تشخیص بن‌بست قفل وب فرانت‌اند: جلوگیری از چرخه قفل منابع

بن‌بست‌ها، مشکلی بدنام در برنامه‌نویسی همزمان، تنها مختص سیستم‌های بک‌اند نیستند. برنامه‌های وب فرانت‌اند، به ویژه آن‌هایی که از عملیات ناهمزمان و مدیریت وضعیت پیچیده بهره می‌برند، نیز مستعد این مشکل هستند. این مقاله یک راهنمای جامع برای درک، تشخیص و جلوگیری از بن‌بست‌ها در توسعه وب فرانت‌اند ارائه می‌دهد، با تمرکز بر جنبه حیاتی جلوگیری از چرخه قفل منابع.

درک بن‌بست‌ها در فرانت‌اند

بن‌بست زمانی رخ می‌دهد که دو یا چند فرآیند (در مورد ما، کد جاوااسکریپت در حال اجرا در مرورگر) به طور نامحدود مسدود می‌شوند، و هر یک منتظر است تا دیگری منبعی را آزاد کند. در زمینه فرانت‌اند، منابع می‌توانند شامل موارد زیر باشند:

• اشیاء جاوااسکریپت: برای کنترل دسترسی به داده‌های مشترک به عنوان میوتکس یا سمافور استفاده می‌شوند.
• حافظه محلی/حافظه جلسه (Local Storage/Session Storage): دسترسی و اصلاح حافظه می‌تواند منجر به رقابت شود.
• وب ورکرها (Web Workers): ارتباط بین رشته اصلی و ورکرها می‌تواند وابستگی ایجاد کند.
• API‌های خارجی: انتظار برای پاسخ‌های API که به یکدیگر وابسته هستند، می‌تواند به بن‌بست منجر شود.
• دستکاری DOM: عملیات گسترده و همگام‌سازی شده DOM، اگرچه کمتر رایج است، می‌تواند نقش داشته باشد.

برخلاف سیستم‌عامل‌های سنتی، محیط فرانت‌اند (عمدتاً) در محدودیت‌های یک حلقه رویداد تک‌رشته‌ای عمل می‌کند. در حالی که وب ورکرها موازی‌سازی را معرفی می‌کنند، ارتباط بین آن‌ها و رشته اصلی برای جلوگیری از بن‌بست نیاز به مدیریت دقیق دارد. نکته کلیدی این است که تشخیص دهیم چگونه عملیات ناهمزمان، Promiseها، و `async/await` می‌توانند پیچیدگی وابستگی‌های منابع را پنهان کنند و شناسایی بن‌بست‌ها را دشوارتر سازند.

چهار شرط برای بن‌بست (شرایط کافمن)

درک شرایط لازم برای وقوع بن‌بست، معروف به شرایط کافمن، برای جلوگیری از آن بسیار مهم است:

1. انحصار متقابل (Mutual Exclusion): منابع به صورت انحصاری دسترسی پیدا می‌کنند. تنها یک فرآیند می‌تواند در هر زمان یک منبع را در اختیار داشته باشد.
2. نگهداری و انتظار (Hold and Wait): یک فرآیند در حالی که منتظر منبع دیگری است، یک منبع را در اختیار دارد.
3. عدم پیش‌دستی (No Preemption): یک منبع نمی‌تواند به زور از فرآیندی که آن را در اختیار دارد، گرفته شود. باید به صورت داوطلبانه آزاد شود.
4. انتظار چرخه‌ای (Circular Wait): یک زنجیره چرخه‌ای از فرآیندها وجود دارد که در آن هر فرآیند منتظر منبعی است که توسط فرآیند بعدی در زنجیره نگهداری می‌شود.

بن‌بست تنها در صورتی رخ می‌دهد که هر چهار شرط برآورده شوند. بنابراین، جلوگیری از بن‌بست شامل شکستن حداقل یکی از این شرایط است.

تشخیص چرخه قفل منابع: هسته اصلی پیشگیری

شایع‌ترین نوع بن‌بست در فرانت‌اند از وابستگی‌های چرخه‌ای هنگام بدست آوردن قفل‌ها ناشی می‌شود، از این رو اصطلاح "چرخه قفل منابع" به کار می‌رود. این مشکل اغلب در عملیات ناهمزمان تو در تو ظاهر می‌شود. بیایید با یک مثال توضیح دهیم:

مثال (سناریوی بن‌بست ساده‌شده):

            // Two asynchronous functions that acquire and release locks
async function operationA(resource1, resource2) {
  await acquireLock(resource1);
  try {
    await operationB(resource2, resource1); // Calls operationB, potentially waiting for resource2
  } finally {
    releaseLock(resource1);
  }
}

async function operationB(resource2, resource1) {
  await acquireLock(resource2);
  try {
    // Perform some operation
  } finally {
    releaseLock(resource2);
  }
}

// Simplified lock acquisition/release functions
const locks = {};

async function acquireLock(resource) {
  return new Promise((resolve) => {
    if (!locks[resource]) {
      locks[resource] = true;
      resolve();
    } else {
      // Wait until the resource is released
      const interval = setInterval(() => {
        if (!locks[resource]) {
          locks[resource] = true;
          clearInterval(interval);
          resolve();
        }
      }, 50); // Polling interval
    }
  });
}

function releaseLock(resource) {
  locks[resource] = false;
}

// Simulate a deadlock
async function simulateDeadlock() {
  await operationA('resource1', 'resource2');
  await operationB('resource2', 'resource1');
}

simulateDeadlock();

            

              
                Copy
              
            
          

در این مثال، اگر `operationA` منبع `resource1` را به دست آورد و سپس `operationB` را فراخوانی کند که منتظر `resource2` است، و `operationB` به گونه‌ای فراخوانی شود که ابتدا تلاش می‌کند `resource2` را به دست آورد، اما این فراخوانی قبل از اتمام و آزادسازی `resource1` توسط `operationA` رخ دهد، و سپس تلاش کند `resource1` را به دست آورد، ما با یک بن‌بست مواجه خواهیم شد. `operationA` منتظر است تا `operationB` منبع `resource2` را آزاد کند، و `operationB` منتظر است تا `operationA` منبع `resource1` را آزاد کند.

تکنیک‌های تشخیص

تشخیص چرخه‌های قفل منابع در کد فرانت‌اند می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، اما چندین تکنیک را می‌توان به کار برد:

1. پیشگیری از بن‌بست (زمان طراحی): بهترین رویکرد این است که برنامه را طوری طراحی کنیم که از همان ابتدا از شرایط منجر به بن‌بست جلوگیری شود. استراتژی‌های پیشگیری را در ادامه ببینید.
2. ترتیب قفل‌گذاری (Lock Ordering): یک ترتیب ثابت برای بدست آوردن قفل‌ها اعمال کنید. اگر همه فرآیندها قفل‌ها را به یک ترتیب به دست آورند، انتظار چرخه‌ای از بین می‌رود.
3. تشخیص مبتنی بر زمان‌بندی (Timeout-Based Detection): برای بدست آوردن قفل‌ها زمان‌بندی (timeout) اعمال کنید. اگر یک فرآیند برای قفل بیش از یک زمان‌بندی از پیش تعریف‌شده منتظر بماند، می‌تواند فرض کند که بن‌بست رخ داده و قفل‌های فعلی خود را آزاد کند.
4. نمودارهای تخصیص منابع (Resource Allocation Graphs): یک نمودار جهت‌دار ایجاد کنید که در آن گره‌ها نشان‌دهنده فرآیندها و منابع باشند. یال‌ها نشان‌دهنده درخواست‌ها و تخصیص‌های منابع هستند. یک چرخه در نمودار نشان‌دهنده بن‌بست است. (این کار در فرانت‌اند پیچیده‌تر است).
5. ابزارهای اشکال‌زدایی (Debugging Tools): ابزارهای توسعه‌دهنده مرورگر می‌توانند به شناسایی عملیات ناهمزمان متوقف شده کمک کنند. به دنبال Promiseهایی باشید که هرگز حل نمی‌شوند یا توابعی که به طور نامحدود مسدود شده‌اند.

استراتژی‌های پیشگیری: شکستن شرایط کافمن

پیشگیری از بن‌بست اغلب مؤثرتر از تشخیص و بازیابی از آن‌ها است. در اینجا استراتژی‌هایی برای شکستن هر یک از شرایط کافمن آورده شده است:

۱. شکستن انحصار متقابل

این شرط اغلب اجتناب‌ناپذیر است، زیرا دسترسی انحصاری به منابع اغلب برای سازگاری داده‌ها ضروری است. با این حال، در نظر بگیرید که آیا واقعاً می‌توانید از به اشتراک‌گذاری کامل داده‌ها اجتناب کنید. عدم تغییرپذیری (Immutability) می‌تواند ابزاری قدرتمند در اینجا باشد. اگر داده‌ها پس از ایجاد هرگز تغییر نکنند، دلیلی برای محافظت از آن‌ها با قفل وجود ندارد. کتابخانه‌هایی مانند Immutable.js می‌توانند برای دستیابی به این هدف مفید باشند.

۲. شکستن نگهداری و انتظار

• به دست آوردن همه قفل‌ها به یکباره: به جای بدست آوردن قفل‌ها به صورت تدریجی، تمام قفل‌های لازم را در ابتدای یک عملیات به دست آورید. اگر نتوان قفلی را به دست آورد، تمام قفل‌ها را آزاد کرده و بعداً دوباره تلاش کنید.
• TryLock: از مکانیزم `tryLock` غیر مسدودکننده استفاده کنید. اگر قفلی را نتوان بلافاصله به دست آورد، فرآیند می‌تواند وظایف دیگری را انجام دهد یا قفل‌های فعلی خود را آزاد کند. (در محیط استاندارد JS بدون ویژگی‌های همزمانی صریح کمتر قابل اجرا است، اما مفهوم را می‌توان با مدیریت دقیق Promiseها تقلید کرد).

مثال (به دست آوردن همه قفل‌ها به یکباره):

            async function operationC(resource1, resource2) {
  let lock1Acquired = false;
  let lock2Acquired = false;
  try {
    lock1Acquired = await tryAcquireLock(resource1);
    if (!lock1Acquired) {
      return false; // Could not acquire lock1, abort
    }

    lock2Acquired = await tryAcquireLock(resource2);
    if (!lock2Acquired) {
      releaseLock(resource1);
      return false; // Could not acquire lock2, abort and release lock1
    }

    // Perform operation with both resources locked
    console.log('Both locks acquired successfully!');
    return true;

  } finally {
    if (lock1Acquired) {
      releaseLock(resource1);
    }
    if (lock2Acquired) {
      releaseLock(resource2);
    }
  }
}

async function tryAcquireLock(resource) {
    if (!locks[resource]) {
      locks[resource] = true;
      return true; // Lock acquired successfully
    } else {
      return false; // Lock is already held
    }
}

            

              
                Copy
              
            
          

۳. شکستن عدم پیش‌دستی

در یک محیط معمولی جاوااسکریپت، پیش‌دستی اجباری یک منبع از یک تابع دشوار است. با این حال، الگوهای جایگزین می‌توانند پیش‌دستی را شبیه‌سازی کنند:

• زمان‌بندی‌ها و نشانه‌های لغو (Timeouts and Cancellation Tokens): از زمان‌بندی‌ها برای محدود کردن زمانی که یک فرآیند می‌تواند قفل را نگه دارد استفاده کنید. اگر زمان‌بندی منقضی شود، فرآیند قفل را آزاد می‌کند. نشانه‌های لغو می‌توانند به فرآیند سیگنال دهند تا قفل‌های خود را به صورت داوطلبانه آزاد کند. کتابخانه‌هایی مانند `AbortController` (اگرچه عمدتاً برای درخواست‌های fetch API هستند) قابلیت‌های لغو مشابهی را ارائه می‌دهند که می‌توانند تطبیق داده شوند.

مثال (زمان‌بندی با `AbortController`):

            async function operationWithTimeout(resource, timeoutMs) {
  const controller = new AbortController();
  const timeoutId = setTimeout(() => {
    controller.abort(); // Signal cancellation after timeout
  }, timeoutMs);

  try {
    await acquireLock(resource, controller.signal);
    console.log('Lock acquired, performing operation...');
    // Simulate long-running operation
    await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 2000));

  } catch (error) {
    if (error.name === 'AbortError') {
      console.log('Operation cancelled due to timeout.');
    } else {
      console.error('Error during operation:', error);
    }
  } finally {
    clearTimeout(timeoutId);
    releaseLock(resource);
    console.log('Lock released.');
  }
}

async function acquireLock(resource, signal) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    if (locks[resource]) {
      const intervalId = setInterval(() => {
        if (!locks[resource]) {
            locks[resource] = true; //Attempt to acquire
            clearInterval(intervalId);
            resolve();
        }
      }, 50);

      signal.addEventListener('abort', () => {
        clearInterval(intervalId);
        reject(new Error('Aborted'));
      });

    } else {
      locks[resource] = true;
      resolve();
    }

  });
}

            

              
                Copy
              
            
          

۴. شکستن انتظار چرخه‌ای

• ترتیب قفل‌گذاری (سلسله مراتب): یک ترتیب جهانی برای همه منابع ایجاد کنید. فرآیندها باید قفل‌ها را به همان ترتیب به دست آورند. این کار از وابستگی‌های چرخه‌ای جلوگیری می‌کند.
• اجتناب از به دست آوردن قفل‌های تو در تو: کد را بازسازی کنید تا به دست آوردن قفل‌های تو در تو به حداقل برسد یا از بین برود. ساختارهای داده یا الگوریتم‌های جایگزین را در نظر بگیرید که نیاز به قفل‌های متعدد را کاهش می‌دهند.

مثال (ترتیب قفل‌گذاری):

            // Define a global order for resources
const resourceOrder = ['resourceA', 'resourceB', 'resourceC'];

async function operationWithOrderedLocks(resource1, resource2) {
  const index1 = resourceOrder.indexOf(resource1);
  const index2 = resourceOrder.indexOf(resource2);

  if (index1 === -1 || index2 === -1) {
    throw new Error('Invalid resource name.');
  }

  // Ensure locks are acquired in the correct order
  const firstResource = index1 < index2 ? resource1 : resource2;
  const secondResource = index1 < index2 ? resource2 : resource1;

  try {
    await acquireLock(firstResource);
    try {
      await acquireLock(secondResource);
      // Perform operation with both resources locked
      console.log(`Operation with ${firstResource} and ${secondResource}`);
    } finally {
      releaseLock(secondResource);
    }
  } finally {
    releaseLock(firstResource);
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

ملاحظات خاص فرانت‌اند

• ماهیت تک‌رشته‌ای: در حالی که جاوااسکریپت عمدتاً تک‌رشته‌ای است، عملیات ناهمزمان در صورت عدم مدیریت دقیق همچنان می‌توانند منجر به بن‌بست شوند.
• پاسخگویی رابط کاربری: بن‌بست‌ها می‌توانند رابط کاربری را فریز کنند و تجربه کاربری ضعیفی را ارائه دهند. تست و نظارت دقیق ضروری است.
• وب ورکرها: ارتباط بین رشته اصلی و وب ورکرها باید با دقت تنظیم شود تا از بن‌بست جلوگیری شود. از ارسال پیام استفاده کنید و در صورت امکان از حافظه مشترک اجتناب کنید.
• کتابخانه‌های مدیریت وضعیت (Redux, Vuex, Zustand): هنگام استفاده از کتابخانه‌های مدیریت وضعیت، به ویژه هنگام انجام به‌روزرسانی‌های پیچیده شامل چندین بخش از وضعیت، محتاط باشید. از وابستگی‌های چرخه‌ای بین کاهنده‌ها (reducers) یا تغییرات (mutations) خودداری کنید.

مثال‌های عملی و قطعه کدها (پیشرفته)

۱. تشخیص بن‌بست با نمودار تخصیص منابع (مفهومی)

در حالی که پیاده‌سازی کامل یک نمودار تخصیص منابع در جاوااسکریپت پیچیده است، می‌توانیم این مفهوم را با یک نمایش ساده‌شده توضیح دهیم.

            // Simplified Resource Allocation Graph (Conceptual)
class ResourceAllocationGraph {
  constructor() {
    this.graph = {}; // { process: [resources held], resource: [processes waiting] }
  }

  addProcess(process) {
    this.graph[process] = {held: [], waitingFor: null};
  }

  addResource(resource) {
    if(!this.graph[resource]) {
      this.graph[resource] = []; //processes waiting for resource
    }
  }

  allocateResource(process, resource) {
    if (!this.graph[process]) this.addProcess(process);
    if (!this.graph[resource]) this.addResource(resource);

    if (this.graph[resource].length === 0) {
      this.graph[process].held.push(resource);
      this.graph[resource] = process;

    } else {
      this.graph[process].waitingFor = resource; //process is waiting for the resource
      this.graph[resource].push(process); //add process to queue waiting for this resource

    }
  }

  releaseResource(process, resource) {
    const index = this.graph[process].held.indexOf(resource);
    if (index > -1) {
      this.graph[process].held.splice(index, 1);

      this.graph[resource] = null;

    }
  }

  detectCycle() {
    // Implement cycle detection algorithm (e.g., Depth-First Search)
    // This is a simplified example and requires a proper DFS implementation
    // to accurately detect cycles in the graph.
    // The idea is to traverse the graph and look for back edges.

    let visited = new Set();
    let recursionStack = new Set();

    for (const process in this.graph) {
      if (!visited.has(process)) {
        if (this.dfs(process, visited, recursionStack)) {
          return true; // Cycle detected
        }
      }
    }

    return false; // No cycle detected
  }

  dfs(process, visited, recursionStack) {
      visited.add(process);
      recursionStack.add(process);

      if (this.graph[process].waitingFor) {
          let resourceWaitingFor = this.graph[process].waitingFor;
          if(this.graph[resourceWaitingFor] !== null) { //Resource is in use
            let waitingProcess = this.graph[resourceWaitingFor];
            if(recursionStack.has(waitingProcess)) {
              return true; //Cycle Detected
            }

            if(visited.has(waitingProcess) == false) {
              if(this.dfs(waitingProcess, visited, recursionStack)){
                return true;
              }
            }
          }

      }

      recursionStack.delete(process);
      return false;
  }
}

// Example Usage (Conceptual)
const graph = new ResourceAllocationGraph();
graph.addProcess('processA');
graph.addProcess('processB');
graph.addResource('resource1');
graph.addResource('resource2');

graph.allocateResource('processA', 'resource1');
graph.allocateResource('processB', 'resource2');
graph.allocateResource('processA', 'resource2'); // processA now waits for resource2
graph.allocateResource('processB', 'resource1'); // processB now waits for resource1

if (graph.detectCycle()) {
  console.log('Deadlock detected!');
} else {
  console.log('No deadlock detected.');
}

            

              
                Copy
              
            
          

مهم: این یک مثال بسیار ساده‌شده است. یک پیاده‌سازی در دنیای واقعی به یک الگوریتم تشخیص چرخه قوی‌تر (مانند استفاده از جستجوی عمق اول (DFS) با مدیریت صحیح یال‌های جهت‌دار)، ردیابی صحیح نگهدارندگان و منتظران منابع، و یکپارچه‌سازی با مکانیزم قفل‌گذاری استفاده شده در برنامه نیاز خواهد داشت.

۲. استفاده از کتابخانه `async-mutex`

در حالی که جاوااسکریپت داخلی میوتکس‌های بومی ندارد، کتابخانه‌هایی مانند `async-mutex` می‌توانند راهی ساختاریافته‌تر برای مدیریت قفل‌ها ارائه دهند.

            //Install async-mutex via npm
//npm install async-mutex

import { Mutex } from 'async-mutex';

const mutex1 = new Mutex();
const mutex2 = new Mutex();

async function operationWithMutex(resource1, resource2) {
  const release1 = await mutex1.acquire();
  try {
    const release2 = await mutex2.acquire();
    try {
      // Perform operations with resource1 and resource2
      console.log(`Operation with ${resource1} and ${resource2}`);
    } finally {
      release2(); // Release mutex2
    }
  } finally {
    release1(); // Release mutex1
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

تست و نظارت

• تست‌های واحد (Unit Tests): تست‌های واحد بنویسید تا سناریوهای همزمان را شبیه‌سازی کرده و بررسی کنید که قفل‌ها به درستی به دست آورده شده و آزاد می‌شوند.
• تست‌های یکپارچه‌سازی (Integration Tests): تعامل بین اجزای مختلف برنامه را تست کنید تا بن‌بست‌های احتمالی را شناسایی کنید.
• تست‌های سرتاسری (End-to-End Tests): تست‌های سرتاسری را اجرا کنید تا تعاملات واقعی کاربر را شبیه‌سازی کرده و بن‌بست‌هایی را که ممکن است در محیط تولید رخ دهند، تشخیص دهید.
• نظارت (Monitoring): نظارت را پیاده‌سازی کنید تا رقابت قفل را ردیابی کرده و گلوگاه‌های عملکردی را که می‌توانند نشان‌دهنده بن‌بست باشند، شناسایی کنید. از ابزارهای نظارت بر عملکرد مرورگر برای ردیابی وظایف طولانی مدت و منابع مسدود شده استفاده کنید.

نتیجه‌گیری

بن‌بست‌ها در برنامه‌های وب فرانت‌اند یک مشکل ظریف اما جدی هستند که می‌توانند منجر به فریز شدن رابط کاربری و تجربه کاربری ضعیف شوند. با درک شرایط کافمن، تمرکز بر جلوگیری از چرخه قفل منابع، و به کارگیری استراتژی‌های توضیح داده شده در این مقاله، می‌توانید برنامه‌های فرانت‌اند مقاوم‌تر و قابل اطمینان‌تری بسازید. به یاد داشته باشید که پیشگیری همیشه بهتر از درمان است، و طراحی و تست دقیق برای اجتناب از بن‌بست‌ها از همان ابتدا ضروری است. کد واضح و قابل فهم را در اولویت قرار دهید و به عملیات ناهمزمان توجه داشته باشید تا کد فرانت‌اند قابل نگهداری باشد و از مشکلات رقابت منابع جلوگیری شود.

با در نظر گرفتن دقیق این تکنیک‌ها و ادغام آن‌ها در جریان کاری توسعه خود، می‌توانید به طور قابل توجهی خطر بن‌بست‌ها را کاهش داده و پایداری و عملکرد کلی برنامه‌های فرانت‌اند خود را بهبود بخشید.