Web Locks API: リソース同期と同時アクセス制御

現代のWeb開発の世界では、堅牢で応答性の高いアプリケーションを構築するために、共有リソースの管理と同時アクセスの処理が頻繁に必要となります。アプリケーションの複数の部分や、複数のブラウザタブやウィンドウが同時に同じデータにアクセスして変更しようとすると、競合状態やデータの破損が発生する可能性があります。Web Locks APIは、これらのリソースへのアクセスを同期するためのメカニズムを提供し、データの整合性を保証し、予期しない動作を防ぎます。

リソース同期の必要性を理解する

ユーザーがWebアプリケーションでドキュメントを編集しているシナリオを考えてみましょう。同じドキュメントが複数のブラウザタブで開かれているかもしれませんし、アプリケーションがバックグラウンドで定期的にドキュメントを保存するプロセスを持っているかもしれません。適切な同期がなければ、あるタブで行われた変更が別のタブで行われた変更によって上書きされ、データの損失やユーザーエクスペリエンスの低下につながる可能性があります。同様に、eコマースアプリケーションでは、複数のユーザーが在庫最後のアイテムを同時に購入しようとすることがあります。過剰販売を防ぐメカニズムがなければ、 fulfillment できない注文が行われ、顧客の不満につながる可能性があります。

サーバーサイドのロックメカニズムのみに頼るなど、同時実行性を管理するための従来のアプローチは、かなりのレイテンシと複雑さを引き起こす可能性があります。Web Locks APIは、開発者がブラウザ内で直接リソースへのアクセスを調整できるクライアントサイドのソリューションを提供し、パフォーマンスを向上させ、サーバーへの負荷を軽減します。

Web Locks APIの紹介

Web Locks APIは、Webアプリケーション内の名前付きリソースに対してロックを取得および解放できるJavaScript APIです。これらのロックは排他的であり、つまり、特定の時間に特定のリソースに対するロックを保持できるコードは1つだけです。この排他性により、共有データにアクセスして変更するクリティカルセクションのコードが、制御された予測可能な方法で実行されることが保証されます。

このAPIは非同期に設計されており、Promiseを使用してロックが取得または解放されたときに通知します。このノンブロッキングな性質により、ロックを待っている間にUIがフリーズするのを防ぎ、応答性の高いユーザーエクスペリエンスを保証します。

主要な概念と用語

• ロック名: ロックによって保護されているリソースを識別する文字列。この名前は、同じリソース上のロックを取得および解放するために使用されます。ロック名は大文字と小文字を区別します。
• ロックモード: 要求されるロックの種類を指定します。APIは2つのモードをサポートしています:
• `exclusive` (デフォルト): 一度に許可されるロックの保持者は1人のみです。
• `shared`: 同じリソースに対して排他ロックを持つ他の保持者がいない限り、複数の保持者が同時にロックを持つことを許可します。
• ロック要求: ロックの取得を試みる非同期操作。ロックが正常に取得されたときに解決（resolve）されるか、ロックが取得できない場合（例: 別のコードが既に排他ロックを保持しているため）に拒否（reject）されます。
• ロック解放: ロックを解放し、他のコードが取得できるようにする操作。

Web Locks APIの使用: 実用的な例

Webアプリケーションでリソースへのアクセスを同期するためにWeb Locks APIを使用する方法について、いくつかの実用的な例を見ていきましょう。

例1: ドキュメントの同時編集を防ぐ

複数のユーザーが同時に同じドキュメントを編集できる共同ドキュメント編集アプリケーションを想像してみてください。競合を防ぐために、Web Locks APIを使用して、一度に1人のユーザーだけがドキュメントを変更できるようにすることができます。

async function saveDocument(documentId, content) {
  try {
    await navigator.locks.request(documentId, async () => {
      // クリティカルセクション: ドキュメントの内容をサーバーに保存
      console.log(`ドキュメント ${documentId} のロックを取得しました。保存中...`);
      await saveToServer(documentId, content);
      console.log(`ドキュメント ${documentId} が正常に保存されました。`);
    });
  } catch (error) {
    console.error(`ドキュメント ${documentId} の保存に失敗しました:`, error);
  }
}

async function saveToServer(documentId, content) {
  // サーバーへの保存をシミュレート（実際のAPI呼び出しに置き換えてください）
  return new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 1000));
}

この例では、`saveDocument`関数はドキュメントのIDをロック名として使用して、ドキュメントのロックを取得しようとします。`navigator.locks.request`メソッドは、ロック名とコールバック関数の2つの引数を取ります。コールバック関数は、ロックが正常に取得された後にのみ実行されます。コールバック内では、ドキュメントの内容がサーバーに保存されます。コールバック関数が完了すると、ロックは自動的に解放されます。この関数の別のインスタンスが同じ`documentId`で実行しようとすると、ロックが解放されるまで待機します。エラーが発生した場合は、キャッチされてログに記録されます。

例2: Local Storageへのアクセス制御

Local Storageは、ブラウザにデータを保存するための一般的なメカニズムです。ただし、アプリケーションの複数の部分が同時にLocal Storageにアクセスして変更しようとすると、データの破損が発生する可能性があります。Web Locks APIを使用して、Local Storageへのアクセスを同期し、データの整合性を保証することができます。

async function updateLocalStorage(key, value) {
  try {
    await navigator.locks.request('localStorage', async () => {
      // クリティカルセクション: Local Storageを更新
      console.log(`localStorageのロックを取得しました。キー ${key} を更新中...`);
      localStorage.setItem(key, value);
      console.log(`キー ${key} がlocalStorageで更新されました。`);
    });
  } catch (error) {
    console.error(`localStorageの更新に失敗しました:`, error);
  }
}

この例では、`updateLocalStorage`関数は 'localStorage' リソースのロックを取得しようとします。コールバック関数は、Local Storage内の指定されたキーを更新します。このロックにより、一度に1つのコードのみがLocal Storageにアクセスできるようになり、競合状態を防ぎます。

例3: Web Workerでの共有リソースの管理

Web Workerを使用すると、メインスレッドをブロックすることなく、バックグラウンドでJavaScriptコードを実行できます。ただし、Web Workerがメインスレッドや他のWeb Workerと共有リソースにアクセスする必要がある場合は、同期が不可欠です。Web Locks APIを使用して、これらのリソースへのアクセスを調整できます。

まず、メインスレッドで:

async function mainThreadFunction() {
    try {
        await navigator.locks.request('sharedResource', async () => {
            console.log('メインスレッドがsharedResourceのロックを取得しました');
            // 共有リソースにアクセスして変更
            await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 2000)); // 処理をシミュレート
            console.log('メインスレッドがsharedResourceのロックを解放します');
        });
    } catch (error) {
        console.error('メインスレッドがロックの取得に失敗しました:', error);
    }
}

mainThreadFunction();

次に、Web Workerで:

self.addEventListener('message', async (event) => {
    if (event.data.type === 'accessSharedResource') {
        try {
            await navigator.locks.request('sharedResource', async () => {
                console.log('Web WorkerがsharedResourceのロックを取得しました');
                // 共有リソースにアクセスして変更
                await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 3000)); // 処理をシミュレート
                console.log('Web WorkerがsharedResourceのロックを解放します');
                self.postMessage({ type: 'sharedResourceAccessed', success: true });
            });
        } catch (error) {
            console.error('Web Workerがロックの取得に失敗しました:', error);
            self.postMessage({ type: 'sharedResourceAccessed', success: false, error: error.message });
        }
    }
});

この例では、メインスレッドとWeb Workerの両方が`sharedResource`のロックを取得しようとします。`navigator.locks`オブジェクトはWeb Workerでも利用可能であり、メインスレッドと同じロックメカニズムに参加できます。メインスレッドとワーカー間の通信にはメッセージが使用され、ロック取得の試行をトリガーします。

ロックモード: 排他 vs 共有

Web Locks APIは`exclusive`（排他）と`shared`（共有）の2つのロックモードをサポートしています。ロックモードの選択は、アプリケーションの特定の要件に依存します。

排他ロック

排他ロックは、リソースへの排他的なアクセスを許可します。特定の時間に特定のリソースに対して排他ロックを保持できるコードは1つだけです。このモードは、一度に1つのプロセスのみがリソースを変更できるべきシナリオに適しています。例えば、ファイルへのデータ書き込み、データベースレコードの更新、UIコンポーネントの状態変更などです。

上記のすべての例では、デフォルトで排他ロックが使用されていました。`exclusive`がデフォルトであるため、モードを指定する必要はありません。

共有ロック

共有ロックは、他のコードが同じリソースに対して排他ロックを保持していない限り、複数のコードが同時にリソースのロックを保持することを許可します。このモードは、複数のプロセスがリソースを同時に読み取る必要があるが、どのプロセスもそれを変更する必要がないシナリオに適しています。例えば、ファイルからのデータ読み取り、データベースのクエリ、UIコンポーネントのレンダリングなどです。

`navigator.locks.request`メソッドの`mode`オプションで、共有ロックを要求する必要があります。

async function readData(resourceId) {
  try {
    await navigator.locks.request(resourceId, { mode: 'shared' }, async () => {
      // クリティカルセクション: リソースからデータを読み取る
      console.log(`リソース ${resourceId} の共有ロックを取得しました。読み取り中...`);
      const data = await readFromResource(resourceId);
      console.log(`リソース ${resourceId} から読み取られたデータ:`, data);
      return data;
    });
  } catch (error) {
    console.error(`リソース ${resourceId} からのデータ読み取りに失敗しました:`, error);
  }
}

async function readFromResource(resourceId) {
  // リソースからの読み取りをシミュレート（実際のAPI呼び出しに置き換えてください）
  return new Promise(resolve => setTimeout(() => resolve({ value: 'Some data' }), 500));
}

この例では、`readData`関数は指定されたリソースに対して共有ロックを要求します。この関数の複数のインスタンスは、他のコードが同じリソースに対して排他ロックを保持していない限り、同時に実行できます。

グローバルアプリケーションに関する考慮事項

グローバルな視聴者向けにWebアプリケーションを開発する場合、多様な環境におけるリソース同期と同時アクセス制御の影響を考慮することが重要です。

• ネットワーク遅延: 高いネットワーク遅延は、同時実行性の問題の影響を悪化させる可能性があります。サーバーサイドのロックメカニズムは大幅な遅延を引き起こし、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 Locks APIは、リソースへのアクセスを同期するためのクライアントサイドソリューションを提供することで、これを軽減するのに役立ちます。
• タイムゾーン: イベントのスケジューリングやトランザクションの処理など、時間に敏感なデータを扱う場合、異なるタイムゾーンを考慮することが不可欠です。適切な同期メカニズムは、競合を防ぎ、地理的に分散したシステム間でデータの整合性を確保するのに役立ちます。
• 文化的な違い: 文化によって、データアクセスや変更に関する期待が異なる場合があります。例えば、リアルタイムのコラボレーションを優先する文化もあれば、より非同期的なアプローチを好む文化もあります。これらの多様なニーズに対応できるようにアプリケーションを設計することが重要です。
• 言語とローカリゼーション: Web Locks API自体は言語やローカリゼーションに直接関与しません。しかし、同期されるリソースにはローカライズされたコンテンツが含まれている場合があります。同期メカニズムがローカリゼーション戦略と互換性があることを確認してください。

Web Locks APIを使用するためのベストプラクティス

• クリティカルセクションを短く保つ: ロックが保持される時間が長いほど、競合や遅延の可能性が高まります。共有データにアクセスして変更するコードのクリティカルセクションは、できるだけ短くしてください。
• デッドロックを回避する: デッドロックは、2つ以上のコードがお互いにロックを解放するのを無期限に待機し、ブロックされたときに発生します。デッドロックを回避するには、ロックが常に一貫した順序で取得および解放されるようにしてください。
• エラーを適切に処理する: `navigator.locks.request`メソッドは、ロックが取得できない場合に拒否（reject）されることがあります。これらのエラーを適切に処理し、ユーザーに有益なフィードバックを提供してください。
• 意味のあるロック名を使用する: 保護されているリソースを明確に識別するロック名を選択してください。これにより、コードが理解しやすく、保守しやすくなります。
• ロックスコープを考慮する: ロックの適切なスコープを決定してください。ロックはグローバル（すべてのブラウザタブとウィンドウにまたがる）であるべきか、特定のタブまたはウィンドウに限定されるべきか。Web Locks APIでは、ロックのスコープを制御できます。
• 徹底的にテストする: コードが同時実行性を正しく処理し、競合状態を防ぐことを確認するために、コードを徹底的にテストしてください。同時実行性テストツールを使用して、複数のユーザーが共有リソースに同時にアクセスして変更するシミュレーションを行います。

Web Locks APIの制限事項

Web Locks APIは、Webアプリケーションでリソースへのアクセスを同期するための強力なメカニズムを提供しますが、その制限を認識することが重要です。

• ブラウザのサポート: Web Locks APIはすべてのブラウザでサポートされているわけではありません。本番コードでAPIを使用する前に、ブラウザの互換性を確認してください。古いブラウザをサポートするためにポリフィルが利用できる場合があります。
• 永続性: ロックはブラウザセッションをまたいで永続的ではありません。ブラウザが閉じられたりリフレッシュされたりすると、すべてのロックが解放されます。
• 分散ロックなし: Web Locks APIは、単一のブラウザインスタンス内での同期のみを提供します。複数のマシンやサーバー間でリソースへのアクセスを同期するメカニズムは提供しません。分散ロックには、サーバーサイドのロックメカニズムに頼る必要があります。
• 協調的ロッキング: Web Locks APIは協調的ロッキングに依存しています。共有リソースにアクセスするコードがロッキングプロトコルを遵守することを保証するのは開発者次第です。APIは、コードが最初にロックを取得せずにリソースにアクセスするのを防ぐことはできません。

Web Locks APIの代替案

Web Locks APIはリソース同期のための貴重なツールを提供しますが、それぞれに長所と短所があるいくつかの代替アプローチが存在します。

• サーバーサイドロッキング: サーバー上でロッキングメカニズムを実装することは、同時実行性を管理するための従来のアプローチです。これには、データベーストランザクション、オプティミスティックロッキング、またはペシミスティックロッキングを使用して共有リソースを保護することが含まれます。サーバーサイドロッキングは、分散型同時実行性のためのより堅牢で信頼性の高いソリューションを提供しますが、遅延を引き起こし、サーバーへの負荷を増大させる可能性があります。
• アトミック操作: 一部のデータ構造やAPIは、一連の操作が単一の不可分な単位として実行されることを保証するアトミック操作を提供します。これは、明示的なロックを必要とせずに単純なデータ構造へのアクセスを同期するのに役立ちます。
• メッセージパッシング: 可変状態を共有する代わりに、メッセージパッシングを使用してアプリケーションの異なる部分間で通信することを検討してください。このアプローチは、共有ロックの必要性をなくすことで、同時実行性管理を簡素化できます。
• 不変性（Immutability）: 不変のデータ構造を使用することも、同時実行性管理を簡素化できます。不変データは作成後に変更できないため、競合状態の可能性が排除されます。

結論

Web Locks APIは、Webアプリケーションにおけるリソースへのアクセス同期と同時アクセス管理のための貴重なツールです。クライアントサイドのロッキングメカニズムを提供することで、APIはパフォーマンスを向上させ、データの破損を防ぎ、ユーザーエクスペリエンスを向上させることができます。しかし、APIの制限を理解し、適切に使用することが重要です。Web Locks APIを実装する前に、アプリケーションの特定の要件、ブラウザの互換性、およびデッドロックの可能性を考慮してください。

このガイドで概説されたベストプラクティスに従うことで、Web Locks APIを活用して、同時実行性を適切に処理し、多様なグローバル環境でデータの整合性を確保する、堅牢で応答性の高いWebアプリケーションを構築できます。