فارسی

قدرت Web Workerها را برای بهبود عملکرد برنامه‌های وب از طریق پردازش پس‌زمینه کشف کنید. نحوه پیاده‌سازی و بهینه‌سازی آن‌ها را برای تجربه کاربری روان‌تر بیاموزید.

ارتقای عملکرد: بررسی عمیق Web Workerها برای پردازش پس‌زمینه

در محیط وب پرتقاضای امروزی، کاربران انتظار برنامه‌هایی یکپارچه و پاسخگو را دارند. یک جنبه کلیدی برای دستیابی به این هدف، جلوگیری از مسدود شدن ترد اصلی (main thread) توسط وظایف طولانی‌مدت است تا تجربه کاربری روانی تضمین شود. Web Workerها یک مکانیزم قدرتمند برای انجام این کار فراهم می‌کنند و به شما امکان می‌دهند وظایف سنگین محاسباتی را به ترد‌های پس‌زمینه منتقل کنید و ترد اصلی را برای رسیدگی به به‌روزرسانی‌های رابط کاربری و تعاملات کاربر آزاد بگذارید.

Web Workerها چه هستند؟

Web Workerها اسکریپت‌های جاوا اسکریپتی هستند که در پس‌زمینه و مستقل از ترد اصلی مرورگر وب اجرا می‌شوند. این بدان معناست که آن‌ها می‌توانند وظایفی مانند محاسبات پیچیده، پردازش داده‌ها یا درخواست‌های شبکه را بدون متوقف کردن رابط کاربری انجام دهند. آن‌ها را مانند کارگران کوچک و متخصصی در نظر بگیرید که با پشتکار در پشت صحنه وظایف را انجام می‌دهند.

برخلاف کد جاوا اسکریپت سنتی، Web Workerها دسترسی مستقیم به DOM (Document Object Model) ندارند. آن‌ها در یک زمینه سراسری (global context) جداگانه عمل می‌کنند که باعث جداسازی و جلوگیری از تداخل با عملیات ترد اصلی می‌شود. ارتباط بین ترد اصلی و یک Web Worker از طریق یک سیستم ارسال پیام صورت می‌گیرد.

چرا از Web Workerها استفاده کنیم؟

مزیت اصلی Web Workerها بهبود عملکرد و پاسخگویی است. در ادامه به تفصیل مزایای آن آورده شده است:

موارد استفاده از Web Workerها

Web Workerها برای طیف گسترده‌ای از وظایف مناسب هستند، از جمله:

پیاده‌سازی Web Workerها: یک راهنمای عملی

پیاده‌سازی Web Workerها شامل ایجاد یک فایل جاوا اسکریپت جداگانه برای کد ورکر، ایجاد یک نمونه Web Worker در ترد اصلی و برقراری ارتباط بین ترد اصلی و ورکر با استفاده از پیام‌ها است.

مرحله ۱: ایجاد اسکریپت Web Worker

یک فایل جاوا اسکریپت جدید (مثلاً worker.js) ایجاد کنید که حاوی کدی است که قرار است در پس‌زمینه اجرا شود. این فایل نباید هیچ وابستگی به DOM داشته باشد. به عنوان مثال، بیایید یک ورکر ساده بسازیم که دنباله فیبوناچی را محاسبه می‌کند:

// worker.js
function fibonacci(n) {
  if (n <= 1) {
    return n;
  }
  return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}

self.addEventListener('message', function(event) {
  const number = event.data;
  const result = fibonacci(number);
  self.postMessage(result);
});

توضیح:

مرحله ۲: ایجاد یک نمونه Web Worker در ترد اصلی

در فایل جاوا اسکریپت اصلی خود، یک نمونه جدید Web Worker با استفاده از سازنده Worker ایجاد کنید:

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

worker.addEventListener('message', function(event) {
  const result = event.data;
  console.log('Fibonacci result:', result);
});

worker.postMessage(10); // Calculate Fibonacci(10)

توضیح:

مرحله ۳: ارسال و دریافت پیام‌ها

ارتباط بین ترد اصلی و Web Worker از طریق متد postMessage() و شنونده رویداد message صورت می‌گیرد. متد postMessage() برای ارسال داده به ورکر استفاده می‌شود و شنونده رویداد message برای دریافت داده از ورکر به کار می‌رود.

داده‌های ارسال شده از طریق postMessage() کپی می‌شوند، نه اشتراک‌گذاری. این تضمین می‌کند که ترد اصلی و ورکر روی کپی‌های مستقلی از داده‌ها کار می‌کنند و از شرایط رقابتی (race conditions) و سایر مشکلات همگام‌سازی جلوگیری می‌کند. برای ساختارهای داده پیچیده، استفاده از شبیه‌سازی ساختاریافته (structured cloning) یا اشیاء قابل انتقال (transferable objects) را در نظر بگیرید (که بعداً توضیح داده می‌شود).

تکنیک‌های پیشرفته Web Worker

در حالی که پیاده‌سازی اولیه Web Workerها ساده است، چندین تکنیک پیشرفته وجود دارد که می‌تواند عملکرد و قابلیت‌های آنها را بیشتر افزایش دهد.

اشیاء قابل انتقال (Transferable Objects)

اشیاء قابل انتقال مکانیزمی برای انتقال داده‌ها بین ترد اصلی و Web Workerها بدون کپی کردن داده‌ها فراهم می‌کنند. این می‌تواند هنگام کار با ساختارهای داده بزرگ، مانند ArrayBuffer، Blob و ImageBitmap، عملکرد را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.

هنگامی که یک شیء قابل انتقال با استفاده از postMessage() ارسال می‌شود، مالکیت شیء به گیرنده منتقل می‌شود. فرستنده دسترسی به شیء را از دست می‌دهد و گیرنده دسترسی انحصاری به دست می‌آورد. این از خرابی داده‌ها جلوگیری می‌کند و تضمین می‌کند که تنها یک ترد می‌تواند شیء را در یک زمان تغییر دهد.

مثال:

// Main thread
const arrayBuffer = new ArrayBuffer(1024 * 1024); // 1MB
worker.postMessage(arrayBuffer, [arrayBuffer]); // Transfer ownership
// Worker
self.addEventListener('message', function(event) {
  const arrayBuffer = event.data;
  // Process the ArrayBuffer
});

در این مثال، arrayBuffer بدون کپی شدن به ورکر منتقل می‌شود. ترد اصلی پس از ارسال arrayBuffer دیگر به آن دسترسی ندارد.

شبیه‌سازی ساختاریافته (Structured Cloning)

شبیه‌سازی ساختاریافته مکانیزمی برای ایجاد کپی‌های عمیق (deep copies) از اشیاء جاوا اسکریپت است. این مکانیزم از طیف گسترده‌ای از انواع داده‌ها، از جمله مقادیر اولیه، اشیاء، آرایه‌ها، Dateها، RegExpها، Mapها و Setها پشتیبانی می‌کند. با این حال، از توابع یا گره‌های DOM پشتیبانی نمی‌کند.

شبیه‌سازی ساختاریافته توسط postMessage() برای کپی کردن داده‌ها بین ترد اصلی و Web Workerها استفاده می‌شود. در حالی که به طور کلی کارآمد است، می‌تواند برای ساختارهای داده بزرگ کندتر از استفاده از اشیاء قابل انتقال باشد.

SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer یک ساختار داده است که به چندین ترد، از جمله ترد اصلی و Web Workerها، اجازه می‌دهد تا حافظه را به اشتراک بگذارند. این امر امکان اشتراک‌گذاری داده و ارتباط بسیار کارآمد بین ترد‌ها را فراهم می‌کند. با این حال, SharedArrayBuffer برای جلوگیری از شرایط رقابتی و خرابی داده‌ها به همگام‌سازی دقیق نیاز دارد.

ملاحظات امنیتی مهم: استفاده از SharedArrayBuffer نیازمند تنظیم هدرهای HTTP خاص (Cross-Origin-Opener-Policy و Cross-Origin-Embedder-Policy) برای کاهش خطرات امنیتی، به ویژه آسیب‌پذیری‌های Spectre و Meltdown است. این هدرها مبدأ شما را از سایر مبدأها در مرورگر جدا می‌کنند و از دسترسی کدهای مخرب به حافظه مشترک جلوگیری می‌کنند.

مثال:

// Main thread
const sharedArrayBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);
const uint8Array = new Uint8Array(sharedArrayBuffer);
worker.postMessage(sharedArrayBuffer);
// Worker
self.addEventListener('message', function(event) {
  const sharedArrayBuffer = event.data;
  const uint8Array = new Uint8Array(sharedArrayBuffer);
  // Access and modify the SharedArrayBuffer
});

در این مثال، هم ترد اصلی و هم ورکر به یک sharedArrayBuffer یکسان دسترسی دارند. هر تغییری که توسط یک ترد در sharedArrayBuffer ایجاد شود، بلافاصله برای ترد دیگر قابل مشاهده خواهد بود.

همگام‌سازی با Atomics: هنگام استفاده از SharedArrayBuffer، استفاده از عملیات Atomics برای همگام‌سازی حیاتی است. Atomics عملیات خواندن، نوشتن و مقایسه و تعویض (compare-and-swap) اتمی را فراهم می‌کند که ثبات داده‌ها را تضمین کرده و از شرایط رقابتی جلوگیری می‌کند. مثال‌ها شامل Atomics.load(), Atomics.store(), و Atomics.compareExchange() هستند.

WebAssembly (WASM) در Web Workerها

WebAssembly (WASM) یک فرمت دستورالعمل باینری سطح پایین است که می‌تواند توسط مرورگرهای وب با سرعتی نزدیک به سرعت بومی (near-native) اجرا شود. اغلب برای اجرای کدهای سنگین محاسباتی مانند موتورهای بازی، کتابخانه‌های پردازش تصویر و شبیه‌سازی‌های علمی استفاده می‌شود.

WebAssembly می‌تواند در Web Workerها برای بهبود بیشتر عملکرد استفاده شود. با کامپایل کردن کد خود به WebAssembly و اجرای آن در یک Web Worker، می‌توانید در مقایسه با اجرای همان کد در جاوا اسکریپت، به افزایش عملکرد قابل توجهی دست یابید.

مثال:

  • کد C، C++ یا Rust خود را با استفاده از ابزارهایی مانند Emscripten یا wasm-pack به WebAssembly کامپایل کنید.
  • ماژول WebAssembly را در Web Worker خود با استفاده از fetch یا XMLHttpRequest بارگیری کنید.
  • ماژول WebAssembly را نمونه‌سازی کرده و توابع آن را از ورکر فراخوانی کنید.
  • استخر ورکرها (Worker Pools)

    برای وظایفی که می‌توانند به واحدهای کاری کوچکتر و مستقل تقسیم شوند، می‌توانید از یک استخر ورکر استفاده کنید. یک استخر ورکر شامل چندین نمونه Web Worker است که توسط یک کنترل‌کننده مرکزی مدیریت می‌شوند. کنترل‌کننده وظایف را بین ورکر‌های موجود توزیع کرده و نتایج را جمع‌آوری می‌کند.

    استخرهای ورکر می‌توانند با استفاده موازی از چندین هسته CPU، عملکرد را بهبود بخشند. آنها به ویژه برای وظایفی مانند پردازش تصویر، تحلیل داده‌ها و رندرینگ مفید هستند.

    مثال: تصور کنید در حال ساخت برنامه‌ای هستید که نیاز به پردازش تعداد زیادی تصویر دارد. به جای پردازش هر تصویر به صورت متوالی در یک ورکر، می‌توانید یک استخر ورکر با، به عنوان مثال، چهار ورکر ایجاد کنید. هر ورکر می‌تواند زیرمجموعه‌ای از تصاویر را پردازش کند و نتایج می‌تواند توسط ترد اصلی ترکیب شود.

    بهترین شیوه‌ها برای استفاده از Web Workerها

    برای به حداکثر رساندن مزایای Web Workerها، بهترین شیوه‌های زیر را در نظر بگیرید:

    نمونه‌ها در مرورگرها و دستگاه‌های مختلف

    Web Workerها به طور گسترده‌ای در مرورگرهای مدرن، از جمله Chrome، Firefox، Safari و Edge، هم در دستگاه‌های دسکتاپ و هم در موبایل پشتیبانی می‌شوند. با این حال، ممکن است تفاوت‌های جزئی در عملکرد و رفتار در پلتفرم‌های مختلف وجود داشته باشد.

    اشکال‌زدایی (Debugging) Web Workerها

    اشکال‌زدایی Web Workerها می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، زیرا آنها در یک زمینه سراسری جداگانه اجرا می‌شوند. با این حال، اکثر مرورگرهای مدرن ابزارهای اشکال‌زدایی را ارائه می‌دهند که می‌توانند به شما در بازرسی وضعیت Web Workerها و شناسایی مشکلات کمک کنند.

    ملاحظات امنیتی

    Web Workerها ملاحظات امنیتی جدیدی را معرفی می‌کنند که توسعه‌دهندگان باید از آنها آگاه باشند:

    جایگزین‌های Web Workerها

    در حالی که Web Workerها ابزار قدرتمندی برای پردازش پس‌زمینه هستند، جایگزین‌های دیگری نیز وجود دارند که ممکن است برای موارد استفاده خاص مناسب باشند:

    نتیجه‌گیری

    Web Workerها ابزار ارزشمندی برای بهبود عملکرد و پاسخگویی برنامه‌های وب هستند. با انتقال وظایف سنگین محاسباتی به ترد‌های پس‌زمینه، می‌توانید تجربه کاربری روان‌تری را تضمین کرده و پتانسیل کامل برنامه‌های وب خود را آزاد کنید. از پردازش تصویر گرفته تا تحلیل داده و استریم داده‌های بلادرنگ، Web Workerها می‌توانند طیف گسترده‌ای از وظایف را به طور کارآمد و مؤثر انجام دهند. با درک اصول و بهترین شیوه‌های پیاده‌سازی Web Worker، می‌توانید برنامه‌های وب با عملکرد بالا ایجاد کنید که پاسخگوی نیازهای کاربران امروزی باشد.

    به یاد داشته باشید که پیامدهای امنیتی استفاده از Web Workerها را با دقت در نظر بگیرید، به خصوص هنگام استفاده از SharedArrayBuffer. همیشه داده‌های ورودی را پاک‌سازی کرده و مدیریت خطای قوی را برای جلوگیری از آسیب‌پذیری‌ها پیاده‌سازی کنید.

    همچنان که فناوری‌های وب به تکامل خود ادامه می‌دهند، Web Workerها یک ابزار ضروری برای توسعه‌دهندگان وب باقی خواهند ماند. با تسلط بر هنر پردازش پس‌زمینه، می‌توانید برنامه‌های وبی بسازید که برای کاربران در سراسر جهان سریع، پاسخگو و جذاب باشند.