همگام‌سازی مجموعه‌های همزمان در جاوا اسکریپت: هماهنگی ساختارهای امن در برابر ریسمان‌ها (Thread-Safe)

با تکامل جاوا اسکریپت فراتر از اجرای تک-ریسمانی (single-threaded) و معرفی Web Workers و دیگر پارادایم‌های همزمان، مدیریت ساختارهای داده اشتراکی به طور فزاینده‌ای پیچیده می‌شود. تضمین یکپارچگی داده و جلوگیری از شرایط رقابتی (race conditions) در محیط‌های همزمان نیازمند مکانیزم‌های همگام‌سازی قوی و ساختارهای داده امن در برابر ریسمان‌ها است. این مقاله به بررسی پیچیدگی‌های همگام‌سازی مجموعه‌های همزمان در جاوا اسکریپت می‌پردازد و تکنیک‌ها و ملاحظات مختلف برای ساخت برنامه‌های چندریسمانی قابل اعتماد و با کارایی بالا را بررسی می‌کند.

درک چالش‌های همزمانی در جاوا اسکریپت

به طور سنتی، جاوا اسکریپت عمدتاً در یک ریسمان واحد در مرورگرهای وب اجرا می‌شد. این امر مدیریت داده را ساده می‌کرد، زیرا در هر زمان فقط یک قطعه کد می‌توانست به داده‌ها دسترسی داشته باشد و آن‌ها را تغییر دهد. با این حال، ظهور برنامه‌های وب با محاسبات سنگین و نیاز به پردازش پس‌زمینه منجر به معرفی Web Workers شد که همزمانی واقعی را در جاوا اسکریپت امکان‌پذیر می‌کند.

هنگامی که چندین ریسمان (Web Workers) به طور همزمان به داده‌های اشتراکی دسترسی پیدا کرده و آن‌ها را تغییر می‌دهند، چندین چالش به وجود می‌آید:

• شرایط رقابتی (Race Conditions): زمانی رخ می‌دهد که نتیجه یک محاسبه به ترتیب غیرقابل پیش‌بینی اجرای چندین ریسمان بستگی دارد. این می‌تواند به وضعیت‌های داده‌ای غیرمنتظره و متناقض منجر شود.
• خرابی داده (Data Corruption): تغییرات همزمان در یک داده بدون همگام‌سازی مناسب می‌تواند منجر به داده‌های خراب یا متناقض شود.
• بن‌بست (Deadlocks): زمانی رخ می‌دهد که دو یا چند ریسمان به طور نامحدود مسدود می‌شوند و منتظر یکدیگر برای آزاد کردن منابع هستند.
• گرسنگی (Starvation): زمانی رخ می‌دهد که یک ریسمان به طور مکرر از دسترسی به یک منبع اشتراکی محروم می‌شود و از پیشرفت باز می‌ماند.

مفاهیم اصلی: Atomics و SharedArrayBuffer

جاوا اسکریپت دو بلوک ساختمانی اساسی برای برنامه‌نویسی همزمان فراهم می‌کند:

• SharedArrayBuffer: یک ساختار داده که به چندین Web Worker اجازه می‌دهد به یک منطقه حافظه مشترک دسترسی داشته باشند و آن را تغییر دهند. این برای به اشتراک‌گذاری کارآمد داده بین ریسمان‌ها حیاتی است.
• Atomics: مجموعه‌ای از عملیات اتمی که راهی برای انجام عملیات خواندن، نوشتن و به‌روزرسانی بر روی مکان‌های حافظه اشتراکی به صورت اتمی فراهم می‌کند. عملیات اتمی تضمین می‌کند که عملیات به عنوان یک واحد واحد و غیرقابل تقسیم انجام می‌شود، که از شرایط رقابتی جلوگیری کرده و یکپارچگی داده را تضمین می‌کند.

مثال: استفاده از Atomics برای افزایش یک شمارنده اشتراکی

سناریویی را در نظر بگیرید که در آن چندین Web Worker نیاز به افزایش یک شمارنده اشتراکی دارند. بدون عملیات اتمی، کد زیر می‌تواند منجر به شرایط رقابتی شود:

// SharedArrayBuffer حاوی شمارنده
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const counter = new Int32Array(sharedBuffer);

// کد ورکر (توسط چندین ورکر اجرا می‌شود)
counter[0]++; // عملیات غیراتمی - مستعد شرایط رقابتی

استفاده از Atomics.add() تضمین می‌کند که عملیات افزایش اتمی است:

// SharedArrayBuffer حاوی شمارنده
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const counter = new Int32Array(sharedBuffer);

// کد ورکر (توسط چندین ورکر اجرا می‌شود)
Atomics.add(counter, 0, 1); // افزایش اتمی

تکنیک‌های همگام‌سازی برای مجموعه‌های همزمان

چندین تکنیک همگام‌سازی را می‌توان برای مدیریت دسترسی همزمان به مجموعه‌های اشتراکی (آرایه‌ها، اشیاء، مپ‌ها و غیره) در جاوا اسکریپت به کار برد:

۱. انحصار متقابل (Mutexes)

یک mutex یک ابزار همگام‌سازی است که در هر زمان فقط به یک ریسمان اجازه دسترسی به یک منبع اشتراکی را می‌دهد. هنگامی که یک ریسمان یک mutex را به دست می‌آورد، به منبع محافظت‌شده دسترسی انحصاری پیدا می‌کند. ریسمان‌های دیگری که سعی در به دست آوردن همان mutex دارند تا زمانی که ریسمان مالک آن را آزاد کند، مسدود خواهند شد.

پیاده‌سازی با استفاده از Atomics:

class Mutex {
 constructor() {
 this.lock = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 }

 acquire() {
 while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, 0, 1) !== 0) {
 // انتظار چرخشی (در صورت لزوم برای جلوگیری از مصرف بیش از حد CPU، ریسمان را واگذار کنید)
 Atomics.wait(this.lock, 0, 1, 10); // انتظار با یک مهلت زمانی
 }
 }

 release() {
 Atomics.store(this.lock, 0, 0);
 Atomics.notify(this.lock, 0, 1); // بیدار کردن یک ریسمان در حال انتظار
 }
}

// مثال استفاده:
const mutex = new Mutex();
const sharedArray = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 10));

// ورکر ۱
mutex.acquire();
// بخش بحرانی: دسترسی و تغییر sharedArray
sharedArray[0] = 10;
mutex.release();

// ورکر ۲
mutex.acquire();
// بخش بحرانی: دسترسی و تغییر sharedArray
sharedArray[1] = 20;
mutex.release();

توضیح: Atomics.compareExchange سعی می‌کند به صورت اتمی قفل را به 1 تنظیم کند اگر در حال حاضر 0 باشد. اگر ناموفق باشد (ریسمان دیگری قبلاً قفل را در اختیار دارد)، ریسمان در حالت انتظار می‌چرخد تا قفل آزاد شود. Atomics.wait به طور کارآمد ریسمان را تا زمانی که Atomics.notify آن را بیدار کند، مسدود می‌کند.

۲. سمافورها (Semaphores)

یک سمافور تعمیمی از mutex است که به تعداد محدودی از ریسمان‌ها اجازه می‌دهد به طور همزمان به یک منبع اشتراکی دسترسی داشته باشند. یک سمافور یک شمارنده را نگهداری می‌کند که تعداد مجوزهای موجود را نشان می‌دهد. ریسمان‌ها می‌توانند با کاهش شمارنده یک مجوز را به دست آورند و با افزایش شمارنده یک مجوز را آزاد کنند. هنگامی که شمارنده به صفر می‌رسد، ریسمان‌هایی که سعی در به دست آوردن مجوز دارند تا زمانی که یک مجوز در دسترس قرار گیرد، مسدود خواهند شد.

class Semaphore {
 constructor(permits) {
 this.permits = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 Atomics.store(this.permits, 0, permits);
 }

 acquire() {
 while (true) {
 const currentPermits = Atomics.load(this.permits, 0);
 if (currentPermits > 0) {
 if (Atomics.compareExchange(this.permits, 0, currentPermits, currentPermits - 1) === currentPermits) {
 return;
 }
 } else {
 Atomics.wait(this.permits, 0, 0, 10);
 }
 }
 }

 release() {
 Atomics.add(this.permits, 0, 1);
 Atomics.notify(this.permits, 0, 1);
 }
}

// مثال استفاده:
const semaphore = new Semaphore(3); // اجازه به ۳ ریسمان همزمان
const sharedResource = [];

// ورکر ۱
semaphore.acquire();
// دسترسی و تغییر sharedResource
sharedResource.push("Worker 1");
semaphore.release();

// ورکر ۲
semaphore.acquire();
// دسترسی و تغییر sharedResource
sharedResource.push("Worker 2");
semaphore.release();

۳. قفل‌های خواندن-نوشتن (Read-Write Locks)

یک قفل خواندن-نوشتن به چندین ریسمان اجازه می‌دهد به طور همزمان یک منبع اشتراکی را بخوانند، اما در هر زمان فقط به یک ریسمان اجازه نوشتن در منبع را می‌دهد. این می‌تواند عملکرد را زمانی که خواندن‌ها بسیار بیشتر از نوشتن‌ها هستند، بهبود بخشد.

پیاده‌سازی: پیاده‌سازی یک قفل خواندن-نوشتن با استفاده از `Atomics` پیچیده‌تر از یک mutex یا سمافور ساده است. این معمولاً شامل نگهداری شمارنده‌های جداگانه برای خوانندگان و نویسندگان و استفاده از عملیات اتمی برای مدیریت کنترل دسترسی است.

یک مثال مفهومی ساده (نه یک پیاده‌سازی کامل):

class ReadWriteLock {
 constructor() {
 this.readers = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 this.writer = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 }

 readLock() {
 // دریافت قفل خواندن (پیاده‌سازی برای اختصار حذف شده است)
 // باید دسترسی انحصاری با نویسنده را تضمین کند
 }

 readUnlock() {
 // آزاد کردن قفل خواندن (پیاده‌سازی برای اختصار حذف شده است)
 }

 writeLock() {
 // دریافت قفل نوشتن (پیاده‌سازی برای اختصار حذف شده است)
 // باید دسترسی انحصاری با تمام خوانندگان و نویسندگان دیگر را تضمین کند
 }

 writeUnlock() {
 // آزاد کردن قفل نوشتن (پیاده‌سازی برای اختصار حذف شده است)
 }
}

توجه: یک پیاده‌سازی کامل از `ReadWriteLock` نیازمند مدیریت دقیق شمارنده‌های خواننده و نویسنده با استفاده از عملیات اتمی و احتمالاً مکانیزم‌های wait/notify است. کتابخانه‌هایی مانند `threads.js` ممکن است پیاده‌سازی‌های قوی‌تر و کارآمدتری ارائه دهند.

۴. ساختارهای داده همزمان

به جای تکیه صرف بر ابزارهای همگام‌سازی عمومی، استفاده از ساختارهای داده همزمان تخصصی را در نظر بگیرید که برای امن بودن در برابر ریسمان‌ها طراحی شده‌اند. این ساختارهای داده اغلب مکانیزم‌های همگام‌سازی داخلی را برای تضمین یکپارچگی داده و بهینه‌سازی عملکرد در محیط‌های همزمان در خود جای داده‌اند. با این حال، ساختارهای داده همزمان داخلی و بومی در جاوا اسکریپت محدود هستند.

کتابخانه‌ها: استفاده از کتابخانه‌هایی مانند `immutable.js` یا `immer` را برای قابل پیش‌بینی‌تر کردن دستکاری داده‌ها و جلوگیری از تغییر مستقیم، به ویژه هنگام انتقال داده بین ورکرها، در نظر بگیرید. اگرچه اینها به طور دقیق ساختارهای داده *همزمان* نیستند، اما با ایجاد کپی به جای تغییر وضعیت اشتراکی، به جلوگیری از شرایط رقابتی کمک می‌کنند.

مثال: Immutable.js

import { Map } from 'immutable';

// داده اشتراکی
let sharedMap = Map({
  count: 0,
  data: 'Initial value'
});

// ورکر ۱
const updatedMap1 = sharedMap.set('count', sharedMap.get('count') + 1);

// ورکر ۲
const updatedMap2 = sharedMap.set('data', 'Updated value');

// sharedMap دست‌نخورده و امن باقی می‌ماند. برای دسترسی به نتایج، هر ورکر باید نمونه updatedMap را بازگرداند و سپس می‌توانید آن‌ها را در ریسمان اصلی در صورت لزوم ادغام کنید.

بهترین شیوه‌ها برای همگام‌سازی مجموعه‌های همزمان

برای اطمینان از قابلیت اطمینان و عملکرد برنامه‌های همزمان جاوا اسکریپت، این بهترین شیوه‌ها را دنبال کنید:

• حداقل کردن وضعیت اشتراکی: هرچه برنامه شما وضعیت اشتراکی کمتری داشته باشد، نیاز به همگام‌سازی کمتر خواهد بود. برنامه خود را طوری طراحی کنید که داده‌های اشتراکی بین ورکرها را به حداقل برسانید. هر زمان که ممکن است، از ارسال پیام برای ارتباط داده‌ها به جای تکیه بر حافظه اشتراکی استفاده کنید.
• استفاده از عملیات اتمی: هنگام کار با حافظه اشتراکی، همیشه از عملیات اتمی برای تضمین یکپارچگی داده استفاده کنید.
• انتخاب ابزار همگام‌سازی مناسب: ابزار همگام‌سازی مناسب را بر اساس نیازهای خاص برنامه خود انتخاب کنید. Mutexها برای محافظت از دسترسی انحصاری به منابع اشتراکی مناسب هستند، در حالی که سمافورها برای کنترل دسترسی همزمان به تعداد محدودی از منابع بهتر هستند. قفل‌های خواندن-نوشتن می‌توانند عملکرد را زمانی که خواندن‌ها بسیار بیشتر از نوشتن‌ها هستند، بهبود بخشند.
• اجتناب از بن‌بست: منطق همگام‌سازی خود را با دقت طراحی کنید تا از بن‌بست جلوگیری کنید. اطمینان حاصل کنید که ریسمان‌ها قفل‌ها را به ترتیب ثابتی به دست می‌آورند و آزاد می‌کنند. از مهلت زمانی (timeouts) برای جلوگیری از مسدود شدن نامحدود ریسمان‌ها استفاده کنید.
• در نظر گرفتن پیامدهای عملکردی: همگام‌سازی می‌تواند سربار ایجاد کند. زمان صرف شده در بخش‌های بحرانی را به حداقل برسانید و از همگام‌سازی غیرضروری خودداری کنید. برنامه خود را برای شناسایی تنگناهای عملکردی پروفایل کنید.
• تست کامل: کد همزمان خود را به طور کامل تست کنید تا شرایط رقابتی و سایر مشکلات مربوط به همزمانی را شناسایی و رفع کنید. از ابزارهایی مانند thread sanitizers برای تشخیص مشکلات احتمالی همزمانی استفاده کنید.
• مستندسازی استراتژی همگام‌سازی: استراتژی همگام‌سازی خود را به وضوح مستند کنید تا درک و نگهداری کد شما برای سایر توسعه‌دهندگان آسان‌تر شود.
• اجتناب از قفل‌های چرخشی (Spin Locks): قفل‌های چرخشی، که در آن یک ریسمان به طور مکرر یک متغیر قفل را در یک حلقه بررسی می‌کند، می‌توانند منابع قابل توجهی از CPU را مصرف کنند. از `Atomics.wait` برای مسدود کردن کارآمد ریسمان‌ها تا زمانی که یک منبع در دسترس قرار گیرد، استفاده کنید.

مثال‌های عملی و موارد استفاده

۱. پردازش تصویر: وظایف پردازش تصویر را بین چندین Web Worker توزیع کنید تا عملکرد را بهبود بخشید. هر ورکر می‌تواند بخشی از تصویر را پردازش کند و نتایج را می‌توان در ریسمان اصلی ترکیب کرد. SharedArrayBuffer می‌تواند برای به اشتراک‌گذاری کارآمد داده‌های تصویر بین ورکرها استفاده شود.

۲. تحلیل داده: تحلیل داده‌های پیچیده را به صورت موازی با استفاده از Web Workers انجام دهید. هر ورکر می‌تواند زیرمجموعه‌ای از داده‌ها را تحلیل کند و نتایج را می‌توان در ریسمان اصلی جمع‌آوری کرد. از مکانیزم‌های همگام‌سازی برای اطمینان از ترکیب صحیح نتایج استفاده کنید.

۳. توسعه بازی: منطق بازی با محاسبات سنگین را به Web Workers منتقل کنید تا نرخ فریم را بهبود بخشید. از همگام‌سازی برای مدیریت دسترسی به وضعیت مشترک بازی، مانند موقعیت بازیکنان و ویژگی‌های اشیاء، استفاده کنید.

۴. شبیه‌سازی‌های علمی: شبیه‌سازی‌های علمی را به صورت موازی با استفاده از Web Workers اجرا کنید. هر ورکر می‌تواند بخشی از سیستم را شبیه‌سازی کند و نتایج را می‌توان برای تولید یک شبیه‌سازی کامل ترکیب کرد. از همگام‌سازی برای اطمینان از ترکیب دقیق نتایج استفاده کنید.

جایگزین‌های SharedArrayBuffer

در حالی که SharedArrayBuffer و Atomics ابزارهای قدرتمندی برای برنامه‌نویسی همزمان فراهم می‌کنند، آنها همچنین پیچیدگی و خطرات امنیتی بالقوه‌ای را به همراه دارند. جایگزین‌های همزمانی حافظه اشتراکی عبارتند از:

• ارسال پیام (Message Passing): Web Workers می‌توانند با ریسمان اصلی و سایر ورکرها با استفاده از ارسال پیام ارتباط برقرار کنند. این رویکرد نیاز به حافظه اشتراکی و همگام‌سازی را از بین می‌برد، اما ممکن است برای انتقال داده‌های بزرگ کارایی کمتری داشته باشد.
• Service Workers: Service Workers می‌توانند برای انجام وظایف پس‌زمینه و کش کردن داده‌ها استفاده شوند. اگرچه آنها عمدتاً برای همزمانی طراحی نشده‌اند، اما می‌توان از آنها برای انتقال کار از ریسمان اصلی استفاده کرد.
• OffscreenCanvas: امکان انجام عملیات رندرینگ در یک Web Worker را فراهم می‌کند که می‌تواند عملکرد برنامه‌های گرافیکی پیچیده را بهبود بخشد.
• WebAssembly (WASM): WASM امکان اجرای کدی را که به زبان‌های دیگر (مانند C++، Rust) نوشته شده است، در مرورگر فراهم می‌کند. کد WASM می‌تواند با پشتیبانی از همزمانی و حافظه اشتراکی کامپایل شود و راهی جایگزین برای پیاده‌سازی برنامه‌های همزمان ارائه دهد.
• پیاده‌سازی‌های مدل Actor: کتابخانه‌های جاوا اسکریپت را که یک مدل Actor برای همزمانی ارائه می‌دهند، بررسی کنید. مدل Actor با کپسوله کردن وضعیت و رفتار در داخل Actorهایی که از طریق ارسال پیام با هم ارتباط برقرار می‌کنند، برنامه‌نویسی همزمان را ساده می‌کند.

ملاحظات امنیتی

SharedArrayBuffer و Atomics آسیب‌پذیری‌های امنیتی بالقوه‌ای مانند Spectre و Meltdown را به همراه دارند. این آسیب‌پذیری‌ها از اجرای گمانه‌زنی برای نشت داده از حافظه اشتراکی سوءاستفاده می‌کنند. برای کاهش این خطرات، اطمینان حاصل کنید که مرورگر و سیستم عامل شما با آخرین وصله‌های امنیتی به‌روز هستند. برای محافظت از برنامه خود در برابر حملات بین سایتی، از ایزوله‌سازی بین مبدأ (cross-origin isolation) استفاده کنید. ایزوله‌سازی بین مبدأ نیازمند تنظیم هدرهای HTTP `Cross-Origin-Opener-Policy` و `Cross-Origin-Embedder-Policy` است.

نتیجه‌گیری

همگام‌سازی مجموعه‌های همزمان در جاوا اسکریپت یک موضوع پیچیده اما ضروری برای ساخت برنامه‌های چندریسمانی با کارایی بالا و قابل اعتماد است. با درک چالش‌های همزمانی و استفاده از تکنیک‌های همگام‌سازی مناسب، توسعه‌دهندگان می‌توانند برنامه‌هایی ایجاد کنند که از قدرت پردازنده‌های چند هسته‌ای بهره می‌برند و تجربه کاربری را بهبود می‌بخشند. توجه دقیق به ابزارهای همگام‌سازی، ساختارهای داده و بهترین شیوه‌های امنیتی برای ساخت برنامه‌های همزمان جاوا اسکریپت قوی و مقیاس‌پذیر حیاتی است. کتابخانه‌ها و الگوهای طراحی را که می‌توانند برنامه‌نویسی همزمان را ساده کرده و خطر خطاها را کاهش دهند، کاوش کنید. به یاد داشته باشید که تست و پروفایل دقیق برای اطمینان از صحت و عملکرد کد همزمان شما ضروری است.