Rinnakkaisuuden hallinta: Säieturvallisen Trien rakentaminen JavaScriptillä globaaleihin sovelluksiin

Nykypäivän verkottuneessa maailmassa sovelluksilta vaaditaan paitsi nopeutta, myös reagointikykyä ja kykyä käsitellä massiivisia, rinnakkaisia operaatioita. JavaScript, joka on perinteisesti tunnettu selaimessa yksisäikeisestä luonteestaan, on kehittynyt merkittävästi ja tarjoaa nyt tehokkaita primitiivejä todellisen rinnakkaisuuden toteuttamiseen. Yksi yleinen tietorakenne, joka usein kohtaa rinnakkaisuusongelmia, erityisesti käsiteltäessä suuria, dynaamisia tietojoukkoja monisäikeisessä kontekstissa, on Trie, joka tunnetaan myös nimellä etuliitepuu.

Kuvittele rakentavasi globaalia automaattisen täydennyksen palvelua, reaaliaikaista sanakirjaa tai dynaamista IP-reititystaulua, jossa miljoonat käyttäjät tai laitteet jatkuvasti tekevät hakuja ja päivittävät tietoja. Standardi Trie, vaikka se onkin uskomattoman tehokas etuliitepohjaisissa hauissa, muuttuu nopeasti pullonkaulaksi rinnakkaisessa ympäristössä ja on altis kilpailutilanteille ja datan korruptoitumiselle. Tämä kattava opas syventyy siihen, kuinka rakennetaan JavaScriptin rinnakkainen Trie, joka tehdään säieturvalliseksi käyttämällä harkitusti SharedArrayBufferia ja Atomics-operaatioita, mikä mahdollistaa vankkojen ja skaalautuvien ratkaisujen luomisen globaalille yleisölle.

Trien ymmärtäminen: Etuliitepohjaisen datan perusta

Ennen kuin syvennymme rinnakkaisuuden monimutkaisuuksiin, luodaan vankka ymmärrys siitä, mikä Trie on ja miksi se on niin arvokas.

Mikä on Trie?

Trie, joka on johdettu sanasta 'retrieval' (lausutaan "trii" tai "trai"), on järjestetty puutietorakenne, jota käytetään dynaamisen joukon tai assosiatiivisen taulukon tallentamiseen, jossa avaimet ovat yleensä merkkijonoja. Toisin kuin binäärisessä hakupuussa, jossa solmut tallentavat varsinaisen avaimen, Trien solmut tallentavat osia avaimista, ja solmun sijainti puussa määrittelee siihen liittyvän avaimen.

• Solmut ja kaaret: Jokainen solmu edustaa tyypillisesti yhtä merkkiä, ja polku juuresta tiettyyn solmuun muodostaa etuliitteen.
• Lapsisolmut: Jokaisella solmulla on viittaukset lapsisolmuihinsa, yleensä taulukossa tai hajautustaulussa, jossa indeksi/avain vastaa seuraavaa merkkiä sekvenssissä.
• Päätesolmun lippu: Solmuilla voi olla myös 'terminaali'- tai 'isWord'-lippu, joka osoittaa, että kyseiseen solmuun johtava polku edustaa kokonaista sanaa.

Tämä rakenne mahdollistaa äärimmäisen tehokkaat etuliitepohjaiset operaatiot, mikä tekee siitä ylivoimaisen hajautustauluihin tai binäärisiin hakupuihin verrattuna tietyissä käyttötapauksissa.

Trien yleiset käyttötapaukset

Trien tehokkuus merkkijonodatan käsittelyssä tekee siitä korvaamattoman monissa sovelluksissa:

• Automaattinen täydennys ja kirjoitusehdotukset: Ehkä tunnetuin sovellus. Ajattele hakukoneita kuten Google, koodieditoreita (IDE) tai viestisovelluksia, jotka tarjoavat ehdotuksia kirjoittaessasi. Trie voi nopeasti löytää kaikki sanat, jotka alkavat tietyllä etuliitteellä.
  • Globaali esimerkki: Reaaliaikaisten, lokalisoitujen automaattisen täydennyksen ehdotusten tarjoaminen kymmenillä kielillä kansainväliselle verkkokauppa-alustalle.
• Oikeinkirjoituksen tarkistimet: Tallentamalla sanakirjan oikein kirjoitetuista sanoista Trie voi tehokkaasti tarkistaa, onko sana olemassa, tai ehdottaa vaihtoehtoja etuliitteiden perusteella.
  • Globaali esimerkki: Oikeinkirjoituksen varmistaminen monikielisille syötteille globaalissa sisällöntuotantotyökalussa.
• IP-reititystaulukot: Triet ovat erinomaisia pisimmän etuliitteen täsmäytyksessä, mikä on perustavanlaatuista verkkoreitityksessä IP-osoitteen tarkimman reitin määrittämiseksi.
  • Globaali esimerkki: Datapakettien reitityksen optimointi laajoissa kansainvälisissä verkoissa.
• Sanakirjahaku: Sanojen ja niiden määritelmien nopea haku.
  • Globaali esimerkki: Monikielisen sanakirjan rakentaminen, joka tukee nopeita hakuja satojen tuhansien sanojen joukosta.
• Bioinformatiikka: Käytetään kuvioiden tunnistamiseen DNA- ja RNA-sekvensseissä, joissa pitkät merkkijonot ovat yleisiä.
  • Globaali esimerkki: Maailmanlaajuisten tutkimuslaitosten toimittamien genomitietojen analysointi.

Rinnakkaisuuden haaste JavaScriptissä

JavaScriptin maine yksisäikeisenä kielenä on pääosin totta sen pääsuoritusympäristössä, erityisesti verkkoselaimissa. Nykyaikainen JavaScript tarjoaa kuitenkin tehokkaita mekanismeja rinnakkaisuuden saavuttamiseksi, ja sen myötä esiin nousevat klassiset rinnakkaisohjelmoinnin haasteet.

JavaScriptin yksisäikeinen luonne (ja sen rajoitukset)

JavaScript-moottori pääsäikeessä käsittelee tehtäviä peräkkäin tapahtumasilmukan kautta. Tämä malli yksinkertaistaa monia web-kehityksen osa-alueita ja estää yleisiä rinnakkaisuusongelmia, kuten umpikujia. Kuitenkin laskennallisesti raskaissa tehtävissä se voi johtaa käyttöliittymän reagoimattomuuteen ja huonoon käyttökokemukseen.

Web Workerien nousu: Todellinen rinnakkaisuus selaimessa

Web Workerit tarjoavat tavan suorittaa skriptejä taustasäikeissä, erillään verkkosivun pääsuoritussäikeestä. Tämä tarkoittaa, että pitkäkestoiset, suoritinintensiiviset tehtävät voidaan siirtää pois pääsäikeestä, jolloin käyttöliittymä pysyy reagoivana. Dataa jaetaan tyypillisesti pääsäikeen ja workerien välillä, tai workerien kesken, käyttämällä viestinvälitysmallia (postMessage()).

• Viestinvälitys: Data "strukturoidaan kloonataan" (kopioidaan), kun se lähetetään säikeiden välillä. Pienille viesteille tämä on tehokasta. Kuitenkin suurille tietorakenteille, kuten Trie, joka saattaa sisältää miljoonia solmuja, koko rakenteen jatkuva kopioiminen tulee kohtuuttoman kalliiksi ja kumoaa rinnakkaisuuden hyödyt.
  • Harkitse: Jos Trie sisältää suuren kielen sanakirjadatan, sen kopioiminen jokaisessa worker-vuorovaikutuksessa on tehotonta.

Ongelma: Muuttuva jaettu tila ja kilpailutilanteet

Kun useat säikeet (Web Workerit) tarvitsevat pääsyn samaan tietorakenteeseen ja voivat muokata sitä, ja kyseinen tietorakenne on muuttuva, kilpailutilanteista tulee vakava huolenaihe. Trie on luonteeltaan muuttuva: sanoja lisätään, haetaan ja joskus poistetaan. Ilman asianmukaista synkronointia rinnakkaiset operaatiot voivat johtaa:

• Datan korruptoitumiseen: Kaksi workeria, jotka yrittävät samanaikaisesti lisätä uutta solmua samalle merkille, saattavat ylikirjoittaa toistensa muutokset, mikä johtaa epätäydelliseen tai virheelliseen Trieen.
• Epäjohdonmukaisiin lukuihin: Workeri saattaa lukea osittain päivitettyä Trietä, mikä johtaa virheellisiin hakutuloksiin.
• Kadonneisiin päivityksiin: Yhden workerin tekemä muutos saattaa kadota kokonaan, jos toinen workeri ylikirjoittaa sen huomioimatta ensimmäisen muutosta.

Tästä syystä standardi, olio-pohjainen JavaScript Trie, vaikka se onkin toimiva yksisäikeisessä kontekstissa, ei ehdottomasti sovellu suoraan jaettavaksi ja muokattavaksi Web Workereiden välillä. Ratkaisu piilee eksplisiittisessä muistinhallinnassa ja atomisissa operaatioissa.

Säieturvallisuuden saavuttaminen: JavaScriptin rinnakkaisuusprimitiivit

Viestinvälityksen rajoitusten voittamiseksi ja todellisen säieturvallisen jaetun tilan mahdollistamiseksi JavaScriptiin on lisätty tehokkaita matalan tason primitiivejä: SharedArrayBuffer ja Atomics.

Esittelyssä SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer on kiinteän pituinen raaka binääridatapuskuri, joka on samankaltainen kuin ArrayBuffer, mutta yhdellä ratkaisevalla erolla: sen sisältö voidaan jakaa useiden Web Workereiden kesken. Datan kopioimisen sijaan workerit voivat suoraan käyttää ja muokata samaa taustalla olevaa muistia. Tämä poistaa suurten ja monimutkaisten tietorakenteiden tiedonsiirron yleiskustannukset.

• Jaettu muisti: SharedArrayBuffer on todellinen muistialue, jota kaikki määritellyt Web Workerit voivat lukea ja johon ne voivat kirjoittaa.
• Ei kloonausta: Kun välität SharedArrayBufferin Web Workerille, sille välitetään viittaus samaan muistiavaruuteen, ei kopiota.
• Turvallisuusnäkökohdat: Mahdollisten Spectre-tyyppisten hyökkäysten vuoksi SharedArrayBufferilla on erityisiä turvallisuusvaatimuksia. Verkkoselaimissa tämä tarkoittaa tyypillisesti Cross-Origin-Opener-Policy (COOP) ja Cross-Origin-Embedder-Policy (COEP) HTTP-otsakkeiden asettamista arvoon same-origin tai credentialless. Tämä on kriittinen seikka globaalissa käyttöönotossa, sillä palvelinasetukset on päivitettävä. Node.js-ympäristöissä (käyttäen worker_threads) ei ole näitä samoja selainkohtaisia rajoituksia.

SharedArrayBuffer yksinään ei kuitenkaan ratkaise kilpailutilanneongelmaa. Se tarjoaa jaetun muistin, mutta ei synkronointimekanismeja.

Atomics-operaatioiden voima

Atomics on globaali olio, joka tarjoaa atomisia operaatioita jaetulle muistille. 'Ataminen' tarkoittaa, että operaatio taataan suoritettavan kokonaisuudessaan ilman, että mikään muu säie keskeyttää sitä. Tämä varmistaa datan eheyden, kun useat workerit käyttävät samoja muistipaikkoja SharedArrayBufferin sisällä.

Keskeisiä Atomics-metodeja, jotka ovat ratkaisevia rinnakkaisen Trien rakentamisessa, ovat:

• Atomics.load(typedArray, index): Lataa atomisesti arvon tietystä indeksistä SharedArrayBufferin pohjalla olevasta TypedArray-taulukosta.
  • Käyttö: Solmun ominaisuuksien (esim. lapsiosoittimien, merkkikoodien, päätesolmun lippujen) lukemiseen ilman häiriöitä.
• Atomics.store(typedArray, index, value): Tallentaa atomisesti arvon tiettyyn indeksiin.
  • Käyttö: Uusien solmuominaisuuksien kirjoittamiseen.
• Atomics.add(typedArray, index, value): Lisää atomisesti arvon olemassa olevaan arvoon tietyssä indeksissä ja palauttaa vanhan arvon. Hyödyllinen laskureille (esim. viitelaskurin tai 'seuraavan vapaan muistiosoitteen' osoittimen kasvattamiseen).
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue): Tämä on ehdottomasti tehokkain atominen operaatio rinnakkaisille tietorakenteille. Se tarkistaa atomisesti, vastaako arvo indeksissä index arvoa expectedValue. Jos vastaa, se korvaa arvon replacementValue-arvolla ja palauttaa vanhan arvon (joka oli expectedValue). Jos ei vastaa, muutosta ei tapahdu, ja se palauttaa todellisen arvon indeksistä index.
  • Käyttö: Lukkojen (spinlockien tai mutexien), optimistisen rinnakkaisuuden toteuttamiseen tai sen varmistamiseen, että muutos tapahtuu vain, jos tila on odotetunlainen. Tämä on kriittistä uusien solmujen luomisessa tai osoittimien turvallisessa päivittämisessä.
• Atomics.wait(typedArray, index, value, [timeout]) ja Atomics.notify(typedArray, index, [count]): Näitä käytetään kehittyneempiin synkronointimalleihin, jotka mahdollistavat workerien pysähtymisen ja odottamisen tiettyä ehtoa, ja sen jälkeen ilmoituksen saamisen, kun ehto muuttuu. Hyödyllinen tuottaja-kuluttaja-malleissa tai monimutkaisissa lukitusmekanismeissa.

SharedArrayBufferin jaetun muistin ja Atomics-operaatioiden synkronoinnin synergia tarjoaa tarvittavan perustan monimutkaisten, säieturvallisten tietorakenteiden, kuten rinnakkaisen Triemme, rakentamiseen JavaScriptissä.

Rinnakkaisen Trien suunnittelu SharedArrayBufferin ja Atomicsin avulla

Rinnakkaisen Trien rakentaminen ei ole pelkästään olio-orientoituneen Trien kääntämistä jaetun muistin rakenteeksi. Se vaatii perustavanlaatuista muutosta siinä, miten solmuja esitetään ja miten operaatiot synkronoidaan.

Arkkitehtoniset näkökohdat

Trie-rakenteen esittäminen SharedArrayBufferissa

JavaScript-olioiden ja suorien viittausten sijaan Trie-solmumme on esitettävä yhtenäisinä muistilohkoina SharedArrayBufferin sisällä. Tämä tarkoittaa:

• Lineaarinen muistinvaraus: Käytämme tyypillisesti yhtä SharedArrayBufferia ja käsittelemme sitä suurena taulukkona, joka koostuu kiinteän kokoisista 'paikoista' tai 'sivuista', joissa jokainen paikka edustaa yhtä Trie-solmua.
• Solmuosoittimet indekseinä: Sen sijaan, että tallentaisimme viittauksia muihin olioihin, lapsiosoittimet ovat numeerisia indeksejä, jotka osoittavat toisen solmun aloituskohtaan samassa SharedArrayBufferissa.
• Kiinteän kokoiset solmut: Muistinhallinnan yksinkertaistamiseksi jokainen Trie-solmu vie ennalta määritellyn määrän tavuja. Tähän kiinteään kokoon mahtuvat sen merkki, lapsiosoittimet ja päätesolmun lippu.

Tarkastellaan yksinkertaistettua solmurakennetta SharedArrayBufferin sisällä. Jokainen solmu voisi olla kokonaislukutaulukko (esim. Int32Array- tai Uint32Array-näkymät SharedArrayBufferin päällä), jossa:

• Indeksi 0: `characterCode` (esim. tämän solmun edustaman merkin ASCII/Unicode-arvo, tai 0 juurisolmulle).
• Indeksi 1: `isTerminal` (0 epätosi, 1 tosi).
• Indeksi 2 - N: `children[0...25]` (tai enemmän laajemmille merkkijoukoille), jossa jokainen arvo on indeksi lapsisolmuun SharedArrayBufferin sisällä, tai 0, jos kyseiselle merkille ei ole lasta.
• `nextFreeNodeIndex`-osoitin jossain puskurissa (tai ulkoisesti hallinnoituna) uusien solmujen varaamiseksi.

Esimerkki: Jos solmu vie 30 Int32-paikkaa ja SharedArrayBufferiamme tarkastellaan Int32Array-näkymänä, solmu indeksissä `i` alkaa kohdasta `i * 30`.

Vapaiden muistilohkojen hallinta

Kun uusia solmuja lisätään, meidän on varattava tilaa. Yksinkertainen lähestymistapa on ylläpitää osoitinta seuraavaan vapaaseen paikkaan SharedArrayBufferissa. Tämä osoitin itsessään on päivitettävä atomisesti.

Säieturvallisen lisäyksen toteuttaminen (`insert`-operaatio)

Lisäys on monimutkaisin operaatio, koska se sisältää Trie-rakenteen muokkaamista, mahdollisesti uusien solmujen luomista ja osoittimien päivittämistä. Tässä Atomics.compareExchange() on ratkaisevan tärkeä johdonmukaisuuden varmistamiseksi.

Käydään läpi vaiheet sanan "apple" lisäämiseksi:

Käsitteelliset vaiheet säieturvalliseen lisäykseen:

1. Aloita juuresta: Aloita kulkeminen juurisolmusta (indeksistä 0). Juuri ei tyypillisesti edusta merkkiä itsessään.
2. Kulje merkki merkiltä: Jokaiselle sanan merkille (esim. 'a', 'p', 'p', 'l', 'e'):
   1. Määritä lapsen indeksi: Laske nykyisen solmun lapsiosoittimien sisällä oleva indeksi, joka vastaa nykyistä merkkiä. (esim. `children[char.charCodeAt(0) - 'a'.charCodeAt(0)]`).
   2. Lataa lapsiosoitin atomisesti: Käytä Atomics.load(typedArray, current_node_child_pointer_index) saadaksesi mahdollisen lapsisolmun aloitusindeksin.
   3. Tarkista, onko lapsi olemassa:
      • Jos ladattu lapsiosoitin on 0 (lasta ei ole olemassa): Tässä kohtaa meidän on luotava uusi solmu.
        1. Varaa uuden solmun indeksi: Hanki atomisesti uusi, yksilöllinen indeksi uudelle solmulle. Tämä sisältää yleensä 'seuraavan vapaan solmun' laskurin atomisen kasvattamisen (esim. `newNodeIndex = Atomics.add(typedArray, NEXT_FREE_NODE_INDEX_OFFSET, NODE_SIZE)`). Palautettu arvo on *vanha* arvo ennen kasvatusta, mikä on uuden solmumme aloitusosoite.
        2. Alusta uusi solmu: Kirjoita merkkikoodi ja `isTerminal = 0` juuri varatun solmun muistialueelle käyttämällä `Atomics.store()`-funktiota.
        3. Yritä linkittää uusi solmu: Tämä on kriittinen vaihe säieturvallisuuden kannalta. Käytä Atomics.compareExchange(typedArray, current_node_child_pointer_index, 0, newNodeIndex).
           • Jos compareExchange palauttaa 0 (tarkoittaen, että lapsiosoitin oli todellakin 0, kun yritimme linkittää sen), uusi solmumme on onnistuneesti linkitetty. Siirry uuteen solmuun nimellä `current_node`.
           • Jos compareExchange palauttaa nollasta poikkeavan arvon (tarkoittaen, että toinen workeri onnistui linkittämään solmun tälle merkille sillä välin), meillä on törmäys. Me *hylkäämme* juuri luomamme solmun (tai lisäämme sen takaisin vapaiden solmujen listaan, jos hallinnoimme sellaista) ja käytämme sen sijaan compareExchangen palauttamaa indeksiä `current_node`-solmunamme. Häviämme tehokkaasti kilpailun ja käytämme voittajan luomaa solmua.
      • Jos ladattu lapsiosoitin ei ole nolla (lapsi on jo olemassa): Aseta `current_node` ladattuun lapsi-indeksiin ja jatka seuraavaan merkkiin.
3. Merkitse päätesolmuksi: Kun kaikki merkit on käsitelty, aseta atomisesti viimeisen solmun `isTerminal`-lippu arvoon 1 käyttämällä `Atomics.store()`-funktiota.

Tämä optimistinen lukitusstrategia Atomics.compareExchange()-funktion avulla on elintärkeä. Sen sijaan, että käytettäisiin eksplisiittisiä mutexeja (joita `Atomics.wait`/`notify` voi auttaa rakentamaan), tämä lähestymistapa yrittää tehdä muutoksen ja peruuttaa tai mukautuu vain, jos konflikti havaitaan, mikä tekee siitä tehokkaan monissa rinnakkaisissa skenaarioissa.

Havainnollistava (yksinkertaistettu) pseudokoodi lisäykselle:

const NODE_SIZE = 30; // Esimerkki: 2 metadatalle + 28 lapsisolmulle
const CHARACTER_CODE_OFFSET = 0;
const IS_TERMINAL_OFFSET = 1;
const CHILDREN_OFFSET = 2;
const NEXT_FREE_NODE_INDEX_OFFSET = 0; // Tallennettu puskurin alkuun

// Olettaen, että 'sharedBuffer' on Int32Array-näkymä SharedArrayBufferin päällä
function insertWord(word, sharedBuffer) {
    let currentNodeIndex = NODE_SIZE; // Juurisolmu alkaa vapaan muistin osoittimen jälkeen

    for (let i = 0; i < word.length; i++) {
        const charCode = word.charCodeAt(i);
        const childIndexInNode = charCode - 'a'.charCodeAt(0) + CHILDREN_OFFSET;
        const childPointerOffset = currentNodeIndex + childIndexInNode;

        let nextNodeIndex = Atomics.load(sharedBuffer, childPointerOffset);

        if (nextNodeIndex === 0) {
            // Lasta ei ole olemassa, yritä luoda yksi
            const allocatedNodeIndex = Atomics.add(sharedBuffer, NEXT_FREE_NODE_INDEX_OFFSET, NODE_SIZE);

            // Alusta uusi solmu
            Atomics.store(sharedBuffer, allocatedNodeIndex + CHARACTER_CODE_OFFSET, charCode);
            Atomics.store(sharedBuffer, allocatedNodeIndex + IS_TERMINAL_OFFSET, 0);
            // Kaikki lapsiosoittimet oletuksena 0
            for (let k = 0; k < NODE_SIZE - CHILDREN_OFFSET; k++) {
                Atomics.store(sharedBuffer, allocatedNodeIndex + CHILDREN_OFFSET + k, 0);
            }

            // Yritä linkittää uusi solmu atomisesti
            const actualOldValue = Atomics.compareExchange(sharedBuffer, childPointerOffset, 0, allocatedNodeIndex);

            if (actualOldValue === 0) {
                // Onnistuneesti linkitimme solmumme, jatka
                nextNodeIndex = allocatedNodeIndex;
            } else {
                // Toinen workeri linkitti solmun; käytä heidän solmuaan. Meidän varaamamme solmu on nyt käyttämätön.
                // Oikeassa järjestelmässä hallinnoisit vapaiden listaa tässä vankemmin.
                // Yksinkertaisuuden vuoksi käytämme vain voittajan solmua.
                nextNodeIndex = actualOldValue;
            }
        }
        currentNodeIndex = nextNodeIndex;
    }
    // Merkitse viimeinen solmu päätesolmuksi
    Atomics.store(sharedBuffer, currentNodeIndex + IS_TERMINAL_OFFSET, 1);
}

Säieturvallisen haun toteuttaminen (`search` ja `startsWith` -operaatiot)

Lukuoperaatiot, kuten sanan etsiminen tai kaikkien tietyllä etuliitteellä alkavien sanojen löytäminen, ovat yleensä yksinkertaisempia, koska ne eivät muokkaa rakennetta. Niiden on kuitenkin silti käytettävä atomisia latauksia varmistaakseen, että ne lukevat johdonmukaisia, ajan tasalla olevia arvoja, välttäen osittaisia lukuja rinnakkaisten kirjoitusten aikana.

Käsitteelliset vaiheet säieturvalliseen hakuun:

1. Aloita juuresta: Aloita juurisolmusta.
2. Kulje merkki merkiltä: Jokaiselle haun etuliitteen merkille:
   1. Määritä lapsen indeksi: Laske lapsiosoittimen siirtymä merkille.
   2. Lataa lapsiosoitin atomisesti: Käytä Atomics.load(typedArray, current_node_child_pointer_index).
   3. Tarkista, onko lapsi olemassa: Jos ladattu osoitin on 0, sanaa/etuliitettä ei ole olemassa. Poistu.
   4. Siirry lapseen: Jos se on olemassa, päivitä `current_node` ladattuun lapsi-indeksiin ja jatka.
3. Lopullinen tarkistus (`search`ille): Koko sanan läpikäynnin jälkeen lataa atomisesti viimeisen solmun `isTerminal`-lippu. Jos se on 1, sana on olemassa; muuten se on vain etuliite.
4. `startsWith`-operaatiolle: Viimeinen saavutettu solmu edustaa etuliitteen loppua. Tästä solmusta voidaan aloittaa syvyys- tai leveyshaku (käyttäen atomisia latauksia) löytääkseen kaikki päätesolmut sen alipuusta.

Lukuoperaatiot ovat luonnostaan turvallisia, kunhan taustalla olevaan muistiin päästään käsiksi atomisesti. `compareExchange`-logiikka kirjoitusten aikana varmistaa, että virheellisiä osoittimia ei koskaan luoda, ja mikä tahansa kilpailutilanne kirjoituksen aikana johtaa johdonmukaiseen tilaan (vaikkakin mahdollisesti hieman viivästyneenä yhdelle workerille).

Havainnollistava (yksinkertaistettu) pseudokoodi haulle:

function searchWord(word, sharedBuffer) {
    let currentNodeIndex = NODE_SIZE;

    for (let i = 0; i < word.length; i++) {
        const charCode = word.charCodeAt(i);
        const childIndexInNode = charCode - 'a'.charCodeAt(0) + CHILDREN_OFFSET;
        const childPointerOffset = currentNodeIndex + childIndexInNode;

        const nextNodeIndex = Atomics.load(sharedBuffer, childPointerOffset);

        if (nextNodeIndex === 0) {
            return false; // Merkkipolku ei ole olemassa
        }
        currentNodeIndex = nextNodeIndex;
    }
    // Tarkista, onko viimeinen solmu päätesana
    return Atomics.load(sharedBuffer, currentNodeIndex + IS_TERMINAL_OFFSET) === 1;
}

Säieturvallisen poiston toteuttaminen (edistynyt)

Poisto on huomattavasti haastavampaa rinnakkaisessa jaetun muistin ympäristössä. Naiivi poisto voi johtaa:

• Riippuviin osoittimiin: Jos yksi workeri poistaa solmun samalla kun toinen on kulkemassa siihen, kulkeva workeri saattaa seurata virheellistä osoitinta.
• Epäjohdonmukaiseen tilaan: Osittaiset poistot voivat jättää Trien käyttökelvottomaan tilaan.
• Muistin pirstoutumiseen: Poistetun muistin turvallinen ja tehokas vapauttaminen on monimutkaista.

Yleisiä strategioita poiston turvalliseen käsittelyyn ovat:

• Looginen poisto (merkitseminen): Sen sijaan, että solmuja poistettaisiin fyysisesti, `isDeleted`-lippu voidaan asettaa atomisesti. Tämä yksinkertaistaa rinnakkaisuutta, mutta kuluttaa enemmän muistia.
• Viitelaskenta / Roskienkeruu: Jokainen solmu voisi ylläpitää atomista viitelaskuria. Kun solmun viitelaskuri putoaa nollaan, se on todella poistettavissa ja sen muisti voidaan vapauttaa (esim. lisäämällä vapaiden listaan). Tämä vaatii myös atomisia päivityksiä viitelaskureihin.
• Read-Copy-Update (RCU): Erittäin paljon lukua ja vähän kirjoitusta vaativissa skenaarioissa kirjoittajat voisivat luoda uuden version Trien muokatusta osasta ja valmistuttuaan vaihtaa atomisesti osoittimen uuteen versioon. Lukijat jatkavat vanhan version käyttöä, kunnes vaihto on valmis. Tämän toteuttaminen on monimutkaista rakeiselle tietorakenteelle kuten Trie, mutta se tarjoaa vahvat johdonmukaisuustakuut.

Monissa käytännön sovelluksissa, erityisesti niissä, jotka vaativat suurta suoritustehoa, yleinen lähestymistapa on tehdä Triestä vain lisäyksiä salliva tai käyttää loogista poistoa, ja siirtää monimutkainen muistin vapauttaminen vähemmän kriittisiin aikoihin tai hallinnoida sitä ulkoisesti. Todellisen, tehokkaan ja atomisen fyysisen poiston toteuttaminen on tutkimustason ongelma rinnakkaisissa tietorakenteissa.

Käytännön näkökohdat ja suorituskyky

Rinnakkaisen Trien rakentamisessa ei ole kyse vain oikeellisuudesta; kyse on myös käytännön suorituskyvystä ja ylläpidettävyydestä.

Muistinhallinta ja yleiskustannukset

• `SharedArrayBufferin` alustus: Puskuri on varattava ennalta riittävän kokoiseksi. Solmujen enimmäismäärän ja niiden kiinteän koon arvioiminen on ratkaisevan tärkeää. SharedArrayBufferin dynaaminen koon muuttaminen ei ole suoraviivaista ja vaatii usein uuden, suuremman puskurin luomista ja sisällön kopioimista, mikä kumoaa jaetun muistin tarkoituksen jatkuvassa käytössä.
• Tilatehokkuus: Kiinteän kokoiset solmut, vaikka ne yksinkertaistavatkin muistinvarausta ja osoitinlaskentaa, voivat olla vähemmän muistitehokkaita, jos monilla solmuilla on harvoja lapsia. Tämä on kompromissi yksinkertaistetun rinnakkaisen hallinnan hyväksi.
• Manuaalinen roskienkeruu: SharedArrayBufferin sisällä ei ole automaattista roskienkeruuta. Poistettujen solmujen muisti on hallittava eksplisiittisesti, usein vapaiden listan avulla, muistivuotojen ja pirstoutumisen välttämiseksi. Tämä lisää merkittävästi monimutkaisuutta.

Suorituskyvyn vertailu

Milloin sinun tulisi valita rinnakkainen Trie? Se ei ole ihmelääke kaikkiin tilanteisiin.

• Yksisäikeinen vs. monisäikeinen: Pienille tietojoukoille tai vähäisellä rinnakkaisuudella standardi olio-pohjainen Trie pääsäikeessä saattaa silti olla nopeampi Web Worker -kommunikaation asennuksen ja atomisten operaatioiden aiheuttamien yleiskustannusten vuoksi.
• Suuri määrä rinnakkaisia kirjoitus-/lukuoperaatioita: Rinnakkainen Trie loistaa, kun sinulla on suuri tietojoukko, suuri määrä rinnakkaisia kirjoitusoperaatioita (lisäyksiä, poistoja) ja monia rinnakkaisia lukuoperaatioita (hakuja, etuliitehakuja). Tämä siirtää raskaan laskennan pois pääsäikeestä.
• `Atomics`-yleiskustannukset: Atomiset operaatiot, vaikka ne ovatkin välttämättömiä oikeellisuuden kannalta, ovat yleensä hitaampia kuin ei-atomiset muistinkäsittelyt. Hyödyt tulevat rinnakkaisesta suorituksesta useilla ytimillä, eivät nopeammista yksittäisistä operaatioista. Oman käyttötapauksesi vertailutestaus on kriittistä sen määrittämiseksi, ylittääkö rinnakkaisuuden tuoma nopeuslisä atomisten operaatioiden yleiskustannukset.

Virheenkäsittely ja vankkuus

Rinnakkaisten ohjelmien virheenkorjaus on tunnetusti vaikeaa. Kilpailutilanteet voivat olla vaikeasti havaittavissa ja epädeterministisiä. Kattava testaus, mukaan lukien stressitestit monilla rinnakkaisilla workereilla, on välttämätöntä.

• Uudelleenyritykset: `compareExchange`-operaation epäonnistuminen tarkoittaa, että toinen workeri ehti ensin. Logiikkasi tulisi olla valmis yrittämään uudelleen tai mukautumaan, kuten lisäyksen pseudokoodissa osoitettiin.
• Aikakatkaisut: Monimutkaisemmassa synkronoinnissa `Atomics.wait` voi käyttää aikakatkaisua estääkseen umpikujia, jos `notify`-ilmoitusta ei koskaan saavu.

Selain- ja ympäristötuki

• Web Workerit: Laajasti tuettu moderneissa selaimissa ja Node.js:ssä (`worker_threads`).
• `SharedArrayBuffer` & `Atomics`: Tuettu kaikissa suurimmissa moderneissa selaimissa ja Node.js:ssä. Kuitenkin, kuten mainittu, selainympäristöt vaativat erityisiä HTTP-otsakkeita (COOP/COEP) `SharedArrayBufferin` mahdollistamiseksi turvallisuussyistä. Tämä on ratkaiseva käyttöönoton yksityiskohta verkkosovelluksille, jotka tähtäävät maailmanlaajuiseen kattavuuteen.
  • Globaali vaikutus: Varmista, että palvelininfrastruktuurisi maailmanlaajuisesti on konfiguroitu lähettämään nämä otsakkeet oikein.

Käyttötapaukset ja globaali vaikutus

Kyky rakentaa säieturvallisia, rinnakkaisia tietorakenteita JavaScriptillä avaa maailman mahdollisuuksia, erityisesti sovelluksille, jotka palvelevat globaalia käyttäjäkuntaa tai käsittelevät valtavia määriä hajautettua dataa.

• Globaalit haku- ja automaattisen täydennyksen alustat: Kuvittele kansainvälinen hakukone tai verkkokauppa-alusta, jonka on tarjottava ultranopeita, reaaliaikaisia automaattisen täydennyksen ehdotuksia tuotenimille, sijainneille ja käyttäjäkyselyille eri kielillä ja merkkijoukoilla. Rinnakkainen Trie Web Workereissa voi käsitellä massiivisia rinnakkaisia kyselyitä ja dynaamisia päivityksiä (esim. uudet tuotteet, trendaavat haut) hidastamatta pääkäyttöliittymäsäiettä.
• Reaaliaikainen datankäsittely hajautetuista lähteistä: IoT-sovelluksille, jotka keräävät dataa antureista eri mantereilta, tai rahoitusjärjestelmille, jotka käsittelevät markkinadata-syötteitä eri pörsseistä, rinnakkainen Trie voi tehokkaasti indeksoida ja hakea merkkijonopohjaisia datavirtoja (esim. laitetunnuksia, osaketunnuksia) lennosta, mahdollistaen useiden käsittelyputkien rinnakkaisen työskentelyn jaetun datan parissa.
• Yhteismuokkaus ja IDE:t: Online-yhteistyöasiakirjaeditoreissa tai pilvipohjaisissa IDE:issä jaettu Trie voisi tehostaa reaaliaikaista syntaksintarkistusta, koodin täydennystä tai oikeinkirjoituksen tarkistusta, joka päivittyy välittömästi, kun useat käyttäjät eri aikavyöhykkeiltä tekevät muutoksia. Jaettu Trie tarjoaisi johdonmukaisen näkymän kaikille aktiivisille muokkausistunnoille.
• Pelit ja simulaatiot: selainpohjaisissa moninpeleissä rinnakkainen Trie voisi hallita pelin sisäisiä sanakirjahakuja (sanapelien osalta), pelaajien nimihakemistoja tai jopa tekoälyn reitinhakudataa jaetussa maailmantilassa, varmistaen että kaikki pelisäikeet toimivat johdonmukaisen tiedon varassa reagoivan pelikokemuksen takaamiseksi.
• Korkean suorituskyvyn verkkosovellukset: Vaikka nämä hoidetaan usein erikoistuneella laitteistolla tai alemman tason kielillä, JavaScript-pohjainen palvelin (Node.js) voisi hyödyntää rinnakkaista Trietä hallitakseen dynaamisia reititystaulukoita tai protokollan jäsennystä tehokkaasti, erityisesti ympäristöissä, joissa joustavuus ja nopea käyttöönotto ovat etusijalla.

Nämä esimerkit korostavat, kuinka laskennallisesti raskaiden merkkijono-operaatioiden siirtäminen taustasäikeisiin ja samalla datan eheyden ylläpitäminen rinnakkaisen Trien avulla voi dramaattisesti parantaa globaaleja vaatimuksia kohtaavien sovellusten reagointikykyä ja skaalautuvuutta.

Rinnakkaisuuden tulevaisuus JavaScriptissä

JavaScriptin rinnakkaisuuden maisema kehittyy jatkuvasti:

• WebAssembly ja jaettu muisti: WebAssembly-moduulit voivat myös toimia SharedArrayBuffer-puskureiden kanssa, tarjoten usein vieläkin hienojakoisempaa hallintaa ja mahdollisesti korkeampaa suorituskykyä suoritinintensiivisissä tehtävissä, samalla kun ne voivat olla vuorovaikutuksessa JavaScript Web Workereiden kanssa.
• Lisäkehitys JavaScript-primitiiveissä: ECMAScript-standardi jatkaa rinnakkaisuusprimitiivien tutkimista ja hiomista, mahdollisesti tarjoten korkeamman tason abstraktioita, jotka yksinkertaistavat yleisiä rinnakkaisia malleja.
• Kirjastot ja kehykset: Kun nämä matalan tason primitiivit kypsyvät, voimme odottaa kirjastojen ja kehysten syntyvän, jotka abstrahoivat SharedArrayBufferin ja Atomicsin monimutkaisuuden, helpottaen kehittäjien mahdollisuuksia rakentaa rinnakkaisia tietorakenteita ilman syvällistä muistinhallinnan tuntemusta.

Näiden edistysaskelten omaksuminen antaa JavaScript-kehittäjille mahdollisuuden ylittää mahdollisuuksien rajoja, rakentaen erittäin suorituskykyisiä ja reagoivia verkkosovelluksia, jotka kestävät globaalisti yhdistetyn maailman vaatimukset.

Johtopäätös

Matka perus-Triestä täysin säieturvalliseen rinnakkaiseen Trieen JavaScriptissä on osoitus kielen uskomattomasta evoluutiosta ja sen nykyisin kehittäjille tarjoamasta voimasta. Hyödyntämällä SharedArrayBufferia ja Atomics-operaatioita voimme ylittää yksisäikeisen mallin rajoitukset ja luoda tietorakenteita, jotka pystyvät käsittelemään monimutkaisia, rinnakkaisia operaatioita eheästi ja korkealla suorituskyvyllä.

Tämä lähestymistapa ei ole vailla haasteita – se vaatii huolellista muistiasettelun, atomisten operaatioiden järjestyksen ja vankan virheenkäsittelyn harkintaa. Kuitenkin sovelluksille, jotka käsittelevät suuria, muuttuvia merkkijonotietojoukkoja ja vaativat globaalin mittakaavan reagointikykyä, rinnakkainen Trie tarjoaa tehokkaan ratkaisun. Se antaa kehittäjille valtuudet rakentaa seuraavan sukupolven erittäin skaalautuvia, interaktiivisia ja tehokkaita sovelluksia, varmistaen, että käyttökokemukset pysyvät saumattomina, riippumatta siitä, kuinka monimutkaiseksi taustalla oleva datankäsittely muuttuu. JavaScriptin rinnakkaisuuden tulevaisuus on täällä, ja rakenteiden, kuten rinnakkaisen Trien, myötä se on jännittävämpi ja kyvykkäämpi kuin koskaan.