JavaScriptin samanaikaisten tietorakenteiden synkronointi: säieturvalliset kokoelmat

JavaScript, perinteisesti yksisäikeisenä kielenä tunnettu, on yhä useammin käytössä tilanteissa, joissa samanaikaisuus on ratkaisevan tärkeää. Web Workereiden ja Atomics API:n myötä kehittäjät voivat nyt hyödyntää rinnakkaisprosessointia parantaakseen suorituskykyä ja reagoivuutta. Tämän voiman mukana tulee kuitenkin vastuu jaetun muistin hallinnasta ja datan yhtenäisyyden varmistamisesta asianmukaisella synkronoinnilla. Tämä artikkeli sukeltaa JavaScriptin samanaikaisten tietorakenteiden maailmaan ja tutkii tekniikoita säieturvallisten kokoelmien luomiseksi.

Samanaikaisuuden ymmärtäminen JavaScriptissä

Samanaikaisuus JavaScriptin kontekstissa viittaa kykyyn käsitellä useita tehtäviä näennäisesti samanaikaisesti. Vaikka JavaScriptin tapahtumasilmukka käsittelee asynkronisia operaatioita estämättömällä tavalla, todellinen rinnakkaisuus vaatii useiden säikeiden hyödyntämistä. Web Workerit tarjoavat tämän mahdollisuuden, antaen sinun siirtää laskennallisesti raskaita tehtäviä erillisille säikeille, mikä estää pääsäikeen jumittumisen ja ylläpitää sujuvaa käyttökokemusta. Kuvittele tilanne, jossa käsittelet suurta datajoukkoa verkkosovelluksessa. Ilman samanaikaisuutta käyttöliittymä jäätyisi käsittelyn ajaksi. Web Workereiden avulla käsittely tapahtuu taustalla, pitäen käyttöliittymän reagoivana.

Web Workerit: Rinnakkaisuuden perusta

Web Workerit ovat taustaskriptejä, jotka suoritetaan riippumatta JavaScriptin pääsuoritussäikeestä. Niillä on rajoitettu pääsy DOMiin, mutta ne voivat kommunikoida pääsäikeen kanssa viestien välityksellä. Tämä mahdollistaa monimutkaisten laskutoimitusten, datan käsittelyn ja verkkopyyntöjen kaltaisten tehtävien siirtämisen worker-säikeille, vapauttaen pääsäikeen käyttöliittymäpäivityksiin ja käyttäjäinteraktioihin. Kuvittele selaimessa toimiva videoeditointisovellus. Monimutkaiset videonkäsittelytehtävät voidaan suorittaa Web Workereilla, mikä takaa sujuvan toiston ja editointikokemuksen.

SharedArrayBuffer ja Atomics API: Jaetun muistin mahdollistaminen

SharedArrayBuffer-olio mahdollistaa useiden workereiden ja pääsäikeen pääsyn samaan muistipaikkaan. Tämä mahdollistaa tehokkaan datan jakamisen ja kommunikaation säikeiden välillä. Jaetun muistin käyttöön liittyy kuitenkin kilpailutilanteiden ja datan korruptoitumisen riski. Atomics API tarjoaa atomisia operaatioita, jotka varmistavat datan yhtenäisyyden ja estävät nämä ongelmat. Atomiset operaatiot ovat jakamattomia; ne suoritetaan loppuun ilman keskeytyksiä, mikä takaa, että operaatio suoritetaan yhtenä, atomisena yksikkönä. Esimerkiksi jaetun laskurin kasvattaminen atomisella operaatiolla estää useita säikeitä häiritsemästä toisiaan, mikä varmistaa tarkat tulokset.

Säieturvallisten kokoelmien tarve

Kun useat säikeet käyttävät ja muokkaavat samaa tietorakennetta samanaikaisesti ilman asianmukaisia synkronointimekanismeja, voi syntyä kilpailutilanteita. Kilpailutilanne syntyy, kun laskennan lopputulos riippuu ennalta-arvaamattomasta järjestyksestä, jossa useat säikeet käyttävät jaettuja resursseja. Tämä voi johtaa datan korruptoitumiseen, epäjohdonmukaiseen tilaan ja odottamattomaan sovelluksen käyttäytymiseen. Säieturvalliset kokoelmat ovat tietorakenteita, jotka on suunniteltu käsittelemään samanaikaista käyttöä useilta säikeiltä ilman näiden ongelmien syntymistä. Ne varmistavat datan eheyden ja yhtenäisyyden jopa suuren samanaikaisen kuormituksen alla. Kuvittele rahoitussovellus, jossa useat säikeet päivittävät tilisaldoja. Ilman säieturvallisia kokoelmia transaktioita voisi kadota tai monistua, mikä johtaisi vakaviin taloudellisiin virheisiin.

Kilpailutilanteiden ja datakilpailujen ymmärtäminen

Kilpailutilanne syntyy, kun monisäikeisen ohjelman lopputulos riippuu ennalta-arvaamattomasta järjestyksestä, jossa säikeet suoritetaan. Datakilpailu on erityinen kilpailutilanteen tyyppi, jossa useat säikeet käyttävät samaa muistipaikkaa samanaikaisesti, ja vähintään yksi säikeistä muokkaa dataa. Datakilpailut voivat johtaa korruptoituneeseen dataan ja ennalta-arvaamattomaan käyttäytymiseen. Esimerkiksi, jos kaksi säiettä yrittää samanaikaisesti kasvattaa jaettua muuttujaa, lopputulos voi olla virheellinen lomitettujen operaatioiden vuoksi.

Miksi JavaScriptin standarditaulukot eivät ole säieturvallisia

JavaScriptin standarditaulukot eivät ole luonnostaan säieturvallisia. Operaatiot kuten push, pop, splice ja suora indeksin arvon asettaminen eivät ole atomisia. Kun useat säikeet käyttävät ja muokkaavat taulukkoa samanaikaisesti, datakilpailuja ja kilpailutilanteita voi helposti syntyä. Tämä voi johtaa odottamattomiin tuloksiin ja datan korruptoitumiseen. Vaikka JavaScript-taulukot sopivat yksisäikeisiin ympäristöihin, niitä ei suositella samanaikaiseen ohjelmointiin ilman asianmukaisia synkronointimekanismeja.

Tekniikoita säieturvallisten kokoelmien luomiseksi JavaScriptissä

JavaScriptissä voidaan käyttää useita tekniikoita säieturvallisten kokoelmien luomiseen. Nämä tekniikat sisältävät synkronointiprimitiivien, kuten lukkojen, atomisten operaatioiden ja samanaikaiseen käyttöön suunniteltujen erikoistuneiden tietorakenteiden, käyttöä.

Lukot (Mutexit)

Mutex (mutual exclusion, poissulkulukko) on synkronointiprimitiivi, joka tarjoaa yksinoikeuden jaettuun resurssiin. Vain yksi säie voi pitää lukkoa hallussaan kerrallaan. Kun säie yrittää hankkia lukon, joka on jo toisen säikeen hallussa, se odottaa, kunnes lukko vapautuu. Mutexit estävät useita säikeitä käyttämästä samaa dataa samanaikaisesti, mikä varmistaa datan eheyden. Vaikka JavaScriptissä ei ole sisäänrakennettua mutexia, se voidaan toteuttaa käyttämällä Atomics.wait ja Atomics.wake. Kuvittele jaettu pankkitili. Mutex voi varmistaa, että vain yksi transaktio (talletus tai nosto) tapahtuu kerrallaan, estäen tilinylitykset tai virheelliset saldot.

Mutexin toteuttaminen JavaScriptissä

Tässä on perusesimerkki siitä, kuinka mutex toteutetaan käyttämällä SharedArrayBuffer- ja Atomics-rajapintoja:

            
class Mutex {
 constructor(sharedArrayBuffer, index = 0) {
 this.lock = new Int32Array(sharedArrayBuffer, index * Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT, 1);
 }

 acquire() {
 while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, 1, 0) !== 0) {
 Atomics.wait(this.lock, 0, 1);
 }
 }

 release() {
 Atomics.store(this.lock, 0, 0);
 Atomics.notify(this.lock, 0, 1);
 }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Tämä koodi määrittelee Mutex-luokan, joka käyttää SharedArrayBuffer-oliota lukon tilan tallentamiseen. acquire-metodi yrittää hankkia lukon käyttämällä Atomics.compareExchange-funktiota. Jos lukko on jo varattu, säie odottaa käyttämällä Atomics.wait-funktiota. release-metodi vapauttaa lukon ja ilmoittaa odottaville säikeille käyttämällä Atomics.notify-funktiota.

Mutexin käyttäminen jaetun taulukon kanssa

            
const sab = new SharedArrayBuffer(1024);
const mutex = new Mutex(sab);
const sharedArray = new Int32Array(sab, Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);

// Worker thread
mutex.acquire();
try {
 sharedArray[0] += 1; // Access and modify the shared array
} finally {
 mutex.release();
}

            

              
                Copy
              
            
          

Atomiset operaatiot

Atomiset operaatiot ovat jakamattomia operaatioita, jotka suoritetaan yhtenä yksikkönä. Atomics API tarjoaa joukon atomisia operaatioita jaettujen muistipaikkojen lukemiseen, kirjoittamiseen ja muokkaamiseen. Nämä operaatiot takaavat, että dataa käytetään ja muokataan atomisesti, mikä estää kilpailutilanteet. Yleisiä atomisia operaatioita ovat Atomics.add, Atomics.sub, Atomics.and, Atomics.or, Atomics.xor, Atomics.compareExchange ja Atomics.store. Esimerkiksi sen sijaan, että käyttäisit sharedArray[0]++, joka ei ole atominen, voit käyttää Atomics.add(sharedArray, 0, 1) kasvattaaksesi arvoa indeksissä 0 atomisesti.

Esimerkki: Atominen laskuri

            
const sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const counter = new Int32Array(sab);

// Worker thread
Atomics.add(counter, 0, 1); // Atomically increment the counter

            

              
                Copy
              
            
          

Semaforit

Semafori on synkronointiprimitiivi, joka hallitsee pääsyä jaettuun resurssiin ylläpitämällä laskuria. Säikeet voivat hankkia semaforin vähentämällä laskuria. Jos laskuri on nolla, säie odottaa, kunnes toinen säie vapauttaa semaforin kasvattamalla laskuria. Semaforeja voidaan käyttää rajoittamaan niiden säikeiden määrää, jotka voivat käyttää jaettua resurssia samanaikaisesti. Esimerkiksi semaforia voidaan käyttää rajoittamaan samanaikaisten tietokantayhteyksien määrää. Kuten mutexit, semaforit eivät ole sisäänrakennettuja, mutta ne voidaan toteuttaa käyttämällä Atomics.wait ja Atomics.wake.

Semaforin toteuttaminen

            
class Semaphore {
 constructor(sharedArrayBuffer, initialCount = 0, index = 0) {
 this.count = new Int32Array(sharedArrayBuffer, index * Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT, 1);
 Atomics.store(this.count, 0, initialCount);
 }

 acquire() {
 while (true) {
 const current = Atomics.load(this.count, 0);
 if (current > 0 && Atomics.compareExchange(this.count, current, current - 1, current) === current) {
 return;
 }
 Atomics.wait(this.count, 0, current);
 }
 }

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

            

              
                Copy
              
            
          

Samanaikaiset tietorakenteet (muuttumattomat tietorakenteet)

Yksi lähestymistapa lukkojen ja atomisten operaatioiden monimutkaisuuden välttämiseksi on käyttää muuttumattomia tietorakenteita. Muuttumattomia tietorakenteita ei voi muokata niiden luomisen jälkeen. Sen sijaan mikä tahansa muokkaus johtaa uuden tietorakenteen luomiseen, jättäen alkuperäisen tietorakenteen muuttumattomaksi. Tämä poistaa datakilpailujen mahdollisuuden, koska useat säikeet voivat turvallisesti käyttää samaa muuttumatonta tietorakennetta ilman korruptoitumisen riskiä. Kirjastot, kuten Immutable.js, tarjoavat muuttumattomia tietorakenteita JavaScriptille, jotka voivat olla erittäin hyödyllisiä samanaikaisen ohjelmoinnin tilanteissa.

Esimerkki: Immutable.js:n käyttö

            
import { List } from 'immutable';

let myList = List([1, 2, 3]);

// Worker thread
const newList = myList.push(4); // Creates a new list with the added element

            

              
                Copy
              
            
          

Tässä esimerkissä myList pysyy muuttumattomana ja newList sisältää päivitetyn datan. Tämä poistaa tarpeen lukoille tai atomisille operaatioille, koska jaettua muuttuvaa tilaa ei ole.

Copy-on-Write (COW)

Copy-on-Write (COW) on tekniikka, jossa dataa jaetaan useiden säikeiden välillä, kunnes yksi säikeistä yrittää muokata sitä. Kun muokkausta tarvitaan, datasta luodaan kopio ja muokkaus tehdään kopioon. Tämä varmistaa, että muilla säikeillä on edelleen pääsy alkuperäiseen dataan. COW voi parantaa suorituskykyä tilanteissa, joissa dataa luetaan usein mutta muokataan harvoin. Se välttää lukituksen ja atomisten operaatioiden aiheuttaman ylikuormituksen varmistaen samalla datan yhtenäisyyden. Datan kopioinnin kustannus voi kuitenkin olla merkittävä, jos tietorakenne on suuri.

Säieturvallisen jonon rakentaminen

Havainnollistetaan yllä käsiteltyjä konsepteja rakentamalla säieturvallinen jono käyttäen SharedArrayBuffer-oliota, Atomics-rajapintaa ja mutexia.

            
class ThreadSafeQueue {
 constructor(capacity) {
 this.capacity = capacity;
 this.buffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * (capacity + 2)); // +2 for head, tail
 this.queue = new Int32Array(this.buffer, 2 * Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
 this.head = new Int32Array(this.buffer, 0, 1);
 this.tail = new Int32Array(this.buffer, Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT, 1);
 this.mutex = new Mutex(this.buffer, 2 + capacity);

 Atomics.store(this.head, 0, 0);
 Atomics.store(this.tail, 0, 0);
 }

 enqueue(value) {
 this.mutex.acquire();
 try {
 const tail = Atomics.load(this.tail, 0);
 const head = Atomics.load(this.head, 0);
 if ((tail + 1) % this.capacity === head) {
 throw new Error("Queue is full");
 }
 this.queue[tail] = value;
 Atomics.store(this.tail, 0, (tail + 1) % this.capacity);
 } finally {
 this.mutex.release();
 }
 }

 dequeue() {
 this.mutex.acquire();
 try {
 const head = Atomics.load(this.head, 0);
 const tail = Atomics.load(this.tail, 0);
 if (head === tail) {
 throw new Error("Queue is empty");
 }
 const value = this.queue[head];
 Atomics.store(this.head, 0, (head + 1) % this.capacity);
 return value;
 } finally {
 this.mutex.release();
 }
 }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Tämä koodi toteuttaa säieturvallisen jonon kiinteällä kapasiteetilla. Se käyttää SharedArrayBuffer-oliota jonon datan, alku- ja loppuosoittimien tallentamiseen. Mutexia käytetään suojaamaan pääsyä jonoon ja varmistamaan, että vain yksi säie voi muokata jonoa kerrallaan. enqueue- ja dequeue-metodit hankkivat mutexin ennen jonon käyttöä ja vapauttavat sen operaation päätyttyä.

Suorituskykyyn liittyvät näkökohdat

Vaikka säieturvalliset kokoelmat tarjoavat datan eheyden, ne voivat myös aiheuttaa suorituskyvyn heikkenemistä synkronointimekanismien vuoksi. Lukot ja atomiset operaatiot voivat olla suhteellisen hitaita, erityisesti kun kilpailu on kovaa. On tärkeää harkita huolellisesti säieturvallisten kokoelmien suorituskykyvaikutuksia ja optimoida koodi kilpailun minimoimiseksi. Tekniikat, kuten lukkojen vaikutusalueen pienentäminen, lukottomien tietorakenteiden käyttö ja datan osittaminen, voivat parantaa suorituskykyä.

Lukkoriidat

Lukkoriita syntyy, kun useat säikeet yrittävät hankkia saman lukon samanaikaisesti. Tämä voi johtaa merkittävään suorituskyvyn heikkenemiseen, kun säikeet kuluttavat aikaa odottaen lukon vapautumista. Lukkoriitojen vähentäminen on ratkaisevan tärkeää hyvän suorituskyvyn saavuttamiseksi samanaikaisissa ohjelmissa. Tekniikoita lukkoriitojen vähentämiseksi ovat hienojakoisten lukkojen käyttö, datan osittaminen ja lukottomien tietorakenteiden käyttö.

Atomisten operaatioiden ylikuormitus

Atomiset operaatiot ovat yleensä hitaampia kuin ei-atomiset operaatiot. Ne ovat kuitenkin välttämättömiä datan eheyden varmistamiseksi samanaikaisissa ohjelmissa. Kun käytetään atomisia operaatioita, on tärkeää minimoida suoritettavien atomisten operaatioiden määrä ja käyttää niitä vain tarvittaessa. Tekniikat, kuten päivitysten niputtaminen ja paikallisten välimuistien käyttö, voivat vähentää atomisten operaatioiden aiheuttamaa ylikuormitusta.

Vaihtoehtoja jaetun muistin samanaikaisuudelle

Vaikka jaetun muistin samanaikaisuus Web Workereiden, SharedArrayBuffer-olion ja Atomics-rajapinnan avulla tarjoaa tehokkaan tavan saavuttaa rinnakkaisuutta JavaScriptissä, se tuo myös mukanaan merkittävää monimutkaisuutta. Jaetun muistin ja synkronointiprimitiivien hallinta voi olla haastavaa ja virhealtista. Vaihtoehtoja jaetun muistin samanaikaisuudelle ovat viestien välitys ja toimijapohjainen samanaikaisuus.

Viestien välitys

Viestien välitys on samanaikaisuusmalli, jossa säikeet kommunikoivat keskenään lähettämällä viestejä. Jokaisella säikeellä on oma yksityinen muistialueensa, ja data siirretään säikeiden välillä kopioimalla se viesteihin. Viestien välitys poistaa datakilpailujen mahdollisuuden, koska säikeet eivät jaa muistia suoraan. Web Workerit käyttävät pääasiassa viestien välitystä kommunikointiin pääsäikeen kanssa.

Toimijapohjainen samanaikaisuus

Toimijapohjainen samanaikaisuus on malli, jossa samanaikaiset tehtävät kapseloidaan toimijoihin. Toimija on itsenäinen entiteetti, jolla on oma tilansa ja joka voi kommunikoida muiden toimijoiden kanssa lähettämällä viestejä. Toimijat käsittelevät viestejä peräkkäin, mikä poistaa lukkojen tai atomisten operaatioiden tarpeen. Toimijapohjainen samanaikaisuus voi yksinkertaistaa samanaikaista ohjelmointia tarjoamalla korkeamman abstraktiotason. Kirjastot, kuten Akka.js, tarjoavat toimijapohjaisia samanaikaisuuskehyksiä JavaScriptille.

Säieturvallisten kokoelmien käyttökohteita

Säieturvalliset kokoelmat ovat arvokkaita erilaisissa tilanteissa, joissa vaaditaan samanaikaista pääsyä jaettuun dataan. Joitakin yleisiä käyttökohteita ovat:

• Reaaliaikainen datankäsittely: Reaaliaikaisten datavirtojen käsittely useista lähteistä vaatii samanaikaista pääsyä jaettuihin tietorakenteisiin. Säieturvalliset kokoelmat voivat varmistaa datan yhtenäisyyden ja estää datan häviämisen. Esimerkiksi anturidataa IoT-laitteista käsiteltäessä maailmanlaajuisesti hajautetussa verkossa.
• Pelinkehitys: Pelimoottorit käyttävät usein useita säikeitä suorittaakseen tehtäviä, kuten fysiikkasimulaatioita, tekoälyn prosessointia ja renderöintiä. Säieturvalliset kokoelmat voivat varmistaa, että nämä säikeet voivat käyttää ja muokata pelidataa samanaikaisesti ilman kilpailutilanteita. Kuvittele massiivinen monen pelaajan verkkopeli (MMO), jossa tuhannet pelaajat ovat vuorovaikutuksessa samanaikaisesti.
• Rahoitussovellukset: Rahoitussovellukset vaativat usein samanaikaista pääsyä tilisaldoihin, transaktiohistorioihin ja muuhun taloudelliseen dataan. Säieturvalliset kokoelmat voivat varmistaa, että transaktiot käsitellään oikein ja että tilisaldot ovat aina tarkkoja. Harkitse korkean taajuuden kaupankäyntialustaa, joka käsittelee miljoonia transaktioita sekunnissa eri globaaleilta markkinoilta.
• Data-analytiikka: Data-analytiikkasovellukset käsittelevät usein suuria datajoukkoja rinnakkain useilla säikeillä. Säieturvalliset kokoelmat voivat varmistaa, että data käsitellään oikein ja että tulokset ovat johdonmukaisia. Ajattele sosiaalisen median trendien analysointia eri maantieteellisiltä alueilta.
• Verkkopalvelimet: Samanaikaisten pyyntöjen käsittely korkean liikenteen verkkosovelluksissa. Säieturvalliset välimuistit ja istunnonhallintarakenteet voivat parantaa suorituskykyä ja skaalautuvuutta.

Yhteenveto

Samanaikaiset tietorakenteet ja säieturvalliset kokoelmat ovat olennaisia vankkojen ja tehokkaiden samanaikaisten sovellusten rakentamisessa JavaScriptillä. Ymmärtämällä jaetun muistin samanaikaisuuden haasteet ja käyttämällä asianmukaisia synkronointimekanismeja, kehittäjät voivat hyödyntää Web Workereiden ja Atomics API:n tehoa parantaakseen suorituskykyä ja reagoivuutta. Vaikka jaetun muistin samanaikaisuus tuo mukanaan monimutkaisuutta, se tarjoaa myös tehokkaan työkalun laskennallisesti raskaiden ongelmien ratkaisemiseen. Harkitse huolellisesti suorituskyvyn ja monimutkaisuuden välisiä kompromisseja valitessasi jaetun muistin samanaikaisuuden, viestien välityksen ja toimijapohjaisen samanaikaisuuden välillä. JavaScriptin kehittyessä on odotettavissa lisää parannuksia ja abstraktioita samanaikaisen ohjelmoinnin alueella, mikä helpottaa skaalautuvien ja suorituskykyisten sovellusten rakentamista.

Muista priorisoida datan eheys ja yhtenäisyys suunnitellessasi samanaikaisia järjestelmiä. Samanaikaisen koodin testaaminen ja virheenkorjaus voi olla haastavaa, joten perusteellinen testaus ja huolellinen suunnittelu ovat ratkaisevan tärkeitä.