JavaScript SharedArrayBuffer: Lukottomat tietorakenteet ja atomiset operaatiot

Nykyaikaisessa web-kehityksessä ja palvelinpuolen JavaScript-ympäristöissä, kuten Node.js:ssä, tehokkaan rinnakkaisohjelmoinnin tarve kasvaa jatkuvasti. Sovellusten monimutkaistuessa ja suorituskykyvaatimusten kasvaessa kehittäjät tutkivat yhä enemmän tekniikoita useiden ytimien ja säikeiden hyödyntämiseksi. Yksi tehokas työkalu tämän saavuttamiseksi JavaScriptissä on SharedArrayBuffer yhdistettynä Atomics-operaatioihin, mikä mahdollistaa lukottomien tietorakenteiden luomisen.

Johdanto rinnakkaisuuteen JavaScriptissä

Perinteisesti JavaScript on tunnettu yksisäikeisenä kielenä. Tämä tarkoittaa, että vain yksi tehtävä voi suorittua kerrallaan tietyssä suorituskontekstissa. Vaikka tämä yksinkertaistaa monia kehityksen osa-alueita, se voi myös muodostua pullonkaulaksi laskennallisesti raskaissa tehtävissä. Web Workerit tarjoavat tavan suorittaa JavaScript-koodia taustasäikeissä, mutta workereiden välinen viestintä on perinteisesti ollut asynkronista ja edellyttänyt datan kopioimista.

SharedArrayBuffer muuttaa tämän tarjoamalla muistialueen, johon useat säikeet voivat päästä käsiksi samanaikaisesti. Tämä jaettu pääsy kuitenkin tuo mukanaan kilpa-ajotilanteiden ja datan korruptoitumisen riskin. Tässä kohtaa Atomics astuu kuvaan. Atomics tarjoaa joukon atomisia operaatioita, jotka takaavat, että jaettuun muistiin kohdistuvat operaatiot suoritetaan jakamattomasti, mikä estää datan korruptoitumisen.

SharedArrayBufferin ymmärtäminen

SharedArrayBuffer on JavaScript-objekti, joka edustaa raakaa, kiinteän pituista binääridatapuskuria. Toisin kuin tavallinen ArrayBuffer, SharedArrayBuffer voidaan jakaa useiden säikeiden (Web Workereiden) kesken ilman datan erillistä kopioimista. Tämä mahdollistaa todellisen jaetun muistin rinnakkaisuuden.

Esimerkki: SharedArrayBufferin luominen

            
const sab = new SharedArrayBuffer(1024); // 1KB SharedArrayBuffer

            

              
                Copy
              
            
          

Päästäksesi käsiksi SharedArrayBufferin sisällä olevaan dataan, sinun on luotava tyypitetty taulukkonäkymä, kuten Int32Array tai Float64Array:

            
const int32View = new Int32Array(sab);

            

              
                Copy
              
            
          

Tämä luo Int32Array-näkymän SharedArrayBufferin päälle, mikä mahdollistaa 32-bittisten kokonaislukujen lukemisen ja kirjoittamisen jaettuun muistiin.

Atomicsin rooli

Atomics on globaali objekti, joka tarjoaa atomisia operaatioita. Nämä operaatiot takaavat, että jaetun muistin luku- ja kirjoitustoiminnot suoritetaan atomisesti, mikä estää kilpa-ajotilanteet. Ne ovat ratkaisevan tärkeitä rakennettaessa lukottomia tietorakenteita, joihin useat säikeet voivat turvallisesti päästä käsiksi.

Tärkeimmät atomiset operaatiot:

• Atomics.load(typedArray, index): Lukee arvon määritetystä indeksistä tyypitetystä taulukosta.
• Atomics.store(typedArray, index, value): Kirjoittaa arvon määritettyyn indeksiin tyypitetyssä taulukossa.
• Atomics.add(typedArray, index, value): Lisää arvon määritetyssä indeksissä olevaan arvoon.
• Atomics.sub(typedArray, index, value): Vähentää arvon määritetyssä indeksissä olevasta arvosta.
• Atomics.exchange(typedArray, index, value): Korvaa arvon määritetyssä indeksissä uudella arvolla ja palauttaa alkuperäisen arvon.
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, newValue): Vertaa arvoa määritetyssä indeksissä odotettuun arvoon. Jos ne ovat samat, arvo korvataan uudella arvolla. Palauttaa alkuperäisen arvon.
• Atomics.wait(typedArray, index, expectedValue, timeout): Odota, että arvo määritetyssä indeksissä muuttuu odotetusta arvosta.
• Atomics.wake(typedArray, index, count): Herättää määritetyn määrän odottajia, jotka odottavat arvoa määritetyssä indeksissä.

Nämä operaatiot ovat perustavanlaatuisia lukottomien algoritmien rakentamisessa.

Lukottomien tietorakenteiden rakentaminen

Lukottomat tietorakenteet ovat tietorakenteita, joihin useat säikeet voivat päästä käsiksi samanaikaisesti ilman lukkoja. Tämä poistaa perinteisiin lukitusmekanismeihin liittyvän ylimääräisen kuorman ja mahdolliset lukkiutumat (deadlocks). Käyttämällä SharedArrayBufferia ja Atomicsia voimme toteuttaa erilaisia lukottomia tietorakenteita JavaScriptissä.

1. Lukoton laskuri

Yksinkertainen esimerkki on lukoton laskuri. Tätä laskuria voidaan kasvattaa ja pienentää useiden säikeiden toimesta ilman lukkoja.

            
class LockFreeCounter {
  constructor() {
    this.buffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
    this.view = new Int32Array(this.buffer);
  }

  increment() {
    Atomics.add(this.view, 0, 1);
  }

  decrement() {
    Atomics.sub(this.view, 0, 1);
  }

  getValue() {
    return Atomics.load(this.view, 0);
  }
}

// Esimerkkikäyttö kahdessa web workerissa
const counter = new LockFreeCounter();

// Worker 1
for (let i = 0; i < 1000; i++) {
  counter.increment();
}

// Worker 2
for (let i = 0; i < 1000; i++) {
  counter.decrement();
}

// Kun molemmat workerit ovat valmiita (käyttäen mekanismia kuten Promise.all valmistumisen varmistamiseksi)
// counter.getValue() pitäisi olla lähellä nollaa. Todellinen tulos voi vaihdella rinnakkaisuuden vuoksi

            

              
                Copy
              
            
          

2. Lukoton pino

Monimutkaisempi esimerkki on lukoton pino. Tämä pino käyttää linkitettyä listaa, joka on tallennettu SharedArrayBufferiin, ja atomisia operaatioita pään osoittimen hallintaan.

            
class LockFreeStack {
  constructor(capacity) {
    this.capacity = capacity;
    // Jokainen solmu vaatii tilaa arvolle ja osoittimelle seuraavaan solmuun
    // Varaa tilaa solmuille ja pään osoittimelle
    this.buffer = new SharedArrayBuffer((capacity + 1) * 2 * Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT); // Arvo & Seuraava-osoitin jokaiselle solmulle + Pään osoitin
    this.view = new Int32Array(this.buffer);

    this.headIndex = capacity * 2; // indeksi, johon pään osoitin on tallennettu
    Atomics.store(this.view, this.headIndex, -1); // Alusta pää arvoon null (-1)

    // Alusta solmut niiden 'seuraava'-osoittimilla myöhempää uudelleenkäyttöä varten.
    for (let i = 0; i < capacity; i++) {
      const nextIndex = (i === capacity - 1) ? -1 : i + 1; // viimeinen solmu osoittaa nulliin
      this.setNext(i, nextIndex);
    }

    this.freeListHead = 0; // Alusta vapaiden solmujen listan pää ensimmäiseen solmuun
  }

  setNext(nodeIndex, nextIndex) {
     this.view[nodeIndex * 2 + 1] = nextIndex;
  }

  getNext(nodeIndex) {
     return this.view[nodeIndex * 2 + 1];
  }

  getValue(nodeIndex) {
    return this.view[nodeIndex * 2];
  }

  setValue(nodeIndex, value){ 
      this.view[nodeIndex*2] = value;
  }

  push(value) {
    let nodeIndex = this.freeListHead; // yritä napata vapaiden listalta
    if (nodeIndex === -1) {
      return false; // pino ylivuotanut
    }

    let nextFree = this.getNext(nodeIndex);
    // yritä atomisesti päivittää vapaiden listan pää seuraavaan vapaaseen. Jos epäonnistumme, joku muu ehti ensin.
    if (Atomics.compareExchange(this.view, this.capacity*2, nodeIndex, nextFree) !== nodeIndex) {
        return false; // yritä uudelleen, jos on kilpailutilanne
    }

    // meillä on solmu, kirjoita arvo siihen
    this.setValue(nodeIndex, value);

    let head;
    let newHead = nodeIndex;

    do {
      head = Atomics.load(this.view, this.headIndex);
      this.setNext(newHead, head);
      // Vertaa ja vaihda (Compare-and-swap) pää uuteen päähän. Jos se epäonnistuu, toinen säie on lisännyt pinon väliin
    } while (Atomics.compareExchange(this.view, this.headIndex, head, newHead) !== head);

    return true; // onnistui
  }

  pop() {
    let head = Atomics.load(this.view, this.headIndex);
    if (head === -1) {
      return undefined; // pino on tyhjä
    }

    let next = this.getNext(head);
    // Yritä päivittää pää seuraavaan. Jos se epäonnistuu, toinen säie on poistanut pinosta väliin
    if (Atomics.compareExchange(this.view, this.headIndex, head, next) !== head) {
      return undefined; // yritä uudelleen tai ilmoita virheestä.
    }

    const value = this.getValue(head);

    // Palauta solmu vapaiden listalle.
    let currentFreeListHead = this.freeListHead;
    do {
        this.setNext(head, currentFreeListHead); // osoita vapautettu solmu nykyiseen vapaiden listaan
    } while(Atomics.compareExchange(this.view, this.capacity*2, currentFreeListHead, head) !== currentFreeListHead);

    return value; // onnistui
  }
}

// Esimerkkikäyttö (workerissa):
const stack = new LockFreeStack(1024); // Luo pino, jossa on 1024 alkiota

// lisääminen
stack.push(10);
stack.push(20);

// poistaminen
const value1 = stack.pop(); // Arvo 20
const value2 = stack.pop(); // Arvo 10


            

              
                Copy
              
            
          

3. Lukoton jono

Lukottoman jonon rakentaminen sisältää sekä pään että hännän osoittimien atomisen hallinnan. Tämä on monimutkaisempaa kuin pino, mutta noudattaa samanlaisia periaatteita käyttäen Atomics.compareExchange-operaatiota.

Huomautus: Lukottoman jonon yksityiskohtainen toteutus olisi laajempi ja ylittää tämän johdannon puitteet, mutta se sisältäisi samanlaisia käsitteitä kuin pino, huolellista muistinhallintaa ja CAS (Compare-and-Swap) -operaatioiden käyttöä turvallisen rinnakkaisen pääsyn takaamiseksi.

Lukottomien tietorakenteiden edut

• Parempi suorituskyky: Lukkojen poistaminen vähentää yleiskustannuksia ja välttää kilpailutilanteita, mikä johtaa parempaan läpisyöttöön.
• Lukkiutumien välttäminen: Lukottomat algoritmit ovat luonnostaan vapaita lukkiutumista (deadlocks), koska ne eivät käytä lukkoja.
• Lisääntynyt rinnakkaisuus: Mahdollistaa useamman säikeen samanaikaisen pääsyn tietorakenteeseen estämättä toisiaan.

Haasteet ja huomioon otettavat seikat

• Monimutkaisuus: Lukottomien algoritmien toteuttaminen voi olla monimutkaista ja virhealtista. Se vaatii syvällistä ymmärrystä rinnakkaisuudesta ja muistimalleista.
• ABA-ongelma: ABA-ongelma ilmenee, kun arvo muuttuu A:sta B:hen ja takaisin A:han. Compare-and-swap-operaatio saattaa virheellisesti onnistua, mikä johtaa datan korruptoitumiseen. Ratkaisut ABA-ongelmaan sisältävät usein laskurin lisäämisen verrattavaan arvoon.
• Muistinhallinta: Huolellinen muistinhallinta on välttämätöntä muistivuotojen välttämiseksi ja resurssien oikean varaamisen ja vapauttamisen varmistamiseksi. Tekniikoita, kuten "hazard pointers" tai aikakausipohjainen vapautus, voidaan käyttää.
• Virheenjäljitys: Rinnakkaisen koodin virheenjäljitys voi olla haastavaa, koska ongelmia voi olla vaikea toisintaa. Työkalut, kuten virheenjäljittimet ja profilointityökalut, voivat olla avuksi.

Käytännön esimerkit ja käyttötapaukset

Lukottomia tietorakenteita voidaan käyttää monissa tilanteissa, joissa vaaditaan suurta rinnakkaisuutta ja matalaa latenssia:

• Pelinkehitys: Pelitilan hallinta ja datan synkronointi useiden pelisäikeiden välillä.
• Reaaliaikaiset järjestelmät: Reaaliaikaisten datavirtojen ja tapahtumien käsittely.
• Suorituskykyiset palvelimet: Rinnakkaisten pyyntöjen käsittely ja jaettujen resurssien hallinta.
• Datan käsittely: Suurten tietomäärien rinnakkaiskäsittely.
• Rahoitussovellukset: Korkeataajuisen kaupankäynnin ja riskienhallinnan laskelmien suorittaminen.

Esimerkki: Reaaliaikainen datankäsittely rahoitussovelluksessa

Kuvittele rahoitussovellus, joka käsittelee reaaliaikaista pörssidataa. Useiden säikeiden on päästävä käsiksi ja päivitettävä jaettuja tietorakenteita, jotka edustavat osakekursseja, tilauskirjoja ja kaupankäyntipositioita. Käyttämällä lukottomia tietorakenteita sovellus voi tehokkaasti käsitellä suuren määrän saapuvaa dataa ja varmistaa kauppojen oikea-aikaisen toteutuksen.

Selainyhteensopivuus ja turvallisuus

SharedArrayBuffer ja Atomics ovat laajalti tuettuja nykyaikaisissa selaimissa. Kuitenkin Spectre- ja Meltdown-haavoittuvuuksiin liittyvien turvallisuushuolien vuoksi selaimet poistivat alun perin SharedArrayBufferin oletusarvoisesti käytöstä. Sen uudelleenaktivoimiseksi sinun on tyypillisesti asetettava seuraavat HTTP-vastausotsikot:

            
Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp
Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin

            

              
                Copy
              
            
          

Nämä otsikot eristävät alkuperäsi (origin), estäen ristiin-alkuperäisen (cross-origin) tiedonvuodon. Varmista, että palvelimesi on määritetty oikein lähettämään nämä otsikot, kun tarjoilet JavaScript-koodia, joka käyttää SharedArrayBufferia.

Vaihtoehdot SharedArrayBufferille ja Atomicsille

Vaikka SharedArrayBuffer ja Atomics tarjoavat tehokkaita työkaluja rinnakkaisohjelmointiin, on olemassa myös muita lähestymistapoja:

• Viestinvälitys: Asynkronisen viestinvälityksen käyttö Web Workereiden välillä. Tämä on perinteisempi lähestymistapa, mutta se sisältää datan kopioinnin säikeiden välillä.
• WebAssembly (WASM) -säikeet: WebAssembly tukee myös jaettua muistia ja atomisia operaatioita, joita voidaan käyttää suorituskykyisten rinnakkaisten sovellusten rakentamiseen.
• Service Workerit: Vaikka ne on tarkoitettu pääasiassa välimuistiin tallentamiseen ja taustatehtäviin, service workereita voidaan käyttää myös rinnakkaiskäsittelyyn viestinvälityksen avulla.

Paras lähestymistapa riippuu sovelluksesi erityisvaatimuksista. SharedArrayBuffer ja Atomics sopivat parhaiten, kun sinun tarvitsee jakaa suuria tietomääriä säikeiden välillä mahdollisimman pienellä yleiskustannuksella ja tiukalla synkronoinnilla.

Parhaat käytännöt

• Pidä se yksinkertaisena: Aloita yksinkertaisilla lukottomilla algoritmeilla ja lisää monimutkaisuutta vähitellen tarpeen mukaan.
• Perusteellinen testaus: Testaa rinnakkainen koodisi perusteellisesti kilpa-ajotilanteiden ja muiden rinnakkaisuusongelmien tunnistamiseksi ja korjaamiseksi.
• Koodikatselmukset: Pyydä rinnakkaisohjelmointiin perehtyneitä kokeneita kehittäjiä katselmoimaan koodisi.
• Käytä suorituskyvyn profilointia: Käytä suorituskyvyn profilointityökaluja pullonkaulojen tunnistamiseen ja koodisi optimointiin.
• Dokumentoi koodisi: Dokumentoi koodisi selkeästi selittääksesi lukottomien algoritmien suunnittelun ja toteutuksen.

Yhteenveto

SharedArrayBuffer ja Atomics tarjoavat tehokkaan mekanismin lukottomien tietorakenteiden rakentamiseen JavaScriptissä, mikä mahdollistaa tehokkaan rinnakkaisohjelmoinnin. Vaikka lukottomien algoritmien toteuttamisen monimutkaisuus voi olla pelottavaa, mahdolliset suorituskykyhyödyt ovat merkittäviä sovelluksille, jotka vaativat suurta rinnakkaisuutta ja matalaa latenssia. JavaScriptin kehittyessä näistä työkaluista tulee yhä tärkeämpiä suorituskykyisten, skaalautuvien sovellusten rakentamisessa. Näiden tekniikoiden omaksuminen yhdessä vahvan rinnakkaisuusperiaatteiden ymmärryksen kanssa antaa kehittäjille mahdollisuuden ylittää JavaScriptin suorituskyvyn rajoja moniydinmaailmassa.

Lisäoppimateriaaleja

• MDN Web Docs: SharedArrayBuffer
• MDN Web Docs: Atomics
• Tieteellisiä julkaisuja lukottomista tietorakenteista ja algoritmeista.
• Blogikirjoituksia ja artikkeleita rinnakkaisohjelmoinnista JavaScriptissä.