WebAssembly lõimed: paralleeltöötluse ja jagatud mälu vallandamine parema jõudluse saavutamiseks

WebAssembly (Wasm) on revolutsioneerinud veebiarendust ja seda kasutatakse üha enam ka väljaspool veebilehitsejat. Selle kaasaskantavus, jõudlus ja turvalisus on teinud sellest köitva alternatiivi JavaScriptile jõudluskriitiliste rakenduste jaoks. Üks olulisemaid edusamme WebAssembly's on lõimede kasutuselevõtt, mis võimaldab paralleeltöötlust ja jagatud mälu. See avab uue jõudlustaseme arvutusmahukate ülesannete jaoks, luues võimalusi keerukamate ja reageerimisvõimelisemate veebirakenduste ning ka natiivrakenduste jaoks.

WebAssembly ja selle eeliste mõistmine

WebAssembly on binaarne käsuformaat, mis on loodud programmeerimiskeelte kaasaskantavaks kompileerimise sihtmärgiks. See võimaldab keeltes nagu C, C++, Rust ja teised kirjutatud koodi käivitada peaaegu natiivse kiirusega veebilehitsejates ja muudes keskkondades. Selle peamised eelised on järgmised:

• Jõudlus: Wasm-kood töötab oluliselt kiiremini kui JavaScript, eriti arvutusmahukate ülesannete puhul.
• Kaasaskantavus: Wasm on loodud töötama erinevatel platvormidel ja veebilehitsejates.
• Turvalisus: Wasmil on turvaline täitmismudel, mis eraldab koodi liivakasti, et vältida volitamata juurdepääsu süsteemiressurssidele.
• Keeleagnostilisus: Saate kirjutada Wasm-mooduleid erinevaid keeli kasutades, võimendades igaühe tugevusi.

WebAssembly on leidnud rakendust erinevates valdkondades, sealhulgas:

• Mängud: Suure jõudlusega mängude pakkumine veebilehitsejas.
• 3D-renderdamine: Interaktiivsete 3D-kogemuste loomine.
• Video- ja helitöötlus: Multimeediasisu kiire töötlemise võimaldamine.
• Teaduslik andmetöötlus: Keerukate simulatsioonide ja andmeanalüüsi teostamine.
• Pilvandmetöötlus: Serveripoolsete rakenduste ja mikroteenuste käitamine.

Lõimede vajalikkus WebAssembly's

Kuigi WebAssembly pakub muljetavaldavat jõudlust, töötas see traditsiooniliselt ühelõimelises keskkonnas. See tähendas, et arvutusmahukad ülesanded võisid blokeerida põhilõime, mis viis loiuni kasutajakogemuseni. Näiteks keerukas pilditöötlusalgoritm või füüsikasimulatsioon võis käivitamise ajal veebilehitseja külmutada. Siin tulevadki mängu lõimed.

Lõimed võimaldavad programmil täita mitut ülesannet samaaegselt. See saavutatakse programmi jaotamisega mitmeks lõimeks, millest igaüks saab töötada iseseisvalt. Mitmelõimelises rakenduses saavad suure protsessi erinevad osad töötada samaaegselt, potentsiaalselt eraldi protsessorituumadel, mis toob kaasa märkimisväärse kiirusekasvu. See on eriti kasulik arvutusmahukate ülesannete puhul, kuna töö saab jaotada mitme tuuma vahel, selle asemel et kogu töö teeks ära üks tuum. See hoiab ära kasutajaliidese külmumise.

Sissejuhatus WebAssembly lõimedesse ja jagatud mällu

WebAssembly lõimed kasutavad ära SharedArrayBufferi (SAB) ja Atomics JavaScripti funktsioone. SharedArrayBuffer võimaldab mitmel lõimel juurde pääseda samale mälupiirkonnale ja seda muuta. Atomics pakub madala taseme operatsioone lõimede sünkroniseerimiseks, näiteks atomaarsed operatsioonid ja lukud, vältides andmete võidujookse ja tagades, et jagatud mälu muudatused on lõimede vahel järjepidevad. Need funktsioonid võimaldavad arendajatel luua WebAssembly's tõeliselt paralleelseid rakendusi.

SharedArrayBuffer (SAB)

SharedArrayBuffer on JavaScripti objekt, mis võimaldab mitmel veebitöötajal või lõimel jagada sama aluseks olevat mälupuhvrit. Mõelge sellele kui jagatud mäluruumile, kus erinevad lõimed saavad andmeid lugeda ja kirjutada. See jagatud mälu on WebAssembly paralleeltöötluse alus.

Atomics

Atomics on JavaScripti objekt, mis pakub madala taseme atomaarseid operatsioone. Need operatsioonid tagavad, et lugemis- ja kirjutamisoperatsioonid jagatud mälus toimuvad atomaarselt, mis tähendab, et need viiakse lõpule ilma katkestusteta. See on lõimede ohutuse ja andmete võidujooksude vältimiseks ülioluline. Levinud Atomicsi operatsioonid on järgmised:

• Atomic.load(): Loeb väärtuse jagatud mälust.
• Atomic.store(): Kirjutab väärtuse jagatud mällu.
• Atomic.add(): Lisab atomaarselt väärtuse mälukohta.
• Atomic.sub(): Lahutab atomaarselt väärtuse mälukohast.
• Atomic.wait(): Ootab, kuni väärtus jagatud mälus muutub.
• Atomic.notify(): Teavitab ootavaid lõimi, et väärtus jagatud mälus on muutunud.

Kuidas WebAssembly lõimed töötavad

Siin on lihtsustatud ülevaade sellest, kuidas WebAssembly lõimed töötavad:

1. Mooduli kompileerimine: Lähtekood (nt C++, Rust) kompileeritakse WebAssembly mooduliks koos vajalike lõimede tugiteekidega.
2. Jagatud mälu eraldamine: Luuakse SharedArrayBuffer, mis pakub jagatud mäluruumi.
3. Lõimede loomine: WebAssembly moodul loob mitu lõime, mida saab seejärel juhtida JavaScripti koodist (või sõltuvalt keskkonnast natiivse WebAssembly käitusaja kaudu).
4. Ülesannete jaotamine: Ülesanded jaotatakse ja määratakse erinevatele lõimedele. Seda saab teha arendaja käsitsi või kasutades ülesannete ajastamise teeki.
5. Paralleelne täitmine: Iga lõim täidab oma määratud ülesannet samaaegselt. Nad saavad atomaarseid operatsioone kasutades juurde pääseda ja muuta andmeid SharedArrayBufferis.
6. Sünkroniseerimine: Lõimed sünkroniseerivad oma tööd Atomicsi operatsioonide (nt muteksid, tingimusmuutujad) abil, et vältida andmete võidujookse ja tagada andmete järjepidevus.
7. Tulemuste koondamine: Kui lõimed on oma ülesanded lõpetanud, koondatakse tulemused. See võib hõlmata seda, et põhilõim kogub tulemusi töötajalõimedelt.

WebAssembly lõimede kasutamise eelised

WebAssembly lõimed pakuvad mitmeid olulisi eeliseid:

• Parem jõudlus: Paralleeltöötlus võimaldab kasutada mitut protsessorituuma, kiirendades oluliselt arvutusmahukaid ülesandeid.
• Parem reageerimisvõime: Ülesannete delegeerimine töötajalõimedele hoiab põhilõime reageerimisvõimelisena, mis tagab parema kasutajakogemuse.
• Platvormiülene ühilduvus: WebAssembly lõimed töötavad erinevates operatsioonisüsteemides ja veebilehitsejates, mis toetavad SharedArrayBufferit ja Atomicsit.
• Olemasoleva koodi ärakasutamine: Sageli saate olemasolevaid mitmelõimelisi koodibaase (nt C++, Rust) minimaalsete muudatustega WebAssembly'sse ümber kompileerida.
• Suurenenud skaleeritavus: Rakendused saavad hakkama suuremate andmekogumite ja keerukamate arvutustega ilma jõudlust kahjustamata.

WebAssembly lõimede kasutusjuhtumid

WebAssembly lõimedel on lai valik rakendusi:

• Pildi- ja videotöötlus: Pildifiltrite, video kodeerimise/dekodeerimise ja muude pildimanipulatsiooni ülesannete paralleelistamine. Kujutage ette Jaapanis, Tokyos tehtud rakendust, mis võimaldab reaalajas mitme videofiltri rakendamist ilma viivituseta.
• 3D-graafika ja simulatsioonid: Keerukate 3D-stseenide renderdamine, füüsikasimulatsioonide käitamine ja mängude jõudluse optimeerimine. See on kasulik rakendustele, mida kasutatakse Saksamaal või mõnes teises suure jõudlusega mängukultuuriga riigis.
• Teaduslik andmetöötlus: Keerukate arvutuste tegemine teadusuuringute jaoks, nagu molekulaardünaamika simulatsioonid, ilmaennustused ja andmeanalüüs, kõikjal maailmas.
• Andmeanalüüs ja masinõpe: Andmetöötluse, mudelite treenimise ja järelduste tegemise ülesannete kiirendamine. Ettevõtted Londonis, Ühendkuningriigis, saavad sellest kasu, mis tähendab suuremat tõhusust.
• Helitöötlus: Reaalajas heliefektide, sünteesi ja miksimise rakendamine.
• Krüptoraha kaevandamine: Kuigi vastuoluline, kasutavad mõned selleks otstarbeks WebAssembly kiirust.
• Finantsmodelleerimine: Keerukate finantsmudelite ja riskihinnangute arvutamine. Sellest saavad kasu ettevõtted Šveitsis ja Ameerika Ühendriikides.
• Serveripoolsed rakendused: Suure jõudlusega taustaprogrammide ja mikroteenuste käitamine.

WebAssembly lõimede rakendamine: praktiline näide (C++)

Illustreerime, kuidas saate luua lihtsa WebAssembly mooduli lõimedega, kasutades C++ ja Emscriptenit, mis on populaarne tööriistakett C/C++ kompileerimiseks WebAssembly'sse. See on lihtsustatud näide põhimõistete esiletoomiseks. Keerukamaid sünkroniseerimistehnikaid (nt muteksid, tingimusmuutujad) kasutatakse tavaliselt reaalsetes rakendustes.

1. Installige Emscripten: Kui te pole seda veel teinud, installige Emscripten, mis nõuab korrektseks seadistamiseks Pythonit ja muid sõltuvusi.
2. Kirjutage C++ kood: Looge fail nimega `threads.cpp` järgmise sisuga:

               #include <emscripten.h>
   #include <pthread.h>
   #include <stdio.h>
   #include <atomic>
   
   // Jagatud mälu
   std::atomic<int> shared_counter(0);
   
   void* thread_function(void* arg) {
       int thread_id = *(int*)arg;
       for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
           shared_counter++; // Atomaarne inkrement
       }
       printf("Thread %d finished\n", thread_id);
       return nullptr;
   }
   
   extern "C" {
       EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
       int start_threads(int num_threads) {
           pthread_t threads[num_threads];
           int thread_ids[num_threads];
   
           printf("Starting %d threads...\n", num_threads);
   
           for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
               thread_ids[i] = i;
               pthread_create(&threads[i], nullptr, thread_function, &thread_ids[i]);
           }
   
           for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {
               pthread_join(threads[i], nullptr);
           }
   
           printf("All threads finished. Final counter value: %d\n", shared_counter.load());
           return shared_counter.load();
       }
   }
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

3. Kompileerige Emscripteniga: Kompileerige C++ kood WebAssembly'sse, kasutades Emscripteni kompilaatorit. Pange tähele lippe lõimede ja jagatud mälu lubamiseks:

               emcc threads.cpp -o threads.js -s WASM=1 -s USE_PTHREADS=1 -s PTHREAD_POOL_SIZE=4 -s ENVIRONMENT=web,worker -s ALLOW_MEMORY_GROWTH=1
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

   Ülaltoodud käsk teeb järgmist:

   • `emcc`: Emscripteni kompilaator.
   • `threads.cpp`: C++ lähtefail.
   • `-o threads.js`: Väljund-JavaScripti fail (mis sisaldab ka WebAssembly moodulit).
   • `-s WASM=1`: Lubab WebAssembly kompileerimise.
   • `-s USE_PTHREADS=1`: Lubab pthreads-toe, mis on lõimede jaoks vajalik.
   • `-s PTHREAD_POOL_SIZE=4`: Määrab töötajalõimede arvu lõimede kogumis (kohandage seda vastavalt vajadusele).
   • `-s ENVIRONMENT=web,worker`: Määrab, kus see peaks töötama.
   • `-s ALLOW_MEMORY_GROWTH=1`: Lubab WebAssembly mälul dünaamiliselt kasvada.
4. Looge HTML-fail: Looge HTML-fail (nt `index.html`), et laadida ja käivitada genereeritud JavaScripti ja WebAssembly moodul:

               <!DOCTYPE html>
   <html>
   <head>
       <title>WebAssembly Threads Example</title>
   </head>
   <body>
       <script src="threads.js"></script>
       <script>
           Module.onRuntimeInitialized = () => {
               // Kutsuge WebAssembly moodulist välja funktsioon start_threads
               Module.start_threads(4);
           };
       </script>
   </body>
   </html>
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

5. Käivitage kood: Avage `index.html` veebilehitsejas. Väljundi nägemiseks avage brauseri arendajakonsool. Kood loob ja käivitab mitu lõime, inkrementeerides tsüklis jagatud loendurit ja printides lõpliku loenduri väärtuse. Peaksite nägema, et lõimed töötavad samaaegselt, mis on kiirem kui ühelõimeline lähenemine.

   Oluline märkus: Selle näite käivitamiseks on vaja veebilehitsejat, mis toetab WebAssembly lõimi. Veenduge, et teie brauseris oleksid SharedArrayBuffer ja Atomics lubatud. Võimalik, et peate oma brauseri seadetes lubama eksperimentaalseid funktsioone.

Parimad praktikad WebAssembly lõimede jaoks

WebAssembly lõimedega töötades arvestage järgmiste parimate tavadega:

• Lõimede ohutus: Kasutage alati atomaarseid operatsioone (nt `Atomic.add`, `Atomic.store`, `Atomic.load`) või sünkroniseerimisprimitiive (muteksid, semaforid, tingimusmuutujad), et kaitsta jagatud andmeid andmete võidujooksude eest.
• Minimeerige jagatud mälu: Vähendage jagatud mälu hulka, et minimeerida sünkroniseerimise üldkulusid. Võimalusel jaotage andmed nii, et erinevad lõimed töötaksid eraldi osadega.
• Valige õige arv lõimi: Optimaalne lõimede arv sõltub saadaolevate protsessorituumade arvust ja ülesannete iseloomust. Liiga paljude lõimede kasutamine võib kontekstivahetuse üldkulude tõttu jõudlust halvendada. Kaaluge lõimede kogumi (thread pool) kasutamist lõimede tõhusaks haldamiseks.
• Optimeerige andmete paiknemist: Veenduge, et lõimed pääseksid juurde andmetele, mis asuvad mälus üksteise lähedal. See võib parandada vahemälu kasutamist ja vähendada mälupöörduse aegu.
• Kasutage sobivaid sünkroniseerimisprimitiive: Valige rakenduse vajadustest lähtuvalt õiged sünkroniseerimisprimitiivid. Muteksid sobivad jagatud ressursside kaitsmiseks, samas kui tingimusmuutujaid saab kasutada lõimede vaheliseks ootamiseks ja signaalimiseks.
• Profileerimine ja võrdlustestimine: Profileerige oma koodi, et tuvastada jõudluse kitsaskohad. Võrdlustestige erinevaid lõimede konfiguratsioone ja sünkroniseerimisstrateegiaid, et leida kõige tõhusam lähenemine.
• Vigade käsitlemine: Rakendage korrektne veakäsitlus, et graatsiliselt hallata lõimede tõrkeid ja muid potentsiaalseid probleeme.
• Mäluhaldus: Olge mälu eraldamisel ja vabastamisel tähelepanelik. Kasutage sobivaid mäluhaldustehnikaid, eriti jagatud mäluga töötades.
• Kaaluge töötajate kogumi (worker pool) kasutamist: Mitme lõimega tegelemisel on tõhususe huvides kasulik luua töötajate kogum. See väldib töötajalõimede sagedast loomist ja hävitamist ning kasutab neid tsükliliselt.

Jõudlusega seotud kaalutlused ja optimeerimistehnikad

WebAssembly lõimede rakenduste jõudluse optimeerimine hõlmab mitmeid võtmetehnikaid:

• Minimeerige andmeedastust: Vähendage andmete hulka, mida on vaja lõimede vahel üle kanda. Andmeedastus on suhteliselt aeglane operatsioon.
• Optimeerige mälupöörduseid: Veenduge, et lõimed pääseksid mällu tõhusalt juurde. Vältige tarbetuid mälukoopiaid ja vahemälu möödalaskmisi.
• Vähendage sünkroniseerimise üldkulusid: Kasutage sünkroniseerimisprimitiive säästlikult. Liigne sünkroniseerimine võib tühistada paralleeltöötluse jõudluseelised.
• Peenhäälestage lõimede kogumi suurust: Katsetage erinevate lõimede kogumi suurustega, et leida oma rakenduse ja riistvara jaoks optimaalne konfiguratsioon.
• Profileerige oma koodi: Kasutage profileerimisvahendeid, et tuvastada jõudluse kitsaskohad ja optimeerimisvõimalused.
• Kasutage SIMD-d (Single Instruction, Multiple Data): Võimaluse korral kasutage SIMD-käske, et sooritada operatsioone mitme andmeelemendiga samaaegselt. See võib oluliselt parandada jõudlust selliste ülesannete puhul nagu vektorarvutused ja pilditöötlus.
• Mälu joondamine: Veenduge, et teie andmed on joondatud mälu piiridega. See võib parandada mälupöörduse jõudlust, eriti mõnedel arhitektuuridel.
• Lukuvabad andmestruktuurid: Uurige lukuvabu andmestruktuure olukordades, kus saate lukke täielikult vältida. Need võivad mõnes olukorras vähendada sünkroniseerimise üldkulusid.

Tööriistad ja teegid WebAssembly lõimede jaoks

Mitmed tööriistad ja teegid võivad WebAssembly lõimedega arendusprotsessi sujuvamaks muuta:

• Emscripten: Emscripteni tööriistakett lihtsustab C/C++ koodi kompileerimist WebAssembly'sse ja pakub tugevat tuge pthreads-ile.
• Rust koos `wasm-bindgen`i ja `wasm-threads`iga: Rustil on suurepärane tugi WebAssembly'le. `wasm-bindgen` lihtsustab suhtlust JavaScriptiga ja `wasm-threads` teek võimaldab lõimede lihtsat integreerimist.
• WebAssembly System Interface (WASI): WASI on WebAssembly süsteemiliides, mis võimaldab juurdepääsu süsteemiressurssidele, nagu failid ja võrgundus, muutes keerukamate rakenduste ehitamise lihtsamaks.
• Lõimede kogumi teegid (nt `rayon` Rusti jaoks): Lõimede kogumi teegid pakuvad tõhusaid viise lõimede haldamiseks, vähendades lõimede loomise ja hävitamise üldkulusid. Nad tegelevad ka töö tõhusama jaotamisega.
• Silumisvahendid: WebAssembly silumine võib olla keerulisem kui natiivse koodi silumine. Kasutage silumisvahendeid, mis on spetsiaalselt loodud WebAssembly rakenduste jaoks. Brauseri arendajate tööriistad sisaldavad tuge WebAssembly koodi silumiseks ja lähtekoodi samm-sammult läbimiseks.

Turvalisusega seotud kaalutlused

Kuigi WebAssembly'l endal on tugev turvamudel, on WebAssembly lõimede kasutamisel oluline tegeleda turvaprobleemidega:

• Sisendi valideerimine: Valideerige hoolikalt kõiki sisendandmeid, et vältida haavatavusi, nagu puhvri ületäitumine või muud rünnakud.
• Mälu ohutus: Tagage mälu ohutus, kasutades mäluturvalisuse funktsioonidega keeli (nt Rust) või rangeid mäluhaldustehnikaid.
• Liivakastis hoidmine: WebAssembly töötab olemuslikult liivakastikeskkonnas, piirates juurdepääsu süsteemiressurssidele. Veenduge, et see liivakastis hoidmine säiliks lõimede kasutamise ajal.
• Vähimate õiguste põhimõte: Andke WebAssembly moodulile ainult minimaalsed vajalikud õigused süsteemiressurssidele juurdepääsuks.
• Koodi ülevaatus: Viige läbi põhjalikud koodiülevaatused, et tuvastada potentsiaalseid haavatavusi.
• Regulaarsed uuendused: Hoidke oma WebAssembly tööriistakett ja teegid ajakohasena, et lahendada kõik teadaolevad turvaprobleemid.

WebAssembly lõimede tulevik

WebAssembly lõimede tulevik on helge. WebAssembly ökosüsteemi küpsedes võime oodata edasisi edusamme:

• Parendatud tööriistad: Täiustatud tööriistad, silumis- ja profileerimisvahendid lihtsustavad arendusprotsessi.
• WASI integratsioon: WASI pakub standardiseeritumat juurdepääsu süsteemiressurssidele, laiendades WebAssembly rakenduste võimekust.
• Riistvaraline kiirendus: Edasine integreerimine riistvaralise kiirendusega, nagu GPU-d, et suurendada arvutusmahukate operatsioonide jõudlust.
• Rohkem keeletuge: Jätkuv tugi rohkemate keelte jaoks, mis võimaldab rohkematel arendajatel WebAssembly lõimi kasutada.
• Laienenud kasutusjuhtumid: WebAssembly't hakatakse laialdasemalt kasutama rakendustes, mis nõuavad suurt jõudlust ja platvormiülest ühilduvust.

WebAssembly lõimede pidev areng jätkab innovatsiooni ja jõudluse edendamist, avades arendajatele uusi uksi ja võimaldades keerukamatel rakendustel tõhusalt töötada nii veebilehitsejas kui ka väljaspool seda.

Kokkuvõte

WebAssembly lõimed pakuvad võimsat mehhanismi paralleeltöötluseks ja jagatud mälu kasutamiseks, andes arendajatele võimaluse luua suure jõudlusega rakendusi erinevatele platvormidele. Mõistes WebAssembly lõimedega seotud põhimõtteid, parimaid tavasid ja tööriistu, saavad arendajad oluliselt parandada rakenduste jõudlust, reageerimisvõimet ja skaleeritavust. Kuna WebAssembly areneb edasi, on see määratud mängima üha olulisemat rolli veebiarenduses ja muudes valdkondades, muutes viisi, kuidas me tarkvara ülemaailmselt ehitame ja juurutame.

See tehnoloogia võimaldab täiustatud võimekusi kasutajatele üle kogu maailma – alates interaktiivsetest kogemustest Saksamaal kuni robustsete simulatsioonideni Ameerika Ühendriikides on WebAssembly ja lõimed siin, et revolutsioneerida tarkvaraarendust.