Web Workers: آزاد کردن قدرت پردازش پس‌زمینه در مرورگر

در چشم‌انداز پویای وب امروز، کاربران انتظار برنامه‌هایی روان و پاسخگو را دارند. با این حال، ماهیت تک‌نخی (single-threaded) جاوا اسکریپت می‌تواند منجر به تنگناهای عملکردی شود، به‌ویژه هنگام کار با وظایف محاسباتی سنگین. Web Workers با فعال کردن پردازش موازی واقعی در مرورگر، راه‌حلی برای این مشکل ارائه می‌دهند. این راهنمای جامع به بررسی Web Workers، معماری، مزایا، محدودیت‌ها و استراتژی‌های پیاده‌سازی عملی آن‌ها می‌پردازد تا به شما در ساخت برنامه‌های وب کارآمدتر و پاسخگوتر کمک کند.

Web Workers چه هستند؟

Web Workers یک API جاوا اسکریپت است که به شما امکان می‌دهد اسکریپت‌ها را در پس‌زمینه و مستقل از نخ اصلی (main thread) مرورگر اجرا کنید. آن‌ها را مانند فرآیندهای جداگانه‌ای در نظر بگیرید که به موازات صفحه وب اصلی شما عمل می‌کنند. این جداسازی بسیار مهم است زیرا از مسدود شدن نخ اصلی که مسئول به‌روزرسانی رابط کاربری است، توسط عملیات طولانی‌مدت یا منابع‌بر جلوگیری می‌کند. با انتقال وظایف به Web Workers، می‌توانید یک تجربه کاربری روان و پاسخگو را حفظ کنید، حتی زمانی که محاسبات پیچیده در حال انجام است.

ویژگی‌های کلیدی Web Workers:

• اجرای موازی: Web Workers در نخ‌های جداگانه اجرا می‌شوند و پردازش موازی واقعی را ممکن می‌سازند.
• غیر مسدودکننده: وظایف انجام شده توسط Web Workers نخ اصلی را مسدود نمی‌کنند و پاسخگویی رابط کاربری را تضمین می‌کنند.
• انتقال پیام: ارتباط بین نخ اصلی و Web Workers از طریق ارسال پیام و با استفاده از API postMessage() و رویداد onmessage صورت می‌گیرد.
• دامنه اختصاصی: Web Workers دامنه سراسری (global scope) اختصاصی خود را دارند که از دامنه پنجره اصلی جدا است. این ایزوله‌سازی امنیت را افزایش داده و از عوارض جانبی ناخواسته جلوگیری می‌کند.
• عدم دسترسی به DOM: Web Workers نمی‌توانند مستقیماً به DOM (مدل شیء سند) دسترسی داشته باشند. آن‌ها بر روی داده‌ها و منطق کار می‌کنند و نتایج را برای به‌روزرسانی رابط کاربری به نخ اصلی باز می‌گردانند.

چرا از Web Workers استفاده کنیم؟

انگیزه اصلی برای استفاده از Web Workers، بهبود عملکرد و پاسخگویی برنامه‌های وب است. در ادامه به تفکیک مزایای کلیدی آن می‌پردازیم:

• افزایش پاسخگویی رابط کاربری: با انتقال وظایف محاسباتی سنگین، مانند پردازش تصویر، محاسبات پیچیده یا تجزیه و تحلیل داده‌ها، به Web Workers، از مسدود شدن نخ اصلی جلوگیری می‌کنید. این امر تضمین می‌کند که رابط کاربری حتی در حین پردازش‌های سنگین، پاسخگو و تعاملی باقی بماند. وب‌سایتی را تصور کنید که مجموعه داده‌های بزرگی را تجزیه و تحلیل می‌کند. بدون Web Workers، کل تب مرورگر ممکن است در حین تحلیل مسدود شود. با Web Workers، تحلیل در پس‌زمینه انجام می‌شود و به کاربران اجازه می‌دهد به تعامل با صفحه ادامه دهند.
• بهبود عملکرد: پردازش موازی می‌تواند زمان اجرای کلی برای وظایف خاص را به طور قابل توجهی کاهش دهد. با توزیع کار در چندین نخ، می‌توانید از قابلیت‌های پردازش چند هسته‌ای CPUهای مدرن بهره‌برداری کنید. این امر منجر به تکمیل سریع‌تر وظایف و استفاده کارآمدتر از منابع سیستم می‌شود.
• همگام‌سازی پس‌زمینه: Web Workers برای وظایفی که باید در پس‌زمینه انجام شوند، مانند همگام‌سازی دوره‌ای داده‌ها با سرور، مفید هستند. این امر به نخ اصلی اجازه می‌دهد تا بر تعامل کاربر تمرکز کند در حالی که Web Worker فرآیندهای پس‌زمینه را مدیریت می‌کند و تضمین می‌کند که داده‌ها همیشه بدون تأثیر بر عملکرد، به‌روز هستند.
• پردازش داده‌های بزرگ: Web Workers در پردازش مجموعه داده‌های بزرگ بدون تأثیر بر تجربه کاربری، عالی عمل می‌کنند. به عنوان مثال، پردازش فایل‌های تصویر بزرگ، تحلیل داده‌های مالی یا انجام شبیه‌سازی‌های پیچیده، همگی می‌توانند به Web Workers منتقل شوند.

موارد استفاده از Web Workers

Web Workers به ویژه برای انواع مختلفی از وظایف مناسب هستند، از جمله:

• پردازش تصویر و ویدئو: اعمال فیلترها، تغییر اندازه تصاویر یا تبدیل فرمت‌های ویدئویی می‌تواند محاسباتی سنگین باشد. Web Workers می‌توانند این وظایف را در پس‌زمینه انجام دهند و از مسدود شدن رابط کاربری جلوگیری کنند.
• تجزیه و تحلیل و مصورسازی داده‌ها: انجام محاسبات پیچیده، تحلیل مجموعه داده‌های بزرگ یا تولید نمودارها و گراف‌ها می‌تواند به Web Workers منتقل شود.
• عملیات رمزنگاری: رمزگذاری و رمزگشایی می‌تواند منابع‌بر باشد. Web Workers می‌توانند این عملیات را در پس‌زمینه انجام دهند و امنیت را بدون تأثیر بر عملکرد بهبود بخشند.
• توسعه بازی: محاسبه فیزیک بازی، رندر کردن صحنه‌های پیچیده یا مدیریت هوش مصنوعی می‌تواند به Web Workers منتقل شود.
• همگام‌سازی داده‌ها در پس‌زمینه: همگام‌سازی منظم داده‌ها با سرور می‌تواند با استفاده از Web Workers در پس‌زمینه انجام شود.
• غلط‌یابی املایی: یک غلط‌یاب املایی می‌تواند از Web Workers برای بررسی ناهمزمان متن استفاده کند و تنها در صورت لزوم رابط کاربری را به‌روز کند.
• رهگیری پرتو (Ray Tracing): رهگیری پرتو، یک تکنیک رندرینگ پیچیده، می‌تواند در یک Web Worker انجام شود و تجربه‌ای روان‌تر حتی برای برنامه‌های وب با گرافیک سنگین فراهم کند.

یک مثال واقعی را در نظر بگیرید: یک ویرایشگر عکس مبتنی بر وب. اعمال یک فیلتر پیچیده بر روی یک تصویر با وضوح بالا می‌تواند چندین ثانیه طول بکشد و بدون Web Workers رابط کاربری را کاملاً مسدود کند. با انتقال اعمال فیلتر به یک Web Worker، کاربر می‌تواند در حالی که فیلتر در پس‌زمینه اعمال می‌شود، به تعامل با ویرایشگر ادامه دهد و تجربه کاربری به مراتب بهتری را فراهم کند.

پیاده‌سازی Web Workers

پیاده‌سازی Web Workers شامل ایجاد یک فایل جاوا اسکریپت جداگانه برای کد ورکر، ایجاد یک شیء Web Worker در اسکریپت اصلی و استفاده از ارسال پیام برای ارتباط است.

۱. ایجاد اسکریپت Web Worker (worker.js):

اسکریپت Web Worker حاوی کدی است که در پس‌زمینه اجرا خواهد شد. این اسکریپت به DOM دسترسی ندارد. در اینجا یک مثال ساده برای محاسبه n-امین عدد فیبوناچی آورده شده است:

// worker.js

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

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

توضیح:

• تابع fibonacci(n) n-امین عدد فیبوناچی را به صورت بازگشتی محاسبه می‌کند.
• دستور self.addEventListener('message', function(e) { ... }) یک شنونده رویداد برای مدیریت پیام‌های دریافتی از نخ اصلی تنظیم می‌کند. خاصیت e.data حاوی داده‌های ارسال شده از نخ اصلی است.
• دستور self.postMessage(result) نتیجه محاسبه شده را به نخ اصلی باز می‌گرداند.

۲. ایجاد و استفاده از Web Worker در اسکریپت اصلی:

در فایل جاوا اسکریپت اصلی، شما باید یک شیء Web Worker ایجاد کنید، به آن پیام ارسال کنید و پیام‌های دریافتی از آن را مدیریت کنید.

// main.js

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

worker.addEventListener('message', function(e) {
  const result = e.data;
  console.log('Fibonacci result:', result);
  // به‌روزرسانی رابط کاربری با نتیجه
  document.getElementById('result').textContent = result;
});

worker.addEventListener('error', function(e) {
  console.error('Worker error:', e.message);
});

document.getElementById('calculate').addEventListener('click', function() {
  const n = document.getElementById('number').value;
  worker.postMessage(parseInt(n));
});

توضیح:

• const worker = new Worker('worker.js'); یک شیء Web Worker جدید ایجاد می‌کند و مسیر اسکریپت ورکر را مشخص می‌کند.
• worker.addEventListener('message', function(e) { ... }) یک شنونده رویداد برای مدیریت پیام‌های دریافتی از Web Worker تنظیم می‌کند. خاصیت e.data حاوی داده‌های ارسال شده از ورکر است.
• worker.addEventListener('error', function(e) { ... }) یک شنونده رویداد برای مدیریت هرگونه خطایی که در Web Worker رخ می‌دهد تنظیم می‌کند.
• worker.postMessage(parseInt(n)) یک پیام به Web Worker ارسال می‌کند و مقدار n را به عنوان داده منتقل می‌کند.

۳. ساختار HTML:

فایل HTML باید شامل عناصری برای ورودی کاربر و نمایش نتیجه باشد.

  


  یک عدد وارد کنید:
  
  محاسبه فیبوناچی
  
نتیجه: 

  

این مثال ساده نشان می‌دهد که چگونه یک Web Worker ایجاد کنید، به آن داده ارسال کنید و نتایج را دریافت کنید. محاسبه فیبوناچی یک وظیفه محاسباتی سنگین است که اگر مستقیماً انجام شود می‌تواند نخ اصلی را مسدود کند. با انتقال آن به یک Web Worker، رابط کاربری پاسخگو باقی می‌ماند.

درک محدودیت‌ها

در حالی که Web Workers مزایای قابل توجهی ارائه می‌دهند، آگاهی از محدودیت‌های آن‌ها بسیار مهم است:

• عدم دسترسی به DOM: Web Workers نمی‌توانند مستقیماً به DOM دسترسی داشته باشند. این یک محدودیت اساسی است که جداسازی وظایف بین نخ ورکر و نخ اصلی را تضمین می‌کند. تمام به‌روزرسانی‌های رابط کاربری باید توسط نخ اصلی بر اساس داده‌های دریافتی از Web Worker انجام شود.
• دسترسی محدود به API: Web Workers دسترسی محدودی به برخی از APIهای مرورگر دارند. به عنوان مثال، آن‌ها نمی‌توانند مستقیماً به شیء window یا document دسترسی داشته باشند. اما به APIهایی مانند XMLHttpRequest، setTimeout و setInterval دسترسی دارند.
• سربار انتقال پیام: ارتباط بین نخ اصلی و Web Workers از طریق ارسال پیام صورت می‌گیرد. سریال‌سازی و دی‌سریال‌سازی داده‌ها برای ارسال پیام می‌تواند مقداری سربار ایجاد کند، به‌ویژه برای ساختارهای داده‌ای بزرگ. مقدار داده‌های در حال انتقال را با دقت در نظر بگیرید و در صورت لزوم ساختارهای داده را بهینه‌سازی کنید.
• چالش‌های دیباگ کردن: دیباگ کردن Web Workers می‌تواند چالش‌برانگیزتر از دیباگ کردن کد جاوا اسکریپت معمولی باشد. شما معمولاً باید از ابزارهای توسعه‌دهنده مرورگر برای بازرسی محیط اجرای ورکر و پیام‌ها استفاده کنید.
• سازگاری مرورگر: در حالی که Web Workers به طور گسترده توسط مرورگرهای مدرن پشتیبانی می‌شوند، مرورگرهای قدیمی‌تر ممکن است به طور کامل از آن‌ها پشتیبانی نکنند. ارائه مکانیزم‌های جایگزین یا polyfillها برای مرورگرهای قدیمی‌تر برای اطمینان از عملکرد صحیح برنامه شما ضروری است.

بهترین شیوه‌ها برای توسعه Web Worker

برای به حداکثر رساندن مزایای Web Workers و جلوگیری از مشکلات احتمالی، این بهترین شیوه‌ها را در نظر بگیرید:

• به حداقل رساندن انتقال داده: مقدار داده‌های منتقل شده بین نخ اصلی و Web Worker را کاهش دهید. فقط داده‌هایی را که کاملاً ضروری هستند منتقل کنید. استفاده از تکنیک‌هایی مانند حافظه مشترک (مانند SharedArrayBuffer، اما از پیامدهای امنیتی و آسیب‌پذیری‌های Spectre/Meltdown آگاه باشید) را برای به اشتراک گذاشتن داده‌ها بدون کپی کردن در نظر بگیرید.
• بهینه‌سازی سریال‌سازی داده‌ها: از فرمت‌های سریال‌سازی کارآمد داده مانند JSON یا Protocol Buffers برای به حداقل رساندن سربار ارسال پیام استفاده کنید.
• استفاده از اشیاء قابل انتقال (Transferable Objects): برای انواع خاصی از داده‌ها، مانند ArrayBuffer، MessagePort و ImageBitmap، می‌توانید از اشیاء قابل انتقال استفاده کنید. اشیاء قابل انتقال به شما امکان می‌دهند مالکیت بافر حافظه زیرین را به Web Worker منتقل کنید و از نیاز به کپی کردن جلوگیری کنید. این امر می‌تواند عملکرد را برای ساختارهای داده‌ای بزرگ به طور قابل توجهی بهبود بخشد.
• مدیریت خطاها به صورت صحیح: مدیریت خطای قوی را هم در نخ اصلی و هم در Web Worker پیاده‌سازی کنید تا هرگونه استثنایی که ممکن است رخ دهد را گرفته و مدیریت کنید. از شنونده رویداد error برای گرفتن خطاها در Web Worker استفاده کنید.
• استفاده از ماژول‌ها برای سازماندهی کد: کد Web Worker خود را در ماژول‌ها سازماندهی کنید تا قابلیت نگهداری و استفاده مجدد را بهبود بخشید. می‌توانید از ماژول‌های ES با Web Workers با مشخص کردن {type: "module"} در سازنده Worker استفاده کنید (به عنوان مثال، new Worker('worker.js', {type: "module"});).
• نظارت بر عملکرد: از ابزارهای توسعه‌دهنده مرورگر برای نظارت بر عملکرد Web Workers خود استفاده کنید. به مصرف CPU، مصرف حافظه و سربار ارسال پیام توجه کنید.
• استفاده از Thread Pool را در نظر بگیرید: برای برنامه‌های پیچیده‌ای که به چندین Web Worker نیاز دارند، استفاده از یک thread pool را برای مدیریت کارآمد ورکرها در نظر بگیرید. یک thread pool می‌تواند به شما در استفاده مجدد از ورکر‌های موجود و جلوگیری از سربار ایجاد ورکر‌های جدید برای هر وظیفه کمک کند.

تکنیک‌های پیشرفته Web Worker

فراتر از اصول اولیه، چندین تکنیک پیشرفته وجود دارد که می‌توانید برای بهبود بیشتر عملکرد و قابلیت‌های برنامه‌های Web Worker خود استفاده کنید:

۱. SharedArrayBuffer:

SharedArrayBuffer به شما امکان می‌دهد مناطق حافظه مشترکی ایجاد کنید که هم توسط نخ اصلی و هم توسط Web Workers قابل دسترسی باشند. این امر نیاز به ارسال پیام برای انواع خاصی از داده‌ها را از بین می‌برد و عملکرد را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد. با این حال، از ملاحظات امنیتی، به ویژه در رابطه با آسیب‌پذیری‌های Spectre و Meltdown آگاه باشید. استفاده از SharedArrayBuffer معمولاً نیازمند تنظیم هدرهای HTTP مناسب است (مانند Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin و Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp).

۲. Atomics:

Atomics عملیات اتمی برای کار با SharedArrayBuffer فراهم می‌کند. این عملیات تضمین می‌کنند که داده‌ها به صورت thread-safe (ایمن در برابر نخ‌ها) دسترسی و اصلاح می‌شوند و از شرایط رقابتی (race conditions) و خرابی داده‌ها جلوگیری می‌کنند. Atomics برای ساخت برنامه‌های همزمانی که از حافظه مشترک استفاده می‌کنند ضروری است.

۳. WebAssembly (Wasm):

WebAssembly یک فرمت دستورالعمل باینری سطح پایین است که به شما امکان می‌دهد کدهای نوشته شده به زبان‌هایی مانند C، C++ و Rust را با سرعتی نزدیک به سرعت بومی (native) در مرورگر اجرا کنید. شما می‌توانید از WebAssembly در Web Workers برای انجام وظایف محاسباتی سنگین با عملکردی به مراتب بهتر از جاوا اسکریپت استفاده کنید. کد WebAssembly می‌تواند در یک Web Worker بارگیری و اجرا شود و به شما امکان می‌دهد از قدرت WebAssembly بدون مسدود کردن نخ اصلی بهره‌برداری کنید.

۴. Comlink:

Comlink کتابخانه‌ای است که ارتباط بین نخ اصلی و Web Workers را ساده می‌کند. این کتابخانه به شما امکان می‌دهد توابع و اشیاء را از یک Web Worker به نخ اصلی طوری در معرض دید قرار دهید که گویی اشیاء محلی هستند. Comlink به طور خودکار سریال‌سازی و دی‌سریال‌سازی داده‌ها را مدیریت می‌کند و ساخت برنامه‌های پیچیده Web Worker را آسان‌تر می‌کند. Comlink می‌تواند کد تکراری مورد نیاز برای ارسال پیام را به طور قابل توجهی کاهش دهد.

ملاحظات امنیتی

هنگام کار با Web Workers، آگاهی از ملاحظات امنیتی بسیار مهم است:

• محدودیت‌های بین مبدأ (Cross-Origin): Web Workers مشمول همان محدودیت‌های بین مبدأ هستند که سایر منابع وب با آن مواجه‌اند. شما فقط می‌توانید اسکریپت‌های Web Worker را از همان مبدأ (پروتکل، دامنه و پورت) صفحه اصلی یا از مبدأهایی که به صراحت از طریق هدرهای CORS (Cross-Origin Resource Sharing) اجازه دسترسی بین مبدأ را می‌دهند، بارگیری کنید.
• سیاست امنیت محتوا (CSP): می‌توان از سیاست امنیت محتوا (CSP) برای محدود کردن منابعی که اسکریپت‌های Web Worker می‌توانند از آن‌ها بارگیری شوند، استفاده کرد. اطمینان حاصل کنید که سیاست CSP شما اجازه بارگیری اسکریپت‌های Web Worker از منابع مورد اعتماد را می‌دهد.
• امنیت داده‌ها: مراقب داده‌هایی باشید که به Web Workers ارسال می‌کنید، به خصوص اگر حاوی اطلاعات حساس باشد. از ارسال مستقیم داده‌های حساس در پیام‌ها خودداری کنید. رمزگذاری داده‌ها قبل از ارسال به یک Web Worker را در نظر بگیرید، به خصوص اگر Web Worker از مبدأ دیگری بارگیری می‌شود.
• آسیب‌پذیری‌های Spectre و Meltdown: همانطور که قبلاً ذکر شد، استفاده از SharedArrayBuffer می‌تواند برنامه شما را در معرض آسیب‌پذیری‌های Spectre و Meltdown قرار دهد. استراتژی‌های کاهش این خطر معمولاً شامل تنظیم هدرهای HTTP مناسب (مانند Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin و Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp) و بررسی دقیق کد برای آسیب‌پذیری‌های بالقوه است.

Web Workers و فریم‌ورک‌های مدرن

بسیاری از فریم‌ورک‌های مدرن جاوا اسکریپت، مانند React، Angular و Vue.js، انتزاع‌ها و ابزارهایی را برای ساده‌سازی استفاده از Web Workers فراهم می‌کنند.

React:

در React، می‌توانید از Web Workers برای انجام وظایف محاسباتی سنگین در کامپوننت‌ها استفاده کنید. کتابخانه‌هایی مانند react-hooks-worker می‌توانند فرآیند ایجاد و مدیریت Web Workers را در کامپوننت‌های تابعی React ساده کنند. همچنین می‌توانید از هوک‌های سفارشی برای کپسوله‌سازی منطق ایجاد و ارتباط با Web Workers استفاده کنید.

Angular:

Angular یک سیستم ماژول قوی ارائه می‌دهد که می‌توان از آن برای سازماندهی کد Web Worker استفاده کرد. شما می‌توانید سرویس‌های Angular ایجاد کنید که منطق ایجاد و ارتباط با Web Workers را کپسوله می‌کنند. Angular CLI همچنین ابزارهایی برای تولید اسکریپت‌های Web Worker و ادغام آن‌ها در برنامه شما فراهم می‌کند.

Vue.js:

در Vue.js، می‌توانید از Web Workers در کامپوننت‌ها برای انجام وظایف پس‌زمینه استفاده کنید. Vuex، کتابخانه مدیریت وضعیت Vue، می‌تواند برای مدیریت وضعیت Web Workers و همگام‌سازی داده‌ها بین نخ اصلی و Web Workers استفاده شود. همچنین می‌توانید از دایرکتیوهای سفارشی برای کپسوله‌سازی منطق ایجاد و مدیریت Web Workers استفاده کنید.

نتیجه‌گیری

Web Workers ابزاری قدرتمند برای بهبود عملکرد و پاسخگویی برنامه‌های وب هستند. با انتقال وظایف محاسباتی سنگین به نخ‌های پس‌زمینه، می‌توانید از مسدود شدن نخ اصلی جلوگیری کرده و یک تجربه کاربری روان و تعاملی را تضمین کنید. در حالی که Web Workers محدودیت‌هایی دارند، مانند عدم امکان دسترسی مستقیم به DOM، این محدودیت‌ها را می‌توان با برنامه‌ریزی و پیاده‌سازی دقیق برطرف کرد. با پیروی از بهترین شیوه‌های ذکر شده در این راهنما، می‌توانید به طور موثر از Web Workers برای ساخت برنامه‌های وب کارآمدتر و پاسخگوتری که پاسخگوی نیازهای کاربران امروزی باشد، استفاده کنید.

چه در حال ساخت یک برنامه مصورسازی داده‌های پیچیده، یک بازی با عملکرد بالا یا یک سایت تجارت الکترونیک پاسخگو باشید، Web Workers می‌توانند به شما در ارائه تجربه کاربری بهتر کمک کنند. قدرت پردازش موازی را در آغوش بگیرید و پتانسیل کامل برنامه‌های وب خود را با Web Workers آزاد کنید.