JavaScriptの同時実行コレクションのスレッドセーフ: スレッドセーフなデータ構造のマスター

JavaScriptアプリケーションの複雑さが増すにつれて、効率的で信頼性の高い並行処理管理の必要性がますます重要になっています。JavaScriptは伝統的にシングルスレッドですが、Node.jsやWebブラウザなどの最新の環境では、Web Workersや非同期操作を通じて並行処理のメカニズムが提供されています。これにより、複数のスレッドまたは非同期タスクが共有データにアクセスして変更する場合に、競合状態やデータの破損が発生する可能性があります。この記事では、JavaScriptの同時実行コレクションにおけるスレッドセーフの課題を探求し、堅牢で信頼性の高いアプリケーションを構築するための実践的な戦略を提供します。

JavaScriptにおける並行処理の理解

JavaScriptのイベントループは、非同期プログラミングを可能にし、操作がメインスレッドをブロックすることなく実行されることを可能にします。これは並行性を提供しますが、マルチスレッド言語に見られるような真の並列処理を本質的に提供するものではありません。ただし、Web Workersは、別のスレッドでJavaScriptコードを実行する手段を提供し、真の並列処理を可能にします。この機能は、メインスレッドをブロックしてしまう可能性のある計算量の多いタスクにとって特に重要であり、ユーザーエクスペリエンスを低下させる可能性があります。

Web Workers: JavaScriptのマルチスレッドへの回答

Web Workersは、メインスレッドとは独立して実行されるバックグラウンドスクリプトです。それらは、メッセージパッシングシステムを使用してメインスレッドと通信します。この分離により、Web Workerでのエラーや長時間実行されるタスクがメインスレッドの応答性に影響を与えることはありません。Web Workersは、画像処理、複雑な計算、データ分析などのタスクに最適です。

非同期プログラミングとイベントループ

ネットワークリクエストやファイルI/Oなどの非同期操作は、イベントループによって処理されます。非同期操作が開始されると、ブラウザまたはNode.jsランタイムに引き渡されます。操作が完了すると、コールバック関数がイベントループキューに配置されます。イベントループは、メインスレッドが利用可能になるとコールバックを実行します。このノンブロッキングアプローチにより、JavaScriptは複数の操作を同時に処理でき、ユーザーインターフェースをフリーズさせません。

スレッドセーフの課題

スレッドセーフとは、複数のスレッドが共有データに同時にアクセスした場合でも、プログラムが正しく実行できる能力を指します。シングルスレッド環境では、一度に1つの操作しか実行できないため、通常、スレッドセーフは問題になりません。ただし、複数のスレッドまたは非同期タスクが共有データにアクセスして変更する場合、競合状態が発生し、予測不能で潜在的に悲惨な結果につながる可能性があります。競合状態は、計算の結果が複数のスレッドが実行される予測不能な順序に依存する場合に発生します。

競合状態: エラーの一般的な原因

競合状態は、複数のスレッドが共有データに同時にアクセスして変更し、最終的な結果がスレッドが実行される特定の順序に依存する場合に発生します。2つのスレッドが共有カウンターをインクリメントする簡単な例を考えてみましょう。

            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
              
            
          

理想的には、`counter`の最終的な値は200000である必要があります。ただし、競合状態により、実際の値は大幅に小さくなることがよくあります。これは、両方のスレッドが同時に`counter`を読み書きしており、更新が予測不能な方法でインターリーブされる可能性があるため、更新が失われる可能性があります。

データの破損: 深刻な結果

競合状態は、共有データが矛盾したり無効になったりするデータの破損につながる可能性があります。これは、金融システム、医療機器、制御システムなど、正確なデータに依存するアプリケーションでは深刻な結果をもたらす可能性があります。データの破損は、症状が断続的で予測不能であるため、検出とデバッグが困難な場合があります。

JavaScriptのスレッドセーフなデータ構造

競合状態とデータの破損のリスクを軽減するには、スレッドセーフなデータ構造と並行処理パターンを使用することが不可欠です。スレッドセーフなデータ構造は、共有データへの同時アクセスが同期され、データの整合性が維持されるように設計されています。JavaScriptには、Javaの`ConcurrentHashMap`のように、組み込みのスレッドセーフなデータ構造はありませんが、スレッドセーフを実現するために使用できるいくつかの戦略があります。

アトミック操作

アトミック操作は、単一の不可分なユニットとして実行されることが保証されている操作です。つまり、他のスレッドは、アトミック操作が進行中に割り込むことはできません。アトミック操作は、スレッドセーフなデータ構造と並行処理制御の基本的な構成要素です。JavaScriptは、SharedArrayBuffer APIの一部である`Atomics`オブジェクトを通じて、アトミック操作の限定的なサポートを提供しています。

SharedArrayBuffer

`SharedArrayBuffer`は、複数のWeb Workersが同じメモリにアクセスして変更できるデータ構造です。これにより、スレッド間で効率的にデータを共有できますが、競合状態の可能性も生じます。`Atomics`オブジェクトは、`SharedArrayBuffer`のデータを安全に操作するために使用できる一連のアトミック操作を提供します。

Atomics API

`Atomics` APIは、以下を含むさまざまなアトミック操作を提供します。

• `Atomics.add(typedArray, index, value)`: 指定されたインデックスにある要素に値をアトミックに加算します。
• `Atomics.sub(typedArray, index, value)`: 指定されたインデックスにある要素から値をアトミックに減算します。
• `Atomics.and(typedArray, index, value)`: 指定されたインデックスにある要素に対してビット単位のAND演算をアトミックに実行します。
• `Atomics.or(typedArray, index, value)`: 指定されたインデックスにある要素に対してビット単位のOR演算をアトミックに実行します。
• `Atomics.xor(typedArray, index, value)`: 指定されたインデックスにある要素に対してビット単位のXOR演算をアトミックに実行します。
• `Atomics.exchange(typedArray, index, value)`: 指定されたインデックスにある要素を新しい値にアトミックに置き換え、古い値を返します。
• `Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, newValue)`: 指定されたインデックスにある要素を期待される値と比較します。それらが等しい場合、要素は新しい値に置き換えられます。元の値を返します。
• `Atomics.load(typedArray, index)`: 指定されたインデックスにある値をアトミックに読み込みます。
• `Atomics.store(typedArray, index, value)`: 指定されたインデックスに値をアトミックに格納します。
• `Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout)`: 指定されたインデックスにある値が変更されるか、タイムアウトが期限切れになるまで、現在のスレッドをブロックします。
• `Atomics.notify(typedArray, index, count)`: 指定されたインデックスにある値を待機している指定された数のスレッドをウェイクアップします。

`Atomics.add`を使用してスレッドセーフなカウンターを実装する例を次に示します。

            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
              
            
          

この例では、`counter`は`SharedArrayBuffer`に格納され、`Atomics.add`を使用してカウンターをアトミックにインクリメントします。これにより、複数のスレッドが同時にインクリメントしていても、`counter`の最終的な値が常に200000になることが保証されます。

ロックとセマフォ

ロックとセマフォは、共有リソースへのアクセスを制御するために使用できる同期プリミティブです。ロック（ミューテックスとも呼ばれます）は、一度に1つのスレッドのみが共有リソースにアクセスできるようにしますが、セマフォは、限られた数のスレッドが共有リソースに同時にアクセスできるようにします。

Atomicsを使用したロックの実装

ロックは、`Atomics.compareExchange`および`Atomics.wait`/`Atomics.notify`操作を使用して実装できます。シンプルなロック実装の例を次に示します。

            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
              
            
          

この例では、`Atomics`を使用して、共有リソースを同時アクセスから保護するために使用できるシンプルなロックを実装する方法を示しています。`lockAcquire`メソッドは、`Atomics.compareExchange`を使用してロックの取得を試みます。ロックがすでに保持されている場合、スレッドは`Atomics.wait`を使用して、ロックが解放されるまで待機します。`lockRelease`メソッドは、ロック値を`UNLOCKED`に設定し、`Atomics.notify`を使用して待機中のスレッドに通知することにより、ロックを解放します。

セマフォ

セマフォは、ロックよりも一般的な同期プリミティブです。利用可能なリソースの数を表すカウントを維持します。スレッドはカウントをデクリメントすることによりリソースを取得でき、カウントをインクリメントすることによりリソースを解放できます。セマフォは、限られた数の共有リソースへのアクセスを同時に制御するために使用できます。

イミュータビリティ

イミュータビリティは、作成後に変更できないオブジェクトの作成を強調するプログラミングパラダイムです。データが不変の場合、複数のスレッドがデータの破損を恐れることなく安全にデータにアクセスできるため、競合状態のリスクはありません。JavaScriptは、`const`変数と不変データ構造の使用を通じてイミュータビリティをサポートしています。

不変データ構造

Immutable.jsのようなライブラリは、リスト、マップ、セットなどの不変データ構造を提供します。これらのデータ構造は、データがインプレースで変更されないことを保証しながら、効率的で高性能になるように設計されています。代わりに、不変データ構造に対する操作は、更新されたデータを持つ新しいインスタンスを返します。

            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
              
            
          

不変データ構造を使用すると、共有データへのアクセスを同期させる必要がないため、並行処理管理を大幅に簡素化できます。ただし、新しい不変オブジェクトを作成すると、特に大規模なデータ構造の場合、パフォーマンスのオーバーヘッドが発生する可能性があることに注意することが重要です。したがって、イミュータビリティの利点と潜在的なパフォーマンスコストを比較検討することが重要です。

メッセージパッシング

メッセージパッシングは、スレッドが互いにメッセージを送信して通信する並行処理パターンです。データを直接共有する代わりに、スレッドは通常コピーまたはシリアル化されるメッセージを介して情報を交換します。これにより、共有メモリと同期プリミティブが不要になり、並行処理を理解しやすくなり、競合状態を回避できます。JavaScriptのWeb Workersは、メインスレッドとワーカースレッド間の通信にメッセージパッシングを利用しています。

Web Workerの通信

前の例で見たように、Web Workersは`postMessage`メソッドと`onmessage`イベントハンドラーを使用してメインスレッドと通信します。このメッセージパッシングメカニズムは、共有メモリに関連するリスクなしに、スレッド間でデータを交換するためのクリーンで安全な方法を提供します。ただし、メッセージパッシングは、スレッド間でデータを送信する際にシリアル化とデシリアル化が必要になるため、レイテンシとオーバーヘッドが発生する可能性があることに注意することが重要です。

アクターモデル

アクターモデルは、計算がアクターによって実行される並行処理モデルであり、アクターは非同期メッセージパッシングを介して互いに通信する独立したエンティティです。各アクターは独自の状態を持ち、受信メッセージに応答してのみ自分の状態を変更できます。この状態の分離により、ロックやその他の同期プリミティブが不要になり、並行システムと分散システムを簡単に構築できます。

アクターライブラリ

JavaScriptにはアクターモデルの組み込みサポートはありませんが、いくつかのライブラリがこのパターンを実装しています。これらのライブラリは、アクターの作成と管理、アクター間のメッセージの送信、および非同期イベントの処理のためのフレームワークを提供します。アクターモデルは、高度に並行してスケーラブルなアプリケーションを構築するための強力なツールになる可能性がありますが、プログラム設計に関する別の考え方も必要です。

JavaScriptのスレッドセーフのためのベストプラクティス

スレッドセーフなJavaScriptアプリケーションを構築するには、注意深い計画と細部への注意が必要です。従うべきベストプラクティスを次に示します。

• 共有状態を最小限に抑える: 共有状態が少ないほど、競合状態のリスクが少なくなります。個々のスレッドまたはアクター内に状態をカプセル化し、メッセージパッシングを介して通信するようにしてください。
• 可能な場合はアトミック操作を使用する: 共有状態が避けられない場合は、アトミック操作を使用してデータを安全に変更します。
• イミュータビリティを検討する: イミュータビリティは、同期プリミティブの必要性を完全に排除し、並行処理を理解しやすくすることができます。
• ロックとセマフォを控えめに使用する: ロックとセマフォは、パフォーマンスのオーバーヘッドと複雑さを導入する可能性があります。必要な場合にのみ使用し、デッドロックを回避するために正しく使用されていることを確認してください。
• 徹底的にテストする: 競合状態やその他の並行性関連のバグを特定して修正するために、並行コードを徹底的にテストします。高負荷シナリオをシミュレートし、潜在的な問題を公開するために、並行性ストレステストなどのツールを使用します。
• コーディングスタンダードに従う: 並行コードの可読性と保守性を向上させるために、コーディングスタンダードとベストプラクティスを順守します。
• リンターと静的解析ツールを使用する: 開発プロセスの早い段階で潜在的な並行性問題を特定するために、リンターと静的解析ツールを使用します。

実際の例

スレッドセーフは、さまざまな実際のJavaScriptアプリケーションで重要です。

• Webサーバー: Node.js Webサーバーは、複数の同時リクエストを処理します。データの整合性を維持し、クラッシュを防止するには、スレッドセーフを確保することが不可欠です。たとえば、サーバーがユーザーセッションデータを管理する場合、セッションストアへの同時アクセスを注意深く同期する必要があります。
• リアルタイムアプリケーション: チャットサーバーやオンラインゲームなどのアプリケーションでは、低レイテンシと高スループットが必要です。同時接続を処理し、ゲームの状態を更新するには、スレッドセーフが不可欠です。
• データ処理: 画像編集やビデオエンコーディングなど、データ処理を実行するアプリケーションは、並行処理の恩恵を受けることができます。データが正しく処理され、結果が整合性があることを確認するには、スレッドセーフが必要です。
• 科学計算: 科学アプリケーションには、Web Workersを使用して並列化できる複雑な計算が含まれることがよくあります。これらの計算の結果が正確であることを確認するには、スレッドセーフが重要です。
• 金融システム: 金融アプリケーションには、高い精度と信頼性が求められます。データの破損を防ぎ、トランザクションが正しく処理されることを確認するには、スレッドセーフが不可欠です。たとえば、複数のユーザーが同時に注文を行っている株式取引プラットフォームを考えてみましょう。

結論

スレッドセーフは、堅牢で信頼性の高いJavaScriptアプリケーションを構築するための重要な側面です。JavaScriptのシングルスレッドの性質により、多くの並行処理の問題が簡素化されますが、Web Workersと非同期プログラミングの導入により、同期とデータの整合性に注意を払う必要があります。スレッドセーフの課題を理解し、適切な並行処理パターンとデータ構造を採用することにより、開発者は、競合状態やデータの破損に対して回復力のある、高度に並行してスケーラブルなアプリケーションを構築できます。イミュータビリティを採用し、アトミック操作を使用し、共有状態を慎重に管理することが、JavaScriptでスレッドセーフをマスターするための主要な戦略です。

JavaScriptが進化を続け、より多くの並行処理機能を組み込むにつれて、スレッドセーフの重要性は高まる一方です。最新のテクニックとベストプラクティスについて情報を得ることで、開発者は、複雑さが増す中で、アプリケーションが堅牢で、信頼性が高く、高性能であることを保証できます。