Détection des blocages de verrous Web Frontend : Prévention des cycles de blocage de ressources

Les blocages, un problème notoire de la programmation concurrente, ne sont pas exclusifs aux systèmes back-end. Les applications web front-end, en particulier celles qui utilisent des opérations asynchrones et une gestion complexe des états, sont également susceptibles de les subir. Cet article fournit un guide complet pour comprendre, détecter et prévenir les blocages dans le développement web front-end, en se concentrant sur l'aspect critique de la prévention des cycles de blocage de ressources.

Comprendre les blocages dans le frontend

Un blocage se produit lorsque deux processus ou plus (dans notre cas, du code JavaScript s'exécutant dans le navigateur) sont bloqués indéfiniment, chacun attendant que l'autre libère une ressource. Dans le contexte du frontend, les ressources peuvent inclure :

• Objets JavaScript : Utilisés comme mutex ou sémaphores pour contrôler l'accès aux données partagées.
• Stockage local/stockage de session : L'accès et la modification du stockage peuvent entraîner une contention.
• Web Workers : La communication entre le thread principal et les workers peut créer des dépendances.
• API externes : L'attente de réponses d'API qui dépendent les unes des autres peut entraîner des blocages.
• Manipulation DOM : Les opérations DOM étendues et synchronisées, bien que moins courantes, peuvent y contribuer.

Contrairement aux systèmes d'exploitation traditionnels, l'environnement front-end fonctionne dans les limites d'une boucle d'événements à thread unique (principalement). Bien que les Web Workers introduisent le parallélisme, la communication entre eux et le thread principal doit être gérée avec soin pour éviter les blocages. L'essentiel est de reconnaître comment les opérations asynchrones, les Promises et `async/await` peuvent masquer la complexité des dépendances de ressources, ce qui rend les blocages plus difficiles à identifier.

Les quatre conditions du blocage (Conditions de Coffman)

Comprendre les conditions nécessaires pour qu'un blocage se produise, connues sous le nom de conditions de Coffman, est crucial pour la prévention :

1. Exclusion mutuelle : Les ressources sont accessibles de manière exclusive. Un seul processus peut détenir une ressource à la fois.
2. Attente et maintien : Un processus détient une ressource tout en attendant une autre ressource.
3. Pas de préemption : Une ressource ne peut pas être retirée de force à un processus qui la détient. Elle doit être libérée volontairement.
4. Attente circulaire : Il existe une chaîne circulaire de processus, où chaque processus attend une ressource détenue par le processus suivant de la chaîne.

Un blocage ne peut se produire que si ces quatre conditions sont remplies. Par conséquent, la prévention d'un blocage implique de briser au moins une de ces conditions.

Détection des cycles de verrous de ressources : Le cœur de la prévention

Le type de blocage le plus courant dans le frontend provient de dépendances circulaires lors de l'acquisition de verrous, d'où le terme « cycle de verrous de ressources ». Cela se manifeste souvent dans des opérations asynchrones imbriquées. Illustrons cela avec un exemple :

Exemple (Scénario de blocage simplifié) :

            // Deux fonctions asynchrones qui acquièrent et libèrent des verrous
async function operationA(resource1, resource2) {
  await acquireLock(resource1);
  try {
    await operationB(resource2, resource1); // Appelle operationB, attendant potentiellement resource2
  } finally {
    releaseLock(resource1);
  }
}

async function operationB(resource2, resource1) {
  await acquireLock(resource2);
  try {
    // Effectuer une opération
  } finally {
    releaseLock(resource2);
  }
}

// Fonctions simplifiées d'acquisition/libération de verrous
const locks = {};

async function acquireLock(resource) {
  return new Promise((resolve) => {
    if (!locks[resource]) {
      locks[resource] = true;
      resolve();
    } else {
      // Attendre la libération de la ressource
      const interval = setInterval(() => {
        if (!locks[resource]) {
          locks[resource] = true;
          clearInterval(interval);
          resolve();
        }
      }, 50); // Intervalle d'interrogation
    }
  });
}

function releaseLock(resource) {
  locks[resource] = false;
}

// Simuler un blocage
async function simulateDeadlock() {
  await operationA('resource1', 'resource2');
  await operationB('resource2', 'resource1');
}

simulateDeadlock();

            

              
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Dans cet exemple, si `operationA` acquiert `resource1` puis appelle `operationB`, qui attend `resource2`, et que `operationB` est appelé de manière à ce qu'il tente d'abord d'acquérir `resource2`, mais que cet appel a lieu avant que `operationA` n'ait terminé et libéré `resource1`, et qu'il essaie d'acquérir `resource1`, nous avons un blocage. `operationA` attend que `operationB` libère `resource2`, et `operationB` attend que `operationA` libère `resource1`.

Techniques de détection

La détection des cycles de verrous de ressources dans le code front-end peut être difficile, mais plusieurs techniques peuvent être employées :

1. Prévention des blocages (Conception) : La meilleure approche consiste à concevoir l'application pour éviter les conditions qui conduisent aux blocages en premier lieu. Voir les stratégies de prévention ci-dessous.
2. Ordre des verrous : Appliquer un ordre cohérent d'acquisition des verrous. Si tous les processus acquièrent les verrous dans le même ordre, l'attente circulaire est empêchée.
3. Détection basée sur les délais d'attente : Mettre en œuvre des délais d'attente pour l'acquisition de verrous. Si un processus attend un verrou plus longtemps qu'un délai d'attente prédéfini, il peut supposer un blocage et libérer ses verrous actuels.
4. Graphiques d'allocation de ressources : Créer un graphe dirigé où les nœuds représentent les processus et les ressources. Les arêtes représentent les demandes et les allocations de ressources. Un cycle dans le graphe indique un blocage. (Ceci est plus complexe à mettre en œuvre dans le frontend).
5. Outils de débogage : Les outils de développement du navigateur peuvent aider à identifier les opérations asynchrones bloquées. Recherchez les promesses qui ne se résolvent jamais ou les fonctions qui sont bloquées indéfiniment.

Stratégies de prévention : Rompre les conditions de Coffman

La prévention des blocages est souvent plus efficace que leur détection et leur récupération. Voici des stratégies pour briser chacune des conditions de Coffman :

1. Rompre l'exclusion mutuelle

Cette condition est souvent inévitable, car l'accès exclusif aux ressources est souvent nécessaire pour la cohérence des données. Cependant, réfléchissez à la possibilité d'éviter complètement le partage de données. L'immuabilité peut être un outil puissant ici. Si les données ne changent jamais après leur création, il n'y a aucune raison de les protéger avec des verrous. Des bibliothèques comme Immutable.js peuvent être utiles pour y parvenir.

2. Rompre l'attente et le maintien

• Acquérir tous les verrous à la fois : Au lieu d'acquérir des verrous de manière incrémentielle, acquérir tous les verrous nécessaires au début d'une opération. Si un verrou ne peut pas être acquis, libérer tous les verrous et réessayer plus tard.
• TryLock : Utiliser un mécanisme `tryLock` non bloquant. Si un verrou ne peut pas être acquis immédiatement, le processus peut effectuer d'autres tâches ou libérer ses verrous actuels. (Moins applicable dans un environnement JS standard sans fonctionnalités de concurrence explicites, mais le concept peut être imité avec une gestion prudente des Promises).

Exemple (Acquérir tous les verrous à la fois) :

            async function operationC(resource1, resource2) {
  let lock1Acquired = false;
  let lock2Acquired = false;
  try {
    lock1Acquired = await tryAcquireLock(resource1);
    if (!lock1Acquired) {
      return false; // Impossible d'acquérir lock1, abandon
    }

    lock2Acquired = await tryAcquireLock(resource2);
    if (!lock2Acquired) {
      releaseLock(resource1);
      return false; // Impossible d'acquérir lock2, abandonner et libérer lock1
    }

    // Effectuer l'opération avec les deux ressources verrouillées
    console.log('Les deux verrous ont été acquis avec succès !');
    return true;

  } finally {
    if (lock1Acquired) {
      releaseLock(resource1);
    }
    if (lock2Acquired) {
      releaseLock(resource2);
    }
  }
}

async function tryAcquireLock(resource) {
    if (!locks[resource]) {
      locks[resource] = true;
      return true; // Verrou acquis avec succès
    } else {
      return false; // Le verrou est déjà détenu
    }
}

            

              
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3. Rompre la non-préemption

Dans un environnement JavaScript typique, préempter de force une ressource d'une fonction est difficile. Cependant, des modèles alternatifs peuvent simuler la préemption :

• Délais d'attente et jetons d'annulation : Utiliser des délais d'attente pour limiter le temps pendant lequel un processus peut détenir un verrou. Si le délai d'attente expire, le processus libère le verrou. Les jetons d'annulation peuvent signaler à un processus de libérer volontairement ses verrous. Les bibliothèques comme `AbortController` (bien que principalement pour les requêtes d'API d'extraction) fournissent des capacités d'annulation similaires qui peuvent être adaptées.

Exemple (Délai d'attente avec `AbortController`) :

            async function operationWithTimeout(resource, timeoutMs) {
  const controller = new AbortController();
  const timeoutId = setTimeout(() => {
    controller.abort(); // Signaler l'annulation après le délai d'attente
  }, timeoutMs);

  try {
    await acquireLock(resource, controller.signal);
    console.log('Verrou acquis, exécution de l'opération...');
    // Simuler une opération de longue durée
    await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 2000));

  } catch (error) {
    if (error.name === 'AbortError') {
      console.log('Opération annulée en raison du délai d'attente.');
    } else {
      console.error('Erreur pendant l'opération :', error);
    }
  } finally {
    clearTimeout(timeoutId);
    releaseLock(resource);
    console.log('Verrou libéré.');
  }
}

async function acquireLock(resource, signal) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    if (locks[resource]) {
      const intervalId = setInterval(() => {
        if (!locks[resource]) {
            locks[resource] = true; //Tentative d'acquisition
            clearInterval(intervalId);
            resolve();
        }
      }, 50);

      signal.addEventListener('abort', () => {
        clearInterval(intervalId);
        reject(new Error('Annulé'));
      });

    } else {
      locks[resource] = true;
      resolve();
    }

  });
}

            

              
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4. Rompre l'attente circulaire

• Ordre des verrous (Hiérarchie) : Établir un ordre global pour toutes les ressources. Les processus doivent acquérir des verrous dans cet ordre. Cela empêche les dépendances circulaires.
• Éviter l'acquisition de verrous imbriqués : Refactoriser le code pour minimiser ou éliminer les acquisitions de verrous imbriqués. Envisager d'autres structures de données ou algorithmes qui réduisent le besoin de verrous multiples.

Exemple (Ordre des verrous) :

            // Définir un ordre global pour les ressources
const resourceOrder = ['resourceA', 'resourceB', 'resourceC'];

async function operationWithOrderedLocks(resource1, resource2) {
  const index1 = resourceOrder.indexOf(resource1);
  const index2 = resourceOrder.indexOf(resource2);

  if (index1 === -1 || index2 === -1) {
    throw new Error('Nom de ressource non valide.');
  }

  // S'assurer que les verrous sont acquis dans l'ordre correct
  const firstResource = index1 < index2 ? resource1 : resource2;
  const secondResource = index1 < index2 ? resource2 : resource1;

  try {
    await acquireLock(firstResource);
    try {
      await acquireLock(secondResource);
      // Effectuer l'opération avec les deux ressources verrouillées
      console.log(`Opération avec ${firstResource} et ${secondResource}`);
    } finally {
      releaseLock(secondResource);
    }
  } finally {
    releaseLock(firstResource);
  }
}

            

              
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Considérations spécifiques au frontend

• Nature à thread unique : Bien que JavaScript soit principalement à thread unique, les opérations asynchrones peuvent toujours conduire à des blocages si elles ne sont pas gérées avec soin.
• Réactivité de l'interface utilisateur : Les blocages peuvent figer l'interface utilisateur, ce qui donne une mauvaise expérience utilisateur. Des tests et une surveillance approfondis sont essentiels.
• Web Workers : La communication entre le thread principal et les Web Workers doit être soigneusement orchestrée pour éviter les blocages. Utiliser le passage de messages et éviter la mémoire partagée dans la mesure du possible.
• Bibliothèques de gestion d'état (Redux, Vuex, Zustand) : Soyez prudent lorsque vous utilisez des bibliothèques de gestion d'état, en particulier lors de la réalisation de mises à jour complexes impliquant plusieurs éléments d'état. Évitez les dépendances circulaires entre les réducteurs ou les mutations.

Exemples pratiques et extraits de code (Avancé)

1. Détection des blocages avec un graphe d'allocation de ressources (Conceptuel)

Bien que la mise en œuvre d'un graphe d'allocation de ressources complet en JavaScript soit complexe, nous pouvons illustrer le concept avec une représentation simplifiée.

            // Graphe d'allocation de ressources simplifié (Conceptuel)
class ResourceAllocationGraph {
  constructor() {
    this.graph = {}; // { process: [ressources détenues], resource: [processus en attente] }
  }

  addProcess(process) {
    this.graph[process] = {held: [], waitingFor: null};
  }

  addResource(resource) {
    if(!this.graph[resource]) {
      this.graph[resource] = []; //processus en attente de la ressource
    }
  }

  allocateResource(process, resource) {
    if (!this.graph[process]) this.addProcess(process);
    if (!this.graph[resource]) this.addResource(resource);

    if (this.graph[resource].length === 0) {
      this.graph[process].held.push(resource);
      this.graph[resource] = process;

    } else {
      this.graph[process].waitingFor = resource; //processus en attente de la ressource
      this.graph[resource].push(process); //ajouter le processus à la file d'attente en attente de cette ressource

    }
  }

  releaseResource(process, resource) {
    const index = this.graph[process].held.indexOf(resource);
    if (index > -1) {
      this.graph[process].held.splice(index, 1);

      this.graph[resource] = null;

    }
  }

  detectCycle() {
    // Implémenter l'algorithme de détection de cycle (par exemple, la recherche en profondeur)
    // Il s'agit d'un exemple simplifié et nécessite une implémentation DFS appropriée
    // pour détecter avec précision les cycles dans le graphe.
    // L'idée est de parcourir le graphe et de rechercher des arêtes de retour.

    let visited = new Set();
    let recursionStack = new Set();

    for (const process in this.graph) {
      if (!visited.has(process)) {
        if (this.dfs(process, visited, recursionStack)) {
          return true; // Cycle détecté
        }
      }
    }

    return false; // Aucun cycle détecté
  }

  dfs(process, visited, recursionStack) {
      visited.add(process);
      recursionStack.add(process);

      if (this.graph[process].waitingFor) {
          let resourceWaitingFor = this.graph[process].waitingFor;
          if(this.graph[resourceWaitingFor] !== null) { //La ressource est en cours d'utilisation
            let waitingProcess = this.graph[resourceWaitingFor];
            if(recursionStack.has(waitingProcess)) {
              return true; //Cycle détecté
            }

            if(visited.has(waitingProcess) == false) {
              if(this.dfs(waitingProcess, visited, recursionStack)){
                return true;
              }
            }
          }

      }

      recursionStack.delete(process);
      return false;
  }
}

// Exemple d'utilisation (Conceptuel)
const graph = new ResourceAllocationGraph();
graph.addProcess('processA');
graph.addProcess('processB');
graph.addResource('resource1');
graph.addResource('resource2');

graph.allocateResource('processA', 'resource1');
graph.allocateResource('processB', 'resource2');
graph.allocateResource('processA', 'resource2'); // processA attend maintenant resource2
graph.allocateResource('processB', 'resource1'); // processB attend maintenant resource1

if (graph.detectCycle()) {
  console.log('Blocage détecté !');
} else {
  console.log('Aucun blocage détecté.');
}

            

              
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Important : Il s'agit d'un exemple très simplifié. Une implémentation réelle nécessiterait un algorithme de détection de cycle plus robuste (par exemple, en utilisant la recherche en profondeur avec une gestion appropriée des arêtes dirigées), un suivi correct des détenteurs et des demandeurs de ressources, et une intégration avec le mécanisme de verrouillage utilisé dans l'application.

2. Utilisation de la bibliothèque `async-mutex`

Bien que JavaScript intégré ne possède pas de mutex natifs, des bibliothèques comme `async-mutex` peuvent fournir une manière plus structurée de gérer les verrous.

            //Installer async-mutex via npm
//npm install async-mutex

import { Mutex } from 'async-mutex';

const mutex1 = new Mutex();
const mutex2 = new Mutex();

async function operationWithMutex(resource1, resource2) {
  const release1 = await mutex1.acquire();
  try {
    const release2 = await mutex2.acquire();
    try {
      // Effectuer des opérations avec resource1 et resource2
      console.log(`Opération avec ${resource1} et ${resource2}`);
    } finally {
      release2(); // Libérer mutex2
    }
  } finally {
    release1(); // Libérer mutex1
  }
}

            

              
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Tests et surveillance

• Tests unitaires : Écrire des tests unitaires pour simuler des scénarios concurrents et vérifier que les verrous sont acquis et libérés correctement.
• Tests d'intégration : Tester l'interaction entre différents composants de l'application pour identifier les blocages potentiels.
• Tests de bout en bout : Exécuter des tests de bout en bout pour simuler les interactions réelles des utilisateurs et détecter les blocages susceptibles de se produire en production.
• Surveillance : Mettre en œuvre une surveillance pour suivre la contention de verrous et identifier les goulots d'étranglement des performances qui pourraient indiquer des blocages. Utiliser les outils de surveillance des performances du navigateur pour suivre les tâches de longue durée et les ressources bloquées.

Conclusion

Les blocages dans les applications web front-end sont un problème subtil mais grave qui peut entraîner des blocages de l'interface utilisateur et de mauvaises expériences utilisateur. En comprenant les conditions de Coffman, en se concentrant sur la prévention des cycles de verrous de ressources et en employant les stratégies décrites dans cet article, vous pouvez créer des applications front-end plus robustes et fiables. N'oubliez pas que la prévention est toujours préférable à la guérison, et qu'une conception et des tests minutieux sont essentiels pour éviter les blocages en premier lieu. Donnez la priorité à un code clair et compréhensible et soyez attentif aux opérations asynchrones pour maintenir le code front-end facile d'entretien et prévenir les problèmes de contention de ressources.

En examinant attentivement ces techniques et en les intégrant à votre flux de travail de développement, vous pouvez réduire considérablement le risque de blocages et améliorer la stabilité et les performances globales de vos applications front-end.