Sécurité des collections concurrentes JavaScript et sécurité des threads : Maîtriser les structures de données thread-safe

Au fur et à mesure que les applications JavaScript gagnent en complexité, le besoin d'une gestion efficace et fiable de la concurrence devient de plus en plus crucial. Bien que JavaScript soit traditionnellement mono-thread, les environnements modernes comme Node.js et les navigateurs Web offrent des mécanismes de concurrence grâce aux Web Workers et aux opérations asynchrones. Cela introduit le potentiel de conditions de concurrence et de corruption de données lorsque plusieurs threads ou tâches asynchrones accèdent et modifient des données partagées. Cet article explore les défis de la sécurité des threads dans les collections concurrentes JavaScript et fournit des stratégies pratiques pour la création d'applications robustes et fiables.

Comprendre la concurrence en JavaScript

La boucle d'événements de JavaScript permet la programmation asynchrone, permettant aux opérations d'être exécutées sans bloquer le thread principal. Bien que cela offre la concurrence, cela n'offre pas intrinsèquement un véritable parallélisme comme on le voit dans les langages multithreads. Cependant, les Web Workers fournissent un moyen d'exécuter du code JavaScript dans des threads séparés, permettant un véritable traitement parallèle. Cette capacité est particulièrement précieuse pour les tâches gourmandes en calcul qui, autrement, bloqueraient le thread principal, conduisant à une mauvaise expérience utilisateur.

Web Workers : la réponse de JavaScript au multithreading

Les Web Workers sont des scripts d'arrière-plan qui s'exécutent indépendamment du thread principal. Ils communiquent avec le thread principal à l'aide d'un système de passage de messages. Cette isolation garantit que les erreurs ou les tâches de longue durée dans un Web Worker n'affectent pas la réactivité du thread principal. Les Web Workers sont idéaux pour des tâches telles que le traitement d'images, les calculs complexes et l'analyse de données.

Programmation asynchrone et la boucle d'événements

Les opérations asynchrones, telles que les requêtes réseau et les E/S de fichiers, sont gérées par la boucle d'événements. Lorsqu'une opération asynchrone est lancée, elle est transmise au navigateur ou à l'environnement d'exécution Node.js. Une fois l'opération terminée, une fonction de rappel est placée sur la file d'attente de la boucle d'événements. La boucle d'événements exécute ensuite le rappel lorsque le thread principal est disponible. Cette approche non bloquante permet à JavaScript de gérer plusieurs opérations simultanément sans geler l'interface utilisateur.

Les défis de la sécurité des threads

La sécurité des threads fait référence à la capacité d'un programme à s'exécuter correctement même lorsque plusieurs threads accèdent aux données partagées simultanément. Dans un environnement mono-thread, la sécurité des threads n'est généralement pas une préoccupation, car une seule opération peut se produire à un moment donné. Cependant, lorsque plusieurs threads ou tâches asynchrones accèdent et modifient des données partagées, des conditions de concurrence peuvent se produire, entraînant des résultats imprévisibles et potentiellement désastreux. Les conditions de concurrence surviennent lorsque le résultat d'un calcul dépend de l'ordre imprévisible dans lequel plusieurs threads s'exécutent.

Conditions de concurrence : une source d'erreurs courante

Une condition de concurrence se produit lorsque plusieurs threads accèdent et modifient des données partagées simultanément, et le résultat final dépend de l'ordre spécifique dans lequel les threads s'exécutent. Considérez un exemple simple où deux threads incrémentent un compteur partagé :

            let counter = 0;

function incrementCounter() {
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    counter++;
  }
}

const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

worker1.postMessage('start');
worker2.postMessage('start');

worker1.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 1 finished');
};

worker2.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 2 finished');
  console.log('Final counter value:', counter);
};

// worker.js
self.onmessage = function(event) {
  if (event.data === 'start') {
    incrementCounter();
    self.postMessage('done');
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

Idéalement, la valeur finale de `counter` devrait être 200000. Cependant, en raison de la condition de concurrence, la valeur réelle est souvent significativement inférieure. En effet, les deux threads lisent et écrivent dans `counter` simultanément, et les mises à jour peuvent être entrelacées de manière imprévisible, entraînant des mises à jour perdues.

Corruption de données : une conséquence grave

Les conditions de concurrence peuvent entraîner une corruption des données, où les données partagées deviennent incohérentes ou non valides. Cela peut avoir de graves conséquences, en particulier dans les applications qui reposent sur des données précises, telles que les systèmes financiers, les dispositifs médicaux et les systèmes de contrôle. La corruption des données peut être difficile à détecter et à déboguer, car les symptômes peuvent être intermittents et imprévisibles.

Structures de données thread-safe en JavaScript

Pour atténuer les risques de conditions de concurrence et de corruption de données, il est essentiel d'utiliser des structures de données thread-safe et des modèles de concurrence. Les structures de données thread-safe sont conçues pour garantir que l'accès concurrent aux données partagées est synchronisé et que l'intégrité des données est maintenue. Bien que JavaScript ne dispose pas de structures de données thread-safe intégrées de la même manière que certains autres langages (comme `ConcurrentHashMap` de Java), il existe plusieurs stratégies que vous pouvez employer pour assurer la sécurité des threads.

Opérations atomiques

Les opérations atomiques sont des opérations qui sont garanties de s'exécuter comme une seule unité indivisible. Cela signifie qu'aucun autre thread ne peut interrompre une opération atomique en cours. Les opérations atomiques sont un élément fondamental pour les structures de données thread-safe et le contrôle de la concurrence. JavaScript offre un support limité pour les opérations atomiques via l'objet `Atomics`, qui fait partie de l'API SharedArrayBuffer.

SharedArrayBuffer

Le `SharedArrayBuffer` est une structure de données qui permet à plusieurs Web Workers d'accéder et de modifier la même mémoire. Cela permet un partage efficace des données entre les threads, mais cela introduit également le potentiel de conditions de concurrence. L'objet `Atomics` fournit un ensemble d'opérations atomiques qui peuvent être utilisées pour manipuler en toute sécurité des données dans un `SharedArrayBuffer`.

API Atomics

L'API `Atomics` fournit une variété d'opérations atomiques, notamment :

• `Atomics.add(typedArray, index, value)` : Ajoute atomiquement une valeur à l'élément à l'index spécifié dans un tableau typé.
• `Atomics.sub(typedArray, index, value)` : Soustrait atomiquement une valeur de l'élément à l'index spécifié dans un tableau typé.
• `Atomics.and(typedArray, index, value)` : Effectue atomiquement une opération ET au niveau du bit sur l'élément à l'index spécifié dans un tableau typé.
• `Atomics.or(typedArray, index, value)` : Effectue atomiquement une opération OU au niveau du bit sur l'élément à l'index spécifié dans un tableau typé.
• `Atomics.xor(typedArray, index, value)` : Effectue atomiquement une opération OU exclusif au niveau du bit sur l'élément à l'index spécifié dans un tableau typé.
• `Atomics.exchange(typedArray, index, value)` : Remplace atomiquement l'élément à l'index spécifié dans un tableau typé par une nouvelle valeur et renvoie l'ancienne valeur.
• `Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, newValue)` : Compare atomiquement l'élément à l'index spécifié dans un tableau typé avec une valeur attendue. S'ils sont égaux, l'élément est remplacé par une nouvelle valeur. Renvoie la valeur d'origine.
• `Atomics.load(typedArray, index)` : Charge atomiquement la valeur à l'index spécifié dans un tableau typé.
• `Atomics.store(typedArray, index, value)` : Stocke atomiquement une valeur à l'index spécifié dans un tableau typé.
• `Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout)` : Bloque le thread actuel jusqu'à ce que la valeur à l'index spécifié dans un tableau typé change ou que le délai d'attente expire.
• `Atomics.notify(typedArray, index, count)` : Réveille un nombre spécifié de threads qui attendent la valeur à l'index spécifié dans un tableau typé.

Voici un exemple d'utilisation de `Atomics.add` pour implémenter un compteur thread-safe :

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

function incrementCounter() {
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    Atomics.add(counter, 0, 1);
  }
}

const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

worker1.postMessage('start');
worker2.postMessage('start');

worker1.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 1 finished');
};

worker2.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 2 finished');
  console.log('Final counter value:', Atomics.load(counter, 0));
};

// worker.js
self.onmessage = function(event) {
  if (event.data === 'start') {
    incrementCounter();
    self.postMessage('done');
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

Dans cet exemple, le `counter` est stocké dans un `SharedArrayBuffer`, et `Atomics.add` est utilisé pour incrémenter le compteur atomiquement. Cela garantit que la valeur finale de `counter` est toujours 200000, même lorsque plusieurs threads l'incrémentent simultanément.

Verrous et sémaphores

Les verrous et les sémaphores sont des primitives de synchronisation qui peuvent être utilisées pour contrôler l'accès aux ressources partagées. Un verrou (également appelé mutex) permet à un seul thread d'accéder à une ressource partagée à la fois, tandis qu'un sémaphore permet à un nombre limité de threads d'accéder à une ressource partagée simultanément.

Implémentation des verrous avec Atomics

Les verrous peuvent être implémentés à l'aide des opérations `Atomics.compareExchange` et `Atomics.wait`/`Atomics.notify`. Voici un exemple d'implémentation de verrou simple :

            class Lock {
  constructor() {
    this.sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
    this.lock = new Int32Array(this.sab);
    this.UNLOCKED = 0;
    this.LOCKED = 1;
  }

  lockAcquire() {
    while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, this.UNLOCKED, this.LOCKED) !== this.UNLOCKED) {
      Atomics.wait(this.lock, 0, this.LOCKED, Number.POSITIVE_INFINITY); // Wait until unlocked
    }
  }

  lockRelease() {
    Atomics.store(this.lock, 0, this.UNLOCKED);
    Atomics.notify(this.lock, 0, 1); // Wake up one waiting thread
  }
}

// Usage
const lock = new Lock();

function criticalSection() {
  lock.lockAcquire();
  try {
    // Access shared resources safely here
    console.log('Critical section entered');
    // Simulate some work
    for (let i = 0; i < 1000; i++) {}
  } finally {
    lock.lockRelease();
    console.log('Critical section exited');
  }
}

const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

worker1.postMessage({ action: 'start', lockSab: lock.sab });
worker2.postMessage({ action: 'start', lockSab: lock.sab });

// worker.js
let lock;

class Lock {
  constructor(sab) {
    this.sab = sab;
    this.lock = new Int32Array(this.sab);
    this.UNLOCKED = 0;
    this.LOCKED = 1;
  }

  lockAcquire() {
    while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, this.UNLOCKED, this.LOCKED) !== this.UNLOCKED) {
      Atomics.wait(this.lock, 0, this.LOCKED, Number.POSITIVE_INFINITY);
    }
  }

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

self.onmessage = function(event) {
  if (event.data.action === 'start') {
    lock = new Lock(event.data.lockSab);
    for (let i = 0; i < 5; i++) {
      criticalSection();
    }
  }

  function criticalSection() {
    lock.lockAcquire();
    try {
      console.log('Worker ' + self.name + ': Critical section entered');
    } finally {
      lock.lockRelease();
      console.log('Worker ' + self.name + ': Critical section exited');
    }
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

Cet exemple montre comment utiliser `Atomics` pour implémenter un verrou simple qui peut être utilisé pour protéger les ressources partagées contre les accès concurrents. La méthode `lockAcquire` tente d'acquérir le verrou à l'aide de `Atomics.compareExchange`. Si le verrou est déjà détenu, le thread attend à l'aide de `Atomics.wait` jusqu'à ce que le verrou soit libéré. La méthode `lockRelease` libère le verrou en définissant la valeur du verrou sur `UNLOCKED` et en informant un thread en attente à l'aide de `Atomics.notify`.

Sémaphores

Un sémaphore est une primitive de synchronisation plus générale qu'un verrou. Il maintient un compte qui représente le nombre de ressources disponibles. Les threads peuvent acquérir une ressource en décrémentant le compte, et ils peuvent libérer une ressource en incrémentant le compte. Les sémaphores peuvent être utilisés pour contrôler l'accès à un nombre limité de ressources partagées simultanément.

Immutabilité

L'immutabilité est un paradigme de programmation qui met l'accent sur la création d'objets qui ne peuvent pas être modifiés après leur création. Lorsque les données sont immuables, il n'y a aucun risque de conditions de concurrence, car plusieurs threads peuvent accéder en toute sécurité aux données sans crainte de corruption. JavaScript prend en charge l'immutabilité grâce à l'utilisation de variables `const` et de structures de données immuables.

Structures de données immuables

Les bibliothèques comme Immutable.js fournissent des structures de données immuables telles que des listes, des cartes et des ensembles. Ces structures de données sont conçues pour être efficaces et performantes tout en garantissant que les données ne sont jamais modifiées en place. Au lieu de cela, les opérations sur les structures de données immuables renvoient de nouvelles instances avec les données mises à jour.

            const { Map, List } = require('immutable');

let myMap = Map({ a: 1, b: 2, c: 3 });

// Modifying the map returns a new map
let updatedMap = myMap.set('b', 4);

console.log(myMap.toJS()); // { a: 1, b: 2, c: 3 }
console.log(updatedMap.toJS()); // { a: 1, b: 4, c: 3 }

let myList = List([1, 2, 3]);
let updatedList = myList.push(4);

console.log(myList.toJS()); // [ 1, 2, 3 ]
console.log(updatedList.toJS()); // [ 1, 2, 3, 4 ]

            

              
                Copy
              
            
          

L'utilisation de structures de données immuables peut considérablement simplifier la gestion de la concurrence, car vous n'avez pas à vous soucier de synchroniser l'accès aux données partagées. Cependant, il est important d'être conscient que la création de nouveaux objets immuables peut entraîner une surcharge de performances, en particulier pour les grandes structures de données. Par conséquent, il est crucial de peser les avantages de l'immutabilité par rapport aux coûts de performance potentiels.

Passage de messages

Le passage de messages est un modèle de concurrence où les threads communiquent en s'envoyant des messages. Au lieu de partager directement des données, les threads échangent des informations par le biais de messages, qui sont généralement copiés ou sérialisés. Cela élimine le besoin de mémoire partagée et de primitives de synchronisation, ce qui facilite la raison sur la concurrence et évite les conditions de concurrence. Les Web Workers en JavaScript s'appuient sur le passage de messages pour la communication entre le thread principal et les threads de travail.

Communication Web Worker

Comme on le voit dans les exemples précédents, les Web Workers communiquent avec le thread principal à l'aide de la méthode `postMessage` et du gestionnaire d'événements `onmessage`. Ce mécanisme de passage de messages offre un moyen propre et sûr d'échanger des données entre les threads sans les risques associés à la mémoire partagée. Cependant, il est important d'être conscient que le passage de messages peut introduire une latence et une surcharge, car les données doivent être sérialisées et désérialisées lors de l'envoi entre les threads.

Modèle d'acteur

Le modèle d'acteur est un modèle de concurrence où le calcul est effectué par des acteurs, qui sont des entités indépendantes qui communiquent entre elles par le biais de messages asynchrones. Chaque acteur a son propre état et ne peut modifier son propre état qu'en réponse aux messages entrants. Cette isolation de l'état élimine le besoin de verrous et d'autres primitives de synchronisation, ce qui facilite la construction de systèmes concurrents et distribués.

Bibliothèques d'acteurs

Bien que JavaScript ne dispose pas d'une prise en charge intégrée du modèle d'acteur, plusieurs bibliothèques implémentent ce modèle. Ces bibliothèques fournissent un cadre pour créer et gérer des acteurs, envoyer des messages entre les acteurs et gérer les événements asynchrones. Le modèle d'acteur peut être un outil puissant pour la création d'applications hautement concurrentes et évolutives, mais il nécessite également une manière différente de penser la conception des programmes.

Meilleures pratiques pour la sécurité des threads en JavaScript

La création d'applications JavaScript thread-safe nécessite une planification minutieuse et une attention aux détails. Voici quelques bonnes pratiques à suivre :

• Minimiser l'état partagé : Moins il y a d'état partagé, moins il y a de risques de conditions de concurrence. Essayez d'encapsuler l'état dans des threads ou des acteurs individuels et de communiquer par le biais du passage de messages.
• Utiliser des opérations atomiques lorsque cela est possible : Lorsque l'état partagé est inévitable, utilisez des opérations atomiques pour vous assurer que les données sont modifiées en toute sécurité.
• Envisager l'immutabilité : L'immutabilité peut éliminer complètement le besoin de primitives de synchronisation, ce qui facilite la raison sur la concurrence.
• Utiliser les verrous et les sémaphores avec parcimonie : Les verrous et les sémaphores peuvent introduire une surcharge de performances et de la complexité. Utilisez-les uniquement lorsque cela est nécessaire et assurez-vous qu'ils sont utilisés correctement pour éviter les blocages.
• Tester à fond : Testez minutieusement votre code concurrent pour identifier et corriger les conditions de concurrence et autres bogues liés à la concurrence. Utilisez des outils tels que des tests de résistance à la concurrence pour simuler des scénarios de charge élevée et exposer les problèmes potentiels.
• Suivre les normes de codage : Respectez les normes de codage et les meilleures pratiques pour améliorer la lisibilité et la maintenabilité de votre code concurrent.
• Utiliser des linters et des outils d'analyse statique : Utilisez des linters et des outils d'analyse statique pour identifier les problèmes de concurrence potentiels au début du processus de développement.

Exemples concrets

La sécurité des threads est essentielle dans une variété d'applications JavaScript réelles :

• Serveurs Web : Les serveurs Web Node.js gèrent plusieurs requêtes simultanées. Assurer la sécurité des threads est crucial pour maintenir l'intégrité des données et éviter les plantages. Par exemple, si un serveur gère les données de session utilisateur, l'accès simultané au magasin de sessions doit être soigneusement synchronisé.
• Applications en temps réel : Les applications comme les serveurs de discussion et les jeux en ligne nécessitent une faible latence et un débit élevé. La sécurité des threads est essentielle pour gérer les connexions simultanées et mettre à jour l'état du jeu.
• Traitement des données : Les applications qui effectuent un traitement des données, telles que la retouche d'images ou l'encodage vidéo, peuvent bénéficier de la concurrence. La sécurité des threads est nécessaire pour garantir que les données sont traitées correctement et que les résultats sont cohérents.
• Informatique scientifique : Les applications scientifiques impliquent souvent des calculs complexes qui peuvent être parallélisés à l'aide de Web Workers. La sécurité des threads est essentielle pour garantir que les résultats de ces calculs sont précis.
• Systèmes financiers : Les applications financières nécessitent une grande précision et fiabilité. La sécurité des threads est essentielle pour éviter la corruption des données et garantir que les transactions sont traitées correctement. Par exemple, considérez une plateforme de négociation d'actions où plusieurs utilisateurs passent des ordres simultanément.

Conclusion

La sécurité des threads est un aspect essentiel de la création d'applications JavaScript robustes et fiables. Bien que la nature mono-thread de JavaScript simplifie de nombreux problèmes de concurrence, l'introduction des Web Workers et de la programmation asynchrone nécessite une attention particulière à la synchronisation et à l'intégrité des données. En comprenant les défis de la sécurité des threads et en employant des modèles de concurrence et des structures de données appropriés, les développeurs peuvent créer des applications hautement concurrentes et évolutives qui résistent aux conditions de concurrence et à la corruption des données. Adopter l'immutabilité, utiliser des opérations atomiques et gérer soigneusement l'état partagé sont des stratégies clés pour maîtriser la sécurité des threads en JavaScript.

Au fur et à mesure que JavaScript continue d'évoluer et d'adopter davantage de fonctionnalités de concurrence, l'importance de la sécurité des threads ne fera qu'augmenter. En se tenant au courant des dernières techniques et des meilleures pratiques, les développeurs peuvent s'assurer que leurs applications restent robustes, fiables et performantes face à une complexité croissante.