اجرای همزمان در جاوا اسکریپت: آزادسازی اجراکنندگان وظیفه موازی

جاوا اسکریپت، که به طور سنتی به عنوان یک زبان تک‌رشته‌ای شناخته می‌شود، برای پذیرش همزمانی تکامل یافته است و به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا چندین وظیفه را به ظاهر به طور همزمان اجرا کنند. این امر برای ساخت اپلیکیشن‌های وب پاسخگو و کارآمد، به ویژه هنگام کار با عملیات‌های وابسته به ورودی/خروجی (I/O-bound)، محاسبات پیچیده یا پردازش داده، حیاتی است. یک تکنیک قدرتمند برای دستیابی به این هدف از طریق اجراکنندگان وظیفه موازی (parallel task runners) است.

درک همزمانی در جاوا اسکریپت

قبل از پرداختن به اجراکنندگان وظیفه موازی، بیایید مفاهیم همزمانی (concurrency) و موازی‌سازی (parallelism) را در زمینه جاوا اسکریپت روشن کنیم.

• همزمانی (Concurrency): به توانایی یک برنامه برای مدیریت چندین وظیفه در یک زمان اشاره دارد. ممکن است وظایف به طور همزمان اجرا نشوند، اما برنامه می‌تواند بین آنها جابجا شود و توهم موازی‌سازی را ایجاد کند. این امر اغلب با استفاده از تکنیک‌هایی مانند برنامه‌نویسی ناهمزمان و حلقه‌های رویداد (event loops) به دست می‌آید.
• موازی‌سازی (Parallelism): شامل اجرای واقعی و همزمان چندین وظیفه بر روی هسته‌های پردازنده مختلف است. این امر به یک محیط چند هسته‌ای و مکانیزمی برای توزیع وظایف در میان آن هسته‌ها نیاز دارد.

درحالی که حلقه رویداد جاوا اسکریپت همزمانی را فراهم می‌کند، دستیابی به موازی‌سازی واقعی نیازمند تکنیک‌های پیشرفته‌تری است. اینجاست که اجراکنندگان وظیفه موازی وارد عمل می‌شوند.

معرفی اجراکنندگان وظیفه موازی

یک اجراکننده وظیفه موازی ابزار یا کتابخانه‌ای است که به شما امکان می‌دهد وظایف را در چندین رشته (thread) یا فرآیند (process) توزیع کنید و اجرای موازی واقعی را ممکن می‌سازد. این کار می‌تواند به طور قابل توجهی عملکرد اپلیکیشن‌های جاوا اسکریپت را بهبود بخشد، به خصوص آنهایی که شامل عملیات‌های محاسباتی سنگین یا وابسته به ورودی/خروجی هستند. در ادامه به تفکیک دلایل اهمیت آنها پرداخته‌ایم:

• بهبود عملکرد: با توزیع وظایف در هسته‌های متعدد، اجراکنندگان وظیفه موازی می‌توانند زمان اجرای کلی یک برنامه را کاهش دهند.
• افزایش پاسخگویی: انتقال وظایف طولانی‌مدت به رشته‌های جداگانه از مسدود شدن رشته اصلی جلوگیری می‌کند و یک رابط کاربری روان و پاسخگو را تضمین می‌کند.
• مقیاس‌پذیری: اجراکنندگان وظیفه موازی به شما امکان می‌دهند تا اپلیکیشن خود را برای بهره‌برداری از پردازنده‌های چند هسته‌ای مقیاس‌بندی کنید و ظرفیت آن را برای انجام کارهای بیشتر افزایش دهید.

تکنیک‌های اجرای وظیفه موازی در جاوا اسکریپت

جاوا اسکریپت چندین راه برای دستیابی به اجرای وظیفه موازی ارائه می‌دهد که هر کدام نقاط قوت و ضعف خود را دارند:

۱. وب ورکرها (Web Workers)

وب ورکرها یک API استاندارد مرورگر هستند که به شما امکان می‌دهند کد جاوا اسکریپت را در رشته‌های پس‌زمینه، جدا از رشته اصلی، اجرا کنید. این یک رویکرد رایج برای انجام وظایف محاسباتی سنگین بدون مسدود کردن رابط کاربری است.

مثال:

            // Main thread (index.html or script.js)
const worker = new Worker('worker.js');

worker.onmessage = (event) => {
 console.log('Received message from worker:', event.data);
};

worker.postMessage({ task: 'calculateSum', numbers: [1, 2, 3, 4, 5] });

// Worker thread (worker.js)
self.onmessage = (event) => {
 const data = event.data;
 if (data.task === 'calculateSum') {
 const sum = data.numbers.reduce((acc, val) => acc + val, 0);
 self.postMessage({ result: sum });
 }
};

            

              
                Copy
              
            
          

مزایا:

• API استاندارد مرورگر
• استفاده آسان برای وظایف اولیه
• جلوگیری از مسدود شدن رشته اصلی

معایب:

• دسترسی محدود به DOM (مدل شیء سند)
• نیازمند ارسال پیام برای ارتباط بین رشته‌ها
• مدیریت وابستگی‌های پیچیده وظایف می‌تواند چالش‌برانگیز باشد

کاربرد جهانی: یک اپلیکیشن وب را تصور کنید که توسط تحلیلگران مالی در سراسر جهان استفاده می‌شود. محاسبات قیمت سهام و تحلیل پورتفولیو را می‌توان به وب ورکرها واگذار کرد تا حتی در طول محاسبات پیچیده‌ای که ممکن است چندین ثانیه طول بکشد، یک رابط کاربری پاسخگو تضمین شود. کاربران در توکیو، لندن یا نیویورک تجربه‌ای یکپارچه و با عملکرد بالا خواهند داشت.

۲. رشته‌های ورکر نود.جی‌اس (Node.js Worker Threads)

مشابه وب ورکرها، رشته‌های ورکر نود.جی‌اس راهی برای اجرای کد جاوا اسکریپت در رشته‌های جداگانه در یک محیط نود.جی‌اس فراهم می‌کنند. این برای ساخت اپلیکیشن‌های سمت سرور که نیاز به مدیریت درخواست‌های همزمان یا انجام پردازش پس‌زمینه دارند، مفید است.

مثال:

            // Main thread (index.js)
const { Worker } = require('worker_threads');

const worker = new Worker('./worker.js');

worker.on('message', (message) => {
 console.log('Received message from worker:', message);
});

worker.postMessage({ task: 'calculateFactorial', number: 10 });

// Worker thread (worker.js)
const { parentPort } = require('worker_threads');

parentPort.on('message', (message) => {
 if (message.task === 'calculateFactorial') {
 const factorial = calculateFactorial(message.number);
 parentPort.postMessage({ result: factorial });
 }
});

function calculateFactorial(n) {
 if (n === 0) {
 return 1;
 }
 return n * calculateFactorial(n - 1);
}

            

              
                Copy
              
            
          

مزایا:

• امکان موازی‌سازی واقعی در اپلیکیشن‌های نود.جی‌اس
• اشتراک‌گذاری حافظه با رشته اصلی (با احتیاط، با استفاده از TypedArrays و اشیاء قابل انتقال برای جلوگیری از رقابت داده)
• مناسب برای وظایف وابسته به CPU

معایب:

• راه‌اندازی پیچیده‌تر در مقایسه با نود.جی‌اس تک‌رشته‌ای
• نیازمند مدیریت دقیق حافظه مشترک
• در صورت استفاده نادرست می‌تواند باعث شرایط رقابتی (race conditions) و بن‌بست (deadlocks) شود

کاربرد جهانی: یک پلتفرم تجارت الکترونیک را در نظر بگیرید که به مشتریان در سراسر جهان خدمات ارائه می‌دهد. تغییر اندازه یا پردازش تصاویر برای لیست محصولات می‌تواند توسط رشته‌های ورکر نود.جی‌اس انجام شود. این امر زمان بارگذاری سریع را برای کاربران در مناطقی با اینترنت کندتر، مانند بخش‌هایی از آسیای جنوب شرقی یا آمریکای جنوبی، تضمین می‌کند، بدون اینکه بر توانایی رشته اصلی سرور برای رسیدگی به درخواست‌های ورودی تأثیر بگذارد.

۳. کلاسترها (Node.js)

ماژول کلاستر نود.جی‌اس به شما امکان می‌دهد چندین نمونه از اپلیکیشن خود را ایجاد کنید که بر روی هسته‌های پردازنده مختلف اجرا می‌شوند. این به شما اجازه می‌دهد تا درخواست‌های ورودی را بین چندین فرآیند توزیع کنید و توان عملیاتی کلی اپلیکیشن خود را افزایش دهید.

مثال:

            // index.js
const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const numCPUs = require('os').cpus().length;

if (cluster.isMaster) {
 console.log(`Master ${process.pid} is running`);

 // Fork workers.
 for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
 cluster.fork();
 }

 cluster.on('exit', (worker, code, signal) => {
 console.log(`worker ${worker.process.pid} died`);
 });
} else {
 // Workers can share any TCP connection
 // In this case it is an HTTP server
 http.createServer((req, res) => {
 res.writeHead(200);
 res.end('hello world\n');
 }).listen(8000);

 console.log(`Worker ${process.pid} started`);
}

            

              
                Copy
              
            
          

مزایا:

• راه‌اندازی و استفاده ساده
• توزیع بار کاری بین چندین فرآیند
• افزایش توان عملیاتی اپلیکیشن

معایب:

• هر فرآیند فضای حافظه خود را دارد
• نیازمند یک متعادل‌کننده بار (load balancer) برای توزیع درخواست‌ها
• ارتباط بین فرآیندها می‌تواند پیچیده‌تر باشد

کاربرد جهانی: یک شبکه توزیع محتوای جهانی (CDN) می‌تواند از کلاسترهای نود.جی‌اس برای مدیریت تعداد زیادی از درخواست‌های کاربران در سراسر جهان استفاده کند. با توزیع درخواست‌ها بین چندین فرآیند، CDN می‌تواند اطمینان حاصل کند که محتوا به سرعت و به طور موثر تحویل داده می‌شود، صرف نظر از مکان کاربر یا حجم ترافیک.

۴. صف‌های پیام (مانند RabbitMQ، Kafka)

صف‌های پیام یک راه قدرتمند برای جداسازی وظایف و توزیع آنها بین چندین ورکر هستند. این امر به ویژه برای مدیریت عملیات‌های ناهمزمان و ساخت سیستم‌های مقیاس‌پذیر مفید است.

مفهوم:

• یک تولیدکننده (producer) پیام‌ها را به یک صف منتشر می‌کند.
• چندین ورکر (worker) پیام‌ها را از صف مصرف می‌کنند.
• صف پیام توزیع پیام‌ها را مدیریت می‌کند و تضمین می‌کند که هر پیام دقیقاً یک بار (یا حداقل یک بار) پردازش می‌شود.

مثال (مفهومی):

            // Producer (e.g., web server)
const amqp = require('amqplib');

async function publishMessage(message) {
 const connection = await amqp.connect('amqp://localhost');
 const channel = await connection.createChannel();

 const queue = 'task_queue';
 await channel.assertQueue(queue, { durable: true });
 channel.sendToQueue(queue, Buffer.from(JSON.stringify(message)), { persistent: true });
 console.log(" [x] Sent '%s'", message);

 setTimeout(function() { connection.close(); process.exit(0) }, 500);
}

// Worker (e.g., background processor)
async function consumeMessage() {
 const connection = await amqp.connect('amqp://localhost');
 const channel = await connection.createChannel();

 const queue = 'task_queue';
 await channel.assertQueue(queue, { durable: true });
 channel.prefetch(1);
 console.log(" [x] Waiting for messages in %s. To exit press CTRL+C", queue);
 channel.consume(queue, function(msg) {
 const secs = msg.content.toString().split('.').length - 1;

 console.log(" [x] Received %s", msg.content.toString());
 setTimeout(function() {
 console.log(" [x] Done");
 channel.ack(msg);
 }, secs * 1000);
 }, { noAck: false });
}

            

              
                Copy
              
            
          

مزایا:

• جداسازی وظایف و ورکرها
• امکان پردازش ناهمزمان
• بسیار مقیاس‌پذیر و مقاوم در برابر خطا

معایب:

• نیازمند راه‌اندازی و مدیریت یک سیستم صف پیام
• افزودن پیچیدگی به معماری اپلیکیشن
• می‌تواند باعث تأخیر (latency) شود

کاربرد جهانی: یک پلتفرم رسانه اجتماعی جهانی می‌تواند از صف‌های پیام برای مدیریت وظایفی مانند پردازش تصویر، تحلیل احساسات و ارسال اعلان‌ها استفاده کند. هنگامی که کاربر عکسی را آپلود می‌کند، پیامی به یک صف ارسال می‌شود. چندین فرآیند ورکر در مناطق جغرافیایی مختلف این پیام‌ها را مصرف کرده و پردازش لازم را انجام می‌دهند. این تضمین می‌کند که وظایف به طور کارآمد و قابل اعتماد پردازش می‌شوند، حتی در دوره‌های اوج ترافیک از سوی کاربران در سراسر جهان.

۵. کتابخانه‌هایی مانند p-map

چندین کتابخانه جاوا اسکریپت پردازش موازی را ساده می‌کنند و پیچیدگی‌های مدیریت مستقیم ورکرها را پنهان می‌سازند. `p-map` یک کتابخانه محبوب برای نگاشت همزمان آرایه‌ای از مقادیر به پرامیس‌ها است. این کتابخانه از تکرارکننده‌های ناهمزمان استفاده می‌کند و سطح همزمانی را برای شما مدیریت می‌کند.

مثال:

            const pMap = require('p-map');

const files = [
 'file1.txt',
 'file2.txt',
 'file3.txt',
 'file4.txt'
];

const mapper = async file => {
 // Simulate an asynchronous operation
 await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 100));
 return `Processed: ${file}`;
};

(async () => {
 const result = await pMap(files, mapper, { concurrency: 2 });
 console.log(result);
 //=> ['Processed: file1.txt', 'Processed: file2.txt', 'Processed: file3.txt', 'Processed: file4.txt']
})();

            

              
                Copy
              
            
          

مزایا:

• API ساده برای پردازش موازی آرایه‌ها
• مدیریت سطح همزمانی
• مبتنی بر پرامیس‌ها و async/await

معایب:

• کنترل کمتر بر مدیریت ورکر زیربنایی
• ممکن است برای وظایف بسیار پیچیده مناسب نباشد

کاربرد جهانی: یک سرویس ترجمه بین‌المللی می‌تواند از `p-map` برای ترجمه همزمان اسناد به چندین زبان استفاده کند. هر سند می‌تواند به صورت موازی پردازش شود که به طور قابل توجهی زمان کلی ترجمه را کاهش می‌دهد. سطح همزمانی را می‌توان بر اساس منابع سرور و تعداد موتورهای ترجمه موجود تنظیم کرد و عملکرد بهینه را برای کاربران بدون توجه به نیازهای زبانی آنها تضمین کرد.

انتخاب تکنیک مناسب

بهترین رویکرد برای اجرای وظیفه موازی به نیازهای خاص اپلیکیشن شما بستگی دارد. عوامل زیر را در نظر بگیرید:

• پیچیدگی وظایف: برای وظایف ساده، وب ورکرها یا `p-map` ممکن است کافی باشند. برای وظایف پیچیده‌تر، رشته‌های ورکر نود.جی‌اس یا صف‌های پیام ممکن است ضروری باشند.
• نیازهای ارتباطی: اگر وظایف نیاز به ارتباط مکرر دارند، ممکن است به حافظه مشترک یا ارسال پیام نیاز باشد.
• مقیاس‌پذیری: برای اپلیکیشن‌های بسیار مقیاس‌پذیر، صف‌های پیام یا کلاسترها ممکن است بهترین گزینه باشند.
• محیط: اینکه شما در محیط مرورگر یا نود.جی‌اس اجرا می‌کنید، گزینه‌های موجود را تعیین می‌کند.

بهترین شیوه‌ها برای اجرای وظیفه موازی

برای اطمینان از اینکه اجرای وظیفه موازی شما کارآمد و قابل اعتماد است، این بهترین شیوه‌ها را دنبال کنید:

• ارتباط بین رشته‌ها را به حداقل برسانید: ارتباط بین رشته‌ها می‌تواند پرهزینه باشد، بنابراین سعی کنید آن را به حداقل برسانید.
• از حالت قابل تغییر مشترک اجتناب کنید: حالت قابل تغییر مشترک می‌تواند منجر به شرایط رقابتی و بن‌بست شود. از ساختارهای داده تغییرناپذیر یا مکانیزم‌های همگام‌سازی برای محافظت از داده‌های مشترک استفاده کنید.
• خطاها را به درستی مدیریت کنید: خطاها در رشته‌های ورکر می‌توانند کل اپلیکیشن را از کار بیندازند. برای جلوگیری از این امر، مدیریت خطای مناسب را پیاده‌سازی کنید.
• عملکرد را نظارت کنید: عملکرد اجرای وظیفه موازی خود را برای شناسایی گلوگاه‌ها و بهینه‌سازی متناسب با آن نظارت کنید. ابزارهایی مانند Node.js Inspector یا ابزارهای توسعه‌دهنده مرورگر می‌توانند بسیار ارزشمند باشند.
• به طور کامل تست کنید: کد موازی خود را به طور کامل تست کنید تا اطمینان حاصل شود که تحت شرایط مختلف به درستی و به طور کارآمد کار می‌کند. استفاده از تست‌های واحد و تست‌های یکپارچه‌سازی را در نظر بگیرید.

نتیجه‌گیری

اجراکنندگان وظیفه موازی ابزاری قدرتمند برای بهبود عملکرد و پاسخگویی اپلیکیشن‌های جاوا اسکریپت هستند. با توزیع وظایف بین چندین رشته یا فرآیند، می‌توانید به طور قابل توجهی زمان اجرا را کاهش داده و تجربه کاربری را بهبود بخشید. چه در حال ساخت یک اپلیکیشن وب پیچیده باشید یا یک سیستم سمت سرور با عملکرد بالا، درک و استفاده از اجراکنندگان وظیفه موازی برای توسعه مدرن جاوا اسکریپت ضروری است.

با انتخاب دقیق تکنیک مناسب و پیروی از بهترین شیوه‌ها، می‌توانید پتانسیل کامل اجرای همزمان را باز کرده و اپلیکیشن‌های واقعاً مقیاس‌پذیر و کارآمدی بسازید که به مخاطبان جهانی پاسخگو باشند.