مجموعه همروند جاوا اسکریپت: عملیات امن برای رشته‌ها روی Set

جاوا اسکریپت، که به طور سنتی به عنوان یک زبان تک‌رشته‌ای شناخته می‌شود، به طور فزاینده‌ای در محیط‌هایی به کار گرفته می‌شود که در آن‌ها همروندی ضروری است. در حالی که جاوا اسکریپت عمدتاً کد را روی یک رشته واحد در مرورگر اجرا می‌کند، وب ورکرها (Web Workers) و رشته‌های ورکر نود.جی.اس (Node.js worker threads) امکان اجرای موازی را فراهم می‌کنند. این موضوع نیازمند توسعه ساختارهای داده‌ای است که برای دسترسی همروند امن باشند. یکی از این ساختارهای داده، مجموعه همروند (Concurrent Set) است؛ نوعی از Set استاندارد که امنیت رشته‌ای را در حین عملیات تضمین می‌کند.

درک همروندی در جاوا اسکریپت

قبل از پرداختن به مجموعه‌های همروند، بیایید به طور خلاصه همروندی در جاوا اسکریپت را مرور کنیم.

• مدل تک‌رشته‌ای: مدل اصلی اجرای جاوا اسکریپت در مرورگرها تک‌رشته‌ای است. این بدان معناست که در هر لحظه فقط یک قطعه کد می‌تواند اجرا شود.
• عملیات ناهمزمان: برای مدیریت چندین وظیفه به صورت همروند، جاوا اسکریپت به شدت به عملیات ناهمزمان با استفاده از callbackها، Promiseها و async/await متکی است. این تکنیک‌ها موازی‌سازی واقعی ایجاد نمی‌کنند اما از مسدود شدن رشته اصلی جلوگیری می‌کنند.
• وب ورکرها: وب ورکرها با اجرای کد جاوا اسکریپت در رشته‌های پس‌زمینه، اجرای موازی واقعی را ممکن می‌سازند. این برای وظایف محاسباتی سنگین که در غیر این صورت می‌توانند رابط کاربری را مسدود کنند، حیاتی است. به عنوان مثال، پردازش تصویر یا محاسبات پیچیده را می‌توان به یک وب ورکر واگذار کرد.
• رشته‌های ورکر نود.جی.اس: نود.جی.اس مکانیزم مشابهی با رشته‌های ورکر ارائه می‌دهد که به شما امکان می‌دهد از پردازنده‌های چند هسته‌ای برای بهبود عملکرد سمت سرور استفاده کنید. این به ویژه برای رسیدگی به تعداد زیادی درخواست همروند مفید است.

هنگامی که چندین رشته به داده‌های مشترک دسترسی پیدا کرده و آن‌ها را تغییر می‌دهند، ممکن است شرایط مسابقه (race conditions) رخ دهد. شرایط مسابقه زمانی اتفاق می‌افتد که نتیجه یک عملیات به ترتیب غیرقابل پیش‌بینی اجرای رشته‌ها بستگی داشته باشد. این امر می‌تواند منجر به خرابی داده‌ها و رفتار غیرمنتظره شود. بنابراین، ساختارهای داده امن برای رشته‌ها برای مدیریت داده‌های مشترک در محیط‌های همروند ضروری هستند.

مجموعه همروند چیست؟

مجموعه همروند یک ساختار داده Set است که عملیات امن برای رشته‌ها را فراهم می‌کند. این بدان معناست که چندین رشته می‌توانند به طور همزمان عناصر را در مجموعه اضافه، حذف یا وجود آن‌ها را بررسی کنند بدون اینکه باعث خرابی داده‌ها یا شرایط مسابقه شوند. ایده اصلی پشت یک مجموعه همروند، فراهم کردن مکانیزم‌هایی برای همگام‌سازی دسترسی به حافظه داده زیربنایی است.

ویژگی‌های کلیدی یک مجموعه همروند:

• امنیت رشته‌ای: تضمین می‌کند که عملیات به صورت اتمی و سازگار انجام می‌شوند، حتی زمانی که توسط چندین رشته به طور همروند اجرا شوند.
• اتمی بودن: اطمینان می‌دهد که هر عملیات (مانند add, remove, has) به عنوان یک واحد منفرد و غیرقابل تقسیم انجام می‌شود.
• سازگاری: یکپارچگی ساختار داده را حفظ کرده و از خرابی داده‌ها جلوگیری می‌کند.
• بدون قفل یا مبتنی بر قفل: می‌تواند با استفاده از الگوریتم‌های بدون قفل (که پیچیده‌تر اما بالقوه کارآمدتر هستند) یا با قفل‌های صریح (که پیاده‌سازی ساده‌تری دارند اما ممکن است باعث ایجاد رقابت شوند) پیاده‌سازی شود.

پیاده‌سازی یک مجموعه همروند در جاوا اسکریپت

پیاده‌سازی یک مجموعه همروند در جاوا اسکریپت نیازمند بهره‌گیری از ویژگی‌هایی است که امکان حافظه مشترک و عملیات اتمی را فراهم می‌کنند. ابزارهای اصلی برای این کار SharedArrayBuffer و Atomics هستند.

۱. SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer یک شیء جاوا اسکریپت است که به چندین وب ورکر یا رشته ورکر نود.جی.اس اجازه می‌دهد تا به یک فضای حافظه یکسان دسترسی داشته باشند. این شیء راهی برای به اشتراک گذاشتن داده‌ها بین رشته‌ها فراهم می‌کند که برای ساخت ساختارهای داده همروند ضروری است.

مثال:

            // Create a SharedArrayBuffer with a size of 1024 bytes
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);

            

              
                Copy
              
            
          

۲. Atomics

شیء Atomics عملیات اتمی را فراهم می‌کند که می‌توان از آن‌ها برای انجام عملیات امن برای رشته‌ها روی داده‌های ذخیره شده در یک SharedArrayBuffer استفاده کرد. عملیات اتمی تضمین می‌شوند که غیرقابل تقسیم باشند و از شرایط مسابقه جلوگیری کنند. شیء Atomics متدهایی برای خواندن، نوشتن و تغییر مقادیر در یک SharedArrayBuffer به صورت اتمی فراهم می‌کند.

مثال:

            // Create a Uint32Array view on the SharedArrayBuffer
const atomicArray = new Uint32Array(sharedBuffer);

// Atomically add 1 to the value at index 0
Atomics.add(atomicArray, 0, 1);

            

              
                Copy
              
            
          

پیاده‌سازی مفهومی یک مجموعه همروند

در اینجا یک طرح کلی مفهومی از چگونگی پیاده‌سازی یک مجموعه همروند در جاوا اسکریپت با استفاده از SharedArrayBuffer و Atomics ارائه شده است. توجه داشته باشید که یک پیاده‌سازی آماده برای محیط پروداکشن به پیچیدگی قابل توجهی بیشتری برای مدیریت برخوردها، تغییر اندازه و مدیریت کارآمد حافظه نیاز دارد.

1. ذخیره‌سازی زیربنایی: از یک SharedArrayBuffer برای ذخیره عناصر مجموعه استفاده کنید. از آنجایی که جاوا اسکریپت مستقیماً از ذخیره اشیاء دلخواه در یک آرایه تایپ‌شده پشتیبانی نمی‌کند، به مکانیزمی برای سریال‌سازی/دی‌سریال‌سازی اشیاء به/از یک نمایش بایتی نیاز خواهید داشت. یک تکنیک رایج استفاده از آرایه‌ای از اعداد صحیح به عنوان ایندکس در یک مخزن اشیاء جداگانه است.
2. عملیات اتمی: از عملیات Atomics برای انجام عملیات امن برای رشته‌ها روی حافظه زیربنایی استفاده کنید. به عنوان مثال، می‌توانید از Atomics.compareExchange برای اضافه یا حذف اتمی عناصر از مجموعه استفاده کنید.
3. مدیریت برخورد: یک استراتژی حل برخورد (مانند زنجیره‌سازی جداگانه یا آدرس‌دهی باز) برای مدیریت مواردی که چندین عنصر به یک ایندکس در حافظه نگاشت می‌شوند، پیاده‌سازی کنید.
4. تغییر اندازه: یک مکانیزم تغییر اندازه برای افزایش پویا ظرفیت مجموعه در صورت نیاز پیاده‌سازی کنید.

مثال ساده‌شده (فقط برای نمایش - نه برای محیط پروداکشن)

مثال زیر یک تصویر ساده‌شده را ارائه می‌دهد. این مثال جزئیات حیاتی مانند مدیریت حافظه، حل برخورد و سریال‌سازی مناسب را نادیده می‌گیرد. از این کد مستقیماً در یک محیط پروداکشن استفاده نکنید.

            class ConcurrentSet {
  constructor(size) {
    this.buffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * size);
    this.data = new Int32Array(this.buffer);
    this.size = size;
    this.length = 0; //Atomic.add not used in this simplistic implementation
  }

  has(value) {
    for (let i = 0; i < this.length; i++) {
      if (Atomics.load(this.data,i) === value) {
        return true;
      }
    }
    return false;
  }

  add(value) {
    if (!this.has(value) && this.length < this.size) {
      Atomics.store(this.data, this.length, value);
      this.length++;
      return true;
    }
    return false; // Or resize if needed (complex)
  }
  remove(value) {
    // Simplified remove (not truly atomic without locks or compareExchange)
    for (let i = 0; i < this.length; i++) {
      if (Atomics.load(this.data, i) === value) {
        //Replace with last element (order not guaranteed)
        Atomics.store(this.data, i, Atomics.load(this.data,this.length -1));
        this.length--;
        return true;
      }
    }
     return false;
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

توضیح:

• کلاس ConcurrentSet از یک SharedArrayBuffer برای ذخیره عناصر استفاده می‌کند.
• متد has برای بررسی وجود یک عنصر در آرایه پیمایش می‌کند.
• متد add در صورتی که عنصر از قبل وجود نداشته باشد و فضای کافی موجود باشد، آن را به آرایه اضافه می‌کند.
• متد remove عنصر مورد نظر را با آخرین آیتم آرایه جایگزین کرده و 'length' را کاهش می‌دهد.

ملاحظات مهم:

• سریال‌سازی: این مثال ساده‌شده مستقیماً از اعداد صحیح استفاده می‌کند. برای اشیاء پیچیده‌تر، باید یک مکانیزم سریال‌سازی/دی‌سریال‌سازی برای تبدیل اشیاء به و از یک نمایش بایتی که بتواند در SharedArrayBuffer ذخیره شود، پیاده‌سازی کنید.
• حل برخورد: این مثال برخوردها را مدیریت نمی‌کند. در یک پیاده‌سازی واقعی، به یک استراتژی حل برخورد نیاز خواهید داشت.
• تغییر اندازه: این مثال تغییر اندازه SharedArrayBuffer را مدیریت نمی‌کند. تغییر اندازه یک SharedArrayBuffer پیچیده است و نیازمند ایجاد یک بافر جدید و کپی کردن داده‌ها است.
• قفل‌گذاری/همگام‌سازی: در حالی که Atomics عملیات اتمی را فراهم می‌کند، عملیات پیچیده‌تر ممکن است به مکانیزم‌های قفل‌گذاری صریح (مانند یک mutex پیاده‌سازی شده با Atomics) برای تضمین امنیت رشته‌ای نیاز داشته باشند. متد remove ساده بالا دارای شرایط مسابقه است.

موارد استفاده از مجموعه‌های همروند

مجموعه‌های همروند در سناریوهای مختلفی که چندین رشته نیاز به دسترسی و تغییر همزمان یک مجموعه از داده‌ها دارند، مفید هستند. برخی از موارد استفاده رایج عبارتند از:

• پردازش داده موازی: هنگام پردازش مجموعه داده‌های بزرگ به صورت موازی با استفاده از وب ورکرها یا رشته‌های ورکر نود.جی.اس، می‌توان از یک مجموعه همروند برای ذخیره نتایج میانی یا پیگیری اینکه کدام عناصر قبلاً پردازش شده‌اند، استفاده کرد. به عنوان مثال، در یک خط لوله پردازش تصویر توزیع‌شده، یک مجموعه همروند می‌تواند پیگیری کند که کدام کاشی‌های تصویر توسط ورکر‌های مختلف پردازش شده‌اند.
• کش کردن: در یک محیط سرور چندرشته‌ای، می‌توان از یک مجموعه همروند برای پیاده‌سازی یک کش امن برای رشته‌ها استفاده کرد. چندین رشته می‌توانند به طور همزمان آیتم‌های کش شده را اضافه، حذف یا وجود آن‌ها را بررسی کنند بدون اینکه باعث شرایط مسابقه شوند.
• حذف موارد تکراری: هنگام پردازش یک جریان داده از چندین منبع، می‌توان از یک مجموعه همروند برای حذف کارآمد داده‌های تکراری استفاده کرد. چندین رشته می‌توانند به طور همروند عناصر را به مجموعه اضافه کنند، و تضمین کنند که فقط عناصر منحصر به فرد پردازش می‌شوند.
• همکاری بلادرنگ: در برنامه‌های همکاری بلادرنگ، می‌توان از یک مجموعه همروند برای پیگیری اینکه کدام کاربران در حال حاضر آنلاین هستند یا کدام اسناد در حال ویرایش هستند، استفاده کرد. به عنوان مثال، یک ویرایشگر متن مشارکتی می‌تواند از یک مجموعه همروند برای مدیریت کاربرانی که در حال حاضر یک سند را ویرایش می‌کنند، استفاده کند.

جایگزین‌های مجموعه‌های همروند

در حالی که مجموعه‌های همروند می‌توانند در سناریوهای خاصی مفید باشند، جایگزین‌های دیگری نیز وجود دارند که بسته به نیازهای خاص شما می‌توانید در نظر بگیرید:

• ساختارهای داده تغییرناپذیر: ساختارهای داده تغییرناپذیر، ساختارهای داده‌ای هستند که پس از ایجاد، قابل تغییر نیستند. این امر احتمال شرایط مسابقه را از بین می‌برد زیرا هیچ رشته‌ای نمی‌تواند ساختار داده را درجا تغییر دهد. کتابخانه‌هایی مانند Immutable.js ساختارهای داده تغییرناپذیر برای جاوا اسکریپت فراهم می‌کنند. با این حال، ساختارهای داده تغییرناپذیر معمولاً نیازمند ایجاد کپی‌های جدید از داده در هنگام تغییر هستند که می‌تواند بر عملکرد تأثیر بگذارد.
• ارسال پیام: به جای به اشتراک گذاشتن مستقیم داده‌ها بین رشته‌ها، می‌توانید از ارسال پیام برای ارتباط داده‌ها بین رشته‌ها استفاده کنید. این رویکرد نیاز به حافظه مشترک و عملیات اتمی را برطرف می‌کند. وب ورکرها و رشته‌های ورکر نود.جی.اس مکانیزم‌های داخلی برای ارسال پیام فراهم می‌کنند.
• مکانیزم‌های قفل‌گذاری: می‌توانید از مکانیزم‌های قفل‌گذاری صریح (مانند mutex) برای همگام‌سازی دسترسی به داده‌های مشترک استفاده کنید. با این حال، قفل‌گذاری می‌تواند باعث ایجاد رقابت و بن‌بست (deadlock) شود، بنابراین باید با احتیاط استفاده شود. پیاده‌سازی یک قفل با استفاده از عملیات Atomics نیازمند ملاحظات دقیقی برای جلوگیری از قفل‌های چرخشی (spinlocks) و تضمین انصاف است.

ملاحظات عملکردی

پیاده‌سازی کارآمد یک مجموعه همروند نیازمند توجه دقیق به عملکرد است. برخی از عواملی که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از:

• رقابت (Contention): رقابت بالا زمانی رخ می‌دهد که چندین رشته به طور مداوم سعی در دسترسی به یک داده یکسان دارند. این امر می‌تواند به دلیل تکرار زیاد کسب و آزادسازی قفل‌ها منجر به کاهش عملکرد شود. به حداقل رساندن رقابت برای دستیابی به عملکرد خوب بسیار مهم است.
• عملیات اتمی: عملیات اتمی می‌توانند در مقایسه با عملیات غیراتمی نسبتاً پرهزینه باشند. بنابراین، مهم است که تعداد عملیات اتمی انجام شده را به حداقل برسانید.
• مدیریت حافظه: مدیریت کارآمد حافظه برای جلوگیری از نشت حافظه و پراکندگی (fragmentation) حیاتی است.
• مجاورت داده‌ها (Data Locality): دسترسی به داده‌هایی که به صورت پیوسته در حافظه ذخیره شده‌اند، معمولاً سریع‌تر از دسترسی به داده‌هایی است که در سراسر حافظه پراکنده هستند. بنابراین، هنگام طراحی یک مجموعه همروند، در نظر گرفتن مجاورت داده‌ها مهم است.

بهترین شیوه‌ها برای استفاده از مجموعه‌های همروند

در اینجا چند رویه برتر برای استفاده از مجموعه‌های همروند در جاوا اسکریپت آورده شده است:

• به حداقل رساندن حالت اشتراکی: سعی کنید میزان حالت اشتراکی بین رشته‌ها را به حداقل برسانید. هرچه حالت اشتراکی کمتری داشته باشید، نیاز کمتری به مکانیزم‌های همگام‌سازی خواهید داشت.
• استفاده هوشمندانه از عملیات اتمی: از عملیات اتمی فقط در مواقع ضروری استفاده کنید. از استفاده از عملیات اتمی برای عملیاتی که می‌توانند بدون همگام‌سازی انجام شوند، خودداری کنید.
• در نظر گرفتن ساختارهای داده تغییرناپذیر: در صورت امکان، به جای ساختارهای داده قابل تغییر، از ساختارهای داده تغییرناپذیر استفاده کنید. ساختارهای داده تغییرناپذیر احتمال شرایط مسابقه را از بین می‌برند.
• تست کامل: کد خود را به طور کامل آزمایش کنید تا اطمینان حاصل شود که امن برای رشته‌ها است و هیچ شرایط مسابقه‌ای ندارد. از ابزارهایی مانند thread sanitizerها برای شناسایی مشکلات احتمالی استفاده کنید.
• پروفایل کردن کد: کد خود را پروفایل کنید تا تنگناهای عملکردی را شناسایی کنید. از ابزارهای پروفایل‌سنجی برای اندازه‌گیری عملکرد مجموعه همروند خود و شناسایی زمینه‌های بهبود استفاده کنید.

نتیجه‌گیری

مجموعه‌های همروند ابزاری ارزشمند برای مدیریت داده‌های مشترک در محیط‌های همروند جاوا اسکریپت هستند. در حالی که پیاده‌سازی یک مجموعه همروند نیازمند توجه دقیق به امنیت رشته‌ای، اتمی بودن و عملکرد است، مزایای فعال کردن اجرای موازی می‌تواند قابل توجه باشد. با بهره‌گیری از SharedArrayBuffer و Atomics، می‌توانید ساختارهای داده امن برای رشته‌ها ایجاد کنید که به شما امکان می‌دهد از پردازنده‌های چند هسته‌ای به طور کامل بهره‌مند شوید و عملکرد برنامه‌های جاوا اسکریپت خود را بهبود بخشید. به یاد داشته باشید که مبادلات بین مدل‌های مختلف همروندی را در نظر بگیرید و رویکردی را انتخاب کنید که به بهترین وجه با نیازهای خاص شما مطابقت دارد.

با ادامه تکامل جاوا اسکریپت و ورود آن به محیط‌های همروند بیشتر، اهمیت ساختارهای داده امن برای رشته‌ها مانند مجموعه‌های همروند تنها افزایش خواهد یافت. با درک اصول و تکنیک‌های مورد بحث در این مقاله، شما برای ساخت برنامه‌های جاوا اسکریپت همروند قوی و مقیاس‌پذیر به خوبی مجهز خواهید بود.

پیچیدگی‌های استفاده صحیح از SharedArrayBuffer و Atomics را نباید دست کم گرفت. قبل از تلاش برای ساخت ساختارهای داده چندرشته‌ای پیچیده، از درک کامل الگوهای همروندی و مشکلات بالقوه مانند بن‌بست‌ها (deadlocks)، قفل‌های زنده (livelocks) و رقابت بر سر حافظه (memory contention) اطمینان حاصل کنید. کتابخانه‌های تخصصی در ساختارهای داده همروند می‌توانند راه‌حل‌های از پیش ساخته و به خوبی آزمایش شده‌ای ارائه دهند که خطر ایجاد باگ‌های ظریف را کاهش می‌دهد.