod (Round Robin): Ülesanded määratakse töötajatele pöörlevas järjekorras. See on lihtne ja tõhus strateegia ülesannete ühtlaseks jaotamiseks.
• Vähimate ühenduste meetod (Least Connections): Ülesanded määratakse töötajale, kellel on kõige vähem aktiivseid ühendusi (st kõige vähem hetkel töödeldavaid ülesandeid). See strateegia võib olla tõhusam kui ringmeetod, kui ülesannete täitmise ajad varieeruvad.
• Kaalutud koormuse tasakaalustamine: Igale töötajale määratakse kaal vastavalt tema töötlemisvõimsusele. Ülesanded määratakse töötajatele nende kaalude alusel, tagades, et võimsamad töötajad tegelevad suurema osa töökoormusest.
• Dünaamiline koormuse tasakaalustamine: Töötajate arvu kogumis kohandatakse dünaamiliselt vastavalt hetke töökoormusele. See strateegia võib olla eriti tõhus, kui töökoormus aja jooksul oluliselt varieerub. See võib hõlmata töötajate lisamist või eemaldamist kogumist vastavalt protsessori kasutusele või ülesannete järjekorra pikkusele.

Ülaltoodud näidiskood demonstreerib koormuse tasakaalustamise põhivormi: ülesanded määratakse vabadele töötajatele nende saabumise järjekorras (FIFO). See lähenemine toimib hästi, kui ülesannetel on suhteliselt ühtlased täitmisajad. Keerukamate stsenaariumide puhul võib aga osutuda vajalikuks rakendada keerukamat koormuse tasakaalustamise strateegiat.

Täpsemad tehnikad ja kaalutlused

Lisaks põhilisele implementatsioonile on Web Workers lõimekogumitega töötamisel mitmeid täpsemaid tehnikaid ja kaalutlusi, mida meeles pidada:

• Töötajatevaheline suhtlus: Lisaks ülesannete saatmisele töötajatele saate Web Workerite abil ka omavahel suhelda. See võib olla kasulik keerukate paralleelsete algoritmide rakendamisel või andmete jagamisel töötajate vahel. Kasutage `postMessage`'i teabe saatmiseks töötajate vahel.
• Jagatud massiivipuhvrid (Shared Array Buffers): Jagatud massiivipuhvrid (SAB-d) pakuvad mehhanismi mälu jagamiseks põhilõime ja Web Workerite vahel. See võib märkimisväärselt parandada jõudlust suurte andmekogumitega töötamisel. Olge SAB-de kasutamisel teadlik turvamõjudest. SAB-d nõuavad Spectre/Meltdowni haavatavuste tõttu spetsiifiliste päiste (COOP ja COEP) lubamist.
• OffscreenCanvas: OffscreenCanvas võimaldab teil renderdada graafikat Web Workeris ilma põhilõime blokeerimata. See võib olla kasulik keerukate animatsioonide rakendamisel või pilditöötluse teostamisel taustal.
• WebAssembly (WASM): WebAssembly võimaldab teil brauseris käivitada kõrge jõudlusega koodi. Saate kasutada Web Workerite koos WebAssembly'ga, et oma veebirakenduste jõudlust veelgi parandada. WASM-mooduleid saab laadida ja käivitada Web Workerite sees.
• Tühistamismärgid (Cancellation Tokens): Tühistamismärkide rakendamine võimaldab teil sujuvalt lõpetada pikaajalisi ülesandeid, mis töötavad veebitöötajates. See on ülioluline stsenaariumides, kus kasutaja interaktsioon või muud sündmused võivad nõuda ülesande peatamist keset selle täitmist.
• Ülesannete prioritiseerimine: Ülesannete jaoks prioriteedijärjekorra rakendamine võimaldab teil määrata kriitilistele ülesannetele kõrgema prioriteedi, tagades nende töötlemise enne vähem olulisi. See on kasulik stsenaariumides, kus teatud ülesanded tuleb sujuva kasutajakogemuse säilitamiseks kiiresti lõpule viia.

Reaalse maailma näited ja kasutusjuhud

Web Workers lõimekogumeid saab kasutada mitmesugustes rakendustes, sealhulgas:

• Pildi- ja videotöötlus: Pildi- või videotöötlusülesannete teostamine taustal võib oluliselt parandada veebirakenduste reageerimisvõimet. Näiteks võiks veebipõhine fototöötlusprogramm kasutada lõimekogumit filtrite rakendamiseks või piltide suuruse muutmiseks ilma põhilõime blokeerimata.
• Andmeanalüüs ja visualiseerimine: Suurte andmekogumite analüüsimine ja visualiseerimiste genereerimine võib olla arvutusmahukas. Lõimekogumi kasutamine võib jaotada töökoormuse mitme töötaja vahel, kiirendades analüüsi- ja visualiseerimisprotsessi. Kujutage ette finantsarmatuurlauda, mis teostab reaalajas aktsiaturu andmete analüüsi; Web Workerite kasutamine võib takistada kasutajaliidese hangumist arvutuste ajal.
• Mänguarendus: Mänguloogika ja renderdamise teostamine taustal võib parandada veebipõhiste mängude jõudlust ja reageerimisvõimet. Näiteks võiks mängumootor kasutada lõimekogumit füüsikasimulatsioonide arvutamiseks või keerukate stseenide renderdamiseks.
• Masinõpe: Masinõppemudelite treenimine võib olla arvutusmahukas ülesanne. Lõimekogumi kasutamine võib jaotada töökoormuse mitme töötaja vahel, kiirendades treenimisprotsessi. Näiteks võib pildituvastusmudelite treenimiseks mõeldud veebirakendus kasutada Web Workerite pildiandmete paralleelseks töötlemiseks.
• Koodi kompileerimine ja transpileerimine: Koodi kompileerimine või transpileerimine brauseris võib olla aeglane ja blokeerida põhilõime. Lõimekogumi kasutamine võib jaotada töökoormuse mitme töötaja vahel, kiirendades kompileerimis- või transpileerimisprotsessi. Näiteks võiks veebipõhine koodiredaktor kasutada lõimekogumit TypeScripti transpileerimiseks või C++ koodi kompileerimiseks WebAssembly'ks.
• Krüptograafilised operatsioonid: Krüptograafiliste operatsioonide, nagu räsimine või krüpteerimine, teostamine võib olla arvutusmahukas. Web Workerid saavad neid operatsioone teostada taustal, vältides põhilõime blokeerimist.
• Võrgundus ja andmete toomine: Kuigi andmete toomine võrgu kaudu on `fetch`i või `XMLHttpRequest`i abil olemuslikult asünkroonne, võib keerukas andmetöötlus pärast toomist siiski põhilõime blokeerida. Töötajate lõimekogumit saab kasutada andmete parsimiseks ja teisendamiseks taustal, enne kui need kasutajaliideses kuvatakse.

Näidisstsenaarium: globaalne e-kaubanduse platvorm

Kujutage ette suurt e-kaubanduse platvormi, mis teenindab kasutajaid üle maailma. Platvorm peab tegelema mitmesuguste taustatoimingutega, näiteks:

• Tellimuste töötlemine ja laoseisu uuendamine
• Isikupärastatud soovituste genereerimine
• Kasutajakäitumise analüüsimine turunduskampaaniate jaoks
• Valuutakonversioonide ja maksude arvestamise käsitlemine erinevate piirkondade jaoks

Kasutades Web Workers lõimekogumit, saab platvorm jaotada need ülesanded mitme töötaja vahel, tagades, et põhilõim jääb reageerimisvõimeliseks. Platvorm saab rakendada ka koormuse tasakaalustamist, et jaotada töökoormus ühtlaselt töötajate vahel, vältides ühegi töötaja ülekoormamist. Lisaks saab spetsiifilisi töötajaid kohandada piirkonnapõhiste ülesannete, näiteks valuutakonversioonide ja maksude arvestamise, käsitlemiseks, tagades optimaalse jõudluse kasutajatele erinevates maailma osades.

Internatsionaliseerimiseks peavad ülesanded ise olema teadlikud lokaadi seadetest, mis nõuab, et töötaja skript oleks dünaamiliselt genereeritud või aktsepteeriks lokaadi teavet osana ülesande andmetest. Teeke nagu `Intl` saab kasutada töötaja sees lokaliseerimispetsiifiliste operatsioonide käsitlemiseks.

Kokkuvõte

Web Workers lõimekogumid on võimas tööriist veebirakenduste jõudluse ja reageerimisvõime parandamiseks. Arvutusmahukate ülesannete delegeerimisega taustalõimedele saate vabastada põhilõime kasutajaliidese uuendusteks ja kasutajate interaktsioonideks, mis tulemuseks on sujuvam ja nauditavam kasutajakogemus. Koos tõhusate koormuse tasakaalustamise strateegiate ja täpsemate tehnikatega võivad Web Workers lõimekogumid oluliselt suurendada teie veebirakenduste skaleeritavust ja tõhusust.

Olenemata sellest, kas ehitate lihtsat veebirakendust või keerulist ettevõtte tasemel süsteemi, kaaluge Web Workers lõimekogumite kasutamist jõudluse optimeerimiseks ja parema kasutajakogemuse pakkumiseks oma globaalsele publikule.