M

MLOG

Hrvatski

Otključajte pravo višenitno programiranje u JavaScriptu. Ovaj sveobuhvatni vodič pokriva SharedArrayBuffer, Atomics, Web Workere i sigurnosne zahtjeve za web aplikacije visokih performansi.

JavaScript SharedArrayBuffer: Dubinski pregled konkurentnog programiranja na webu

Desetljećima je jednonitna priroda JavaScripta bila istovremeno izvor njegove jednostavnosti i značajno usko grlo u performansama. Model petlje događaja (event loop) izvrsno funkcionira za većinu zadataka vođenih korisničkim sučeljem, ali nailazi na poteškoće kada se suoči s računski intenzivnim operacijama. Dugotrajni izračuni mogu zamrznuti preglednik, stvarajući frustrirajuće korisničko iskustvo. Iako su Web Workeri ponudili djelomično rješenje omogućavajući izvođenje skripti u pozadini, dolazili su s vlastitim velikim ograničenjem: neučinkovitom komunikacijom podataka.

Tu nastupa SharedArrayBuffer (SAB), moćna značajka koja iz temelja mijenja igru uvođenjem pravog, nisko-razinskog dijeljenja memorije između niti na webu. Uparen s objektom Atomics, SAB otključava novu eru konkurentnih aplikacija visokih performansi izravno u pregledniku. Međutim, s velikom moći dolazi i velika odgovornost—i složenost.

Ovaj vodič će vas provesti kroz dubinski pregled svijeta konkurentnog programiranja u JavaScriptu. Istražit ćemo zašto nam je potrebno, kako SharedArrayBuffer i Atomics funkcioniraju, ključna sigurnosna razmatranja koja morate riješiti te praktične primjere kako biste započeli.

Stari svijet: JavaScriptov jednonitni model i njegova ograničenja

Prije nego što možemo cijeniti rješenje, moramo u potpunosti razumjeti problem. Izvršavanje JavaScripta u pregledniku tradicionalno se događa na jednoj niti, često nazivana "glavna nit" ili "UI nit".

Petlja događaja (The Event Loop)

Glavna nit je odgovorna za sve: izvršavanje vašeg JavaScript koda, iscrtavanje stranice, odgovaranje na interakcije korisnika (poput klikova i pomicanja) te pokretanje CSS animacija. Upravlja tim zadacima koristeći petlju događaja, koja neprestano obrađuje red poruka (zadataka). Ako zadatak traje dugo, blokira cijeli red. Ništa se drugo ne može dogoditi—korisničko sučelje se zamrzava, animacije trzaju, a stranica postaje neodzivna.

Web Workeri: Korak u pravom smjeru

Web Workeri su uvedeni kako bi se ublažio ovaj problem. Web Worker je u suštini skripta koja se izvodi na zasebnoj pozadinskoj niti. Možete prebaciti teške izračune na workera, oslobađajući glavnu nit da se bavi korisničkim sučeljem.

Komunikacija između glavne niti i workera odvija se putem postMessage() API-ja. Kada šaljete podatke, oni se obrađuju algoritmom strukturiranog kloniranja. To znači da se podaci serijaliziraju, kopiraju, a zatim deserijaliziraju u kontekstu workera. Iako je učinkovit, ovaj proces ima značajne nedostatke za velike skupove podataka:

Zamislite uređivač videozapisa u pregledniku. Slanje cijelog video okvira (koji može biti nekoliko megabajta) naprijed-natrag workeru za obradu 60 puta u sekundi bilo bi prohibitivno skupo. To je točno problem koji je SharedArrayBuffer dizajniran da riješi.

Mijenjač pravila igre: Uvod u SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer je spremnik sirovih binarnih podataka fiksne duljine, sličan ArrayBufferu. Ključna razlika je u tome što se SharedArrayBuffer može dijeliti između više niti (npr. glavne niti i jednog ili više Web Workera). Kada "šaljete" SharedArrayBuffer koristeći postMessage(), ne šaljete kopiju; šaljete referencu na isti blok memorije.

To znači da su sve promjene napravljene na podacima u spremniku od strane jedne niti trenutno vidljive svim ostalim nitima koje imaju referencu na njega. To eliminira skupi korak kopiranja i serijalizacije, omogućujući gotovo trenutno dijeljenje podataka.

Razmišljajte o tome ovako:

Opasnost dijeljene memorije: Utrkivanje (Race Conditions)

Trenutno dijeljenje memorije je moćno, ali također uvodi klasičan problem iz svijeta konkurentnog programiranja: utrkivanje (race conditions).

Stanje utrke događa se kada više niti pokušava istovremeno pristupiti i mijenjati iste dijeljene podatke, a konačni ishod ovisi o nepredvidivom redoslijedu kojim se izvršavaju. Razmotrite jednostavan brojač pohranjen u SharedArrayBufferu. I glavna nit i worker ga žele povećati.

  1. Nit A čita trenutnu vrijednost, koja je 5.
  2. Prije nego što Nit A može zapisati novu vrijednost, operativni sustav je pauzira i prebacuje se na Nit B.
  3. Nit B čita trenutnu vrijednost, koja je još uvijek 5.
  4. Nit B izračunava novu vrijednost (6) i zapisuje je natrag u memoriju.
  5. Sustav se vraća na Nit A. Ona ne zna da je Nit B išta učinila. Nastavlja odakle je stala, izračunavajući svoju novu vrijednost (5 + 1 = 6) i zapisujući 6 natrag u memoriju.

Iako je brojač povećan dva puta, konačna vrijednost je 6, a ne 7. Operacije nisu bile atomske—bile su prekidive, što je dovelo do gubitka podataka. To je točno razlog zašto ne možete koristiti SharedArrayBuffer bez njegovog ključnog partnera: objekta Atomics.

Čuvar dijeljene memorije: Objekt Atomics

Objekt Atomics pruža skup statičkih metoda za izvođenje atomskih operacija na objektima SharedArrayBuffer. Atomska operacija zajamčeno se izvršava u cijelosti bez prekida od strane bilo koje druge operacije. Ili se dogodi u potpunosti ili se ne dogodi uopće.

Korištenje Atomics objekta sprječava utrkivanje osiguravajući da se operacije čitanja-mijenjanja-pisanja na dijeljenoj memoriji izvode sigurno.

Ključne metode objekta Atomics

Pogledajmo neke od najvažnijih metoda koje pruža Atomics.

Sinkronizacija: Iznad jednostavnih operacija

Ponekad trebate više od sigurnog čitanja i pisanja. Trebate da se niti koordiniraju i čekaju jedna na drugu. Uobičajeni antipattern je "aktivno čekanje", gdje nit sjedi u uskoj petlji, neprestano provjeravajući memorijsku lokaciju za promjenom. To troši cikluse procesora i crpi bateriju.

Atomics pruža mnogo učinkovitije rješenje s wait() i notify().

Sve zajedno: Praktični vodič

Sada kada razumijemo teoriju, prođimo kroz korake implementacije rješenja koristeći SharedArrayBuffer.

Korak 1: Sigurnosni preduvjet - Izolacija unakrsnog podrijetla

Ovo je najčešća prepreka za programere. Iz sigurnosnih razloga, SharedArrayBuffer je dostupan samo na stranicama koje su u stanju izolacije unakrsnog podrijetla. Ovo je sigurnosna mjera za ublažavanje ranjivosti spekulativnog izvršavanja poput Spectre, koje bi potencijalno mogle koristiti tajmere visoke rezolucije (omogućene dijeljenom memorijom) za curenje podataka između podrijetla.

Da biste omogućili izolaciju unakrsnog podrijetla, morate konfigurirati svoj web poslužitelj da šalje dva specifična HTTP zaglavlja za vaš glavni dokument:


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

Ovo može biti izazovno za postaviti, pogotovo ako se oslanjate na skripte ili resurse trećih strana koji ne pružaju potrebna zaglavlja. Nakon konfiguriranja poslužitelja, možete provjeriti je li vaša stranica izolirana provjerom svojstva self.crossOriginIsolated u konzoli preglednika. Mora biti true.

Korak 2: Stvaranje i dijeljenje spremnika

U vašoj glavnoj skripti stvarate SharedArrayBuffer i "pogled" na njega koristeći TypedArray poput Int32Array.

main.js:


// Prvo provjerite izolaciju unakrsnog podrijetla!
if (!self.crossOriginIsolated) {
  console.error("Ova stranica nije izolirana unakrsnog podrijetla. SharedArrayBuffer neće biti dostupan.");
} else {
  // Stvorite dijeljeni spremnik za jedan 32-bitni cijeli broj.
  const buffer = new SharedArrayBuffer(4);

  // Stvorite pogled na spremnik. Sve atomske operacije događaju se na pogledu.
  const int32Array = new Int32Array(buffer);

  // Inicijalizirajte vrijednost na indeksu 0.
  int32Array[0] = 0;

  // Stvorite novog workera.
  const worker = new Worker('worker.js');

  // Pošaljite DIJELJENI spremnik workeru. Ovo je prijenos reference, ne kopija.
  worker.postMessage({ buffer });

  // Slušajte poruke od workera.
  worker.onmessage = (event) => {
    console.log(`Worker je izvijestio o završetku. Konačna vrijednost: ${Atomics.load(int32Array, 0)}`);
  };
}

Korak 3: Izvođenje atomskih operacija u Workeru

Worker prima spremnik i sada može na njemu izvoditi atomske operacije.

worker.js:


self.onmessage = (event) => {
  const { buffer } = event.data;
  const int32Array = new Int32Array(buffer);

  console.log("Worker je primio dijeljeni spremnik.");

  // Izvršimo neke atomske operacije.
  for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
    // Sigurno povećajmo dijeljenu vrijednost.
    Atomics.add(int32Array, 0, 1);
  }

  console.log("Worker je završio s povećavanjem.");

  // Signalizirajmo glavnoj niti da smo gotovi.
  self.postMessage({ done: true });
};

Korak 4: Napredniji primjer - Paralelno zbrajanje sa sinkronizacijom

Riješimo realističniji problem: zbrajanje vrlo velikog niza brojeva koristeći više workera. Koristit ćemo Atomics.wait() i Atomics.notify() za učinkovitu sinkronizaciju.

Naš dijeljeni spremnik imat će tri dijela:

main.js:


if (self.crossOriginIsolated) {
  const NUM_WORKERS = 4;
  const DATA_SIZE = 10_000_000;

  // [status, workers_finished, result_low, result_high]
  // Koristimo dva 32-bitna cijela broja za rezultat kako bismo izbjegli prelijevanje za velike zbrojeve.
  const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(4 * 4); // 4 cijela broja
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

  // Generirajte neke nasumične podatke za obradu
  const data = new Uint8Array(DATA_SIZE);
  for (let i = 0; i < DATA_SIZE; i++) {
    data[i] = Math.floor(Math.random() * 10);
  }

  const chunkSize = Math.ceil(DATA_SIZE / NUM_WORKERS);

  for (let i = 0; i < NUM_WORKERS; i++) {
    const worker = new Worker('sum_worker.js');
    const start = i * chunkSize;
    const end = Math.min(start + chunkSize, DATA_SIZE);
    
    // Stvorite nedijeljeni pogled za dio podataka workera
    const dataChunk = data.subarray(start, end);

    worker.postMessage({ 
      sharedBuffer,
      dataChunk // Ovo se kopira
    });
  }

  console.log('Glavna nit sada čeka da workeri završe...');

  // Čekaj da zastavica statusa na indeksu 0 postane 1
  // Ovo je puno bolje od while petlje!
  Atomics.wait(sharedArray, 0, 0); // Čekaj ako je sharedArray[0] jednak 0

  console.log('Glavna nit je probuđena!');
  const finalSum = Atomics.load(sharedArray, 2);
  console.log(`Konačni paralelni zbroj je: ${finalSum}`);

} else {
  console.error('Stranica nije izolirana unakrsnog podrijetla.');
}

sum_worker.js:


self.onmessage = ({ data }) => {
  const { sharedBuffer, dataChunk } = data;
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

  // Izračunaj zbroj za dio podataka ovog workera
  let localSum = 0;
  for (let i = 0; i < dataChunk.length; i++) {
    localSum += dataChunk[i];
  }

  // Atomski dodaj lokalni zbroj u dijeljeni ukupni zbroj
  Atomics.add(sharedArray, 2, localSum);

  // Atomski povećaj brojač 'završenih workera'
  const finishedCount = Atomics.add(sharedArray, 1, 1) + 1;

  // Ako je ovo posljednji worker koji je završio...
  const NUM_WORKERS = 4; // U pravoj aplikaciji bi se trebalo proslijediti
  if (finishedCount === NUM_WORKERS) {
    console.log('Posljednji worker je završio. Obavještavam glavnu nit.');

    // 1. Postavi zastavicu statusa na 1 (završeno)
    Atomics.store(sharedArray, 0, 1);

    // 2. Obavijesti glavnu nit, koja čeka na indeksu 0
    Atomics.notify(sharedArray, 0, 1);
  }
};

Primjeri upotrebe i primjene u stvarnom svijetu

Gdje ova moćna, ali složena tehnologija zapravo čini razliku? Izvrsna je u aplikacijama koje zahtijevaju teško, paralelizabilno računanje na velikim skupovima podataka.

Izazovi i završna razmatranja

Iako je SharedArrayBuffer transformativan, nije čarobno rješenje. To je nisko-razinski alat koji zahtijeva pažljivo rukovanje.

  1. Složenost: Konkurentno programiranje je notorno teško. Ispravljanje grešaka poput utrkivanja i mrtvih petlji (deadlocks) može biti nevjerojatno izazovno. Morate razmišljati drugačije o tome kako se upravlja stanjem vaše aplikacije.
  2. Mrtve petlje (Deadlocks): Mrtva petlja nastaje kada su dvije ili više niti zauvijek blokirane, svaka čekajući da druga oslobodi resurs. To se može dogoditi ako neispravno implementirate složene mehanizme zaključavanja.
  3. Sigurnosni troškovi: Zahtjev za izolacijom unakrsnog podrijetla značajna je prepreka. Može poremetiti integracije s uslugama trećih strana, oglasima i platnim prolazima ako ne podržavaju potrebna CORS/CORP zaglavlja.
  4. Nije za svaki problem: Za jednostavne pozadinske zadatke ili I/O operacije, tradicionalni model Web Workera s postMessage() često je jednostavniji i dovoljan. Posegnite za SharedArrayBuffer samo kada imate jasan, procesorski vezan problem koji uključuje velike količine podataka.

Zaključak

SharedArrayBuffer, u kombinaciji s Atomics i Web Workerima, predstavlja promjenu paradigme za web razvoj. On ruši granice jednonitnog modela, pozivajući novu klasu moćnih, performansnih i složenih aplikacija u preglednik. Postavlja web platformu na ravnopravniju osnovu s razvojem nativnih aplikacija za računski intenzivne zadatke.

Putovanje u konkurentni JavaScript je izazovno i zahtijeva rigorozan pristup upravljanju stanjem, sinkronizaciji i sigurnosti. Ali za programere koji žele pomaknuti granice onoga što je moguće na webu—od sinteze zvuka u stvarnom vremenu do složenog 3D iscrtavanja i znanstvenog računarstva—ovladavanje SharedArrayBufferom više nije samo opcija; to je ključna vještina za izgradnju sljedeće generacije web aplikacija.