Frontendo žiniatinklio užraktų aklavietės detektorius: išteklių konfliktų prevencija

Šiuolaikinėse žiniatinklio programose, ypač tose, kurios sukurtos naudojant sudėtingus JavaScript karkasus ir asinchronines operacijas, efektyvus dalijamų išteklių valdymas yra gyvybiškai svarbus. Viena iš galimų problemų yra aklavietės, kai du ar daugiau procesų (šiuo atveju JavaScript kodo blokai) yra blokuojami neribotam laikui, kiekvienas laukdamas, kol kitas atlaisvins išteklius. Tai gali sukelti programos nereagavimą, pablogėjusią vartotojo patirtį ir sunkiai diagnozuojamas klaidas. Frontendo žiniatinklio užraktų aklavietės detektoriaus diegimas yra aktyvi strategija, skirta identifikuoti ir užkirsti kelią tokioms problemoms.

Aklaviečių supratimas

Aklavietė atsiranda, kai visi procesai yra užblokuoti, nes kiekvienas procesas laiko išteklius ir laukia, kol gaus išteklius, kuriuos laiko kitas procesas. Tai sukuria ciklinę priklausomybę, neleidžiančią nė vienam procesui tęsti darbo.

Būtinos aklavietės sąlygos

Paprastai, kad atsirastų aklavietė, turi būti vienu metu įvykdytos keturios sąlygos:

• Abipusė išimtis: Ištekliai negali būti vienu metu naudojami kelių procesų. Tik vienas procesas vienu metu gali laikyti išteklius.
• Laikymas ir laukimas: Procesas laiko bent vieną išteklius ir laukia, kol gaus papildomus išteklius, kuriuos laiko kiti procesai.
• Be atėmimo: Ištekliai negali būti priverstinai atimami iš juos laikančio proceso. Ištekliai gali būti atlaisvinti tik savanoriškai juos laikančio proceso.
• Ciklinis laukimas: Egzistuoja ciklinė procesų grandinė, kurioje kiekvienas procesas laukia išteklių, kuriuos laiko kitas grandinės procesas.

Jei visos šios keturios sąlygos yra tenkinamos, gali atsirasti aklavietė. Pašalinus arba užkirtus kelią bet kuriai iš šių sąlygų, galima išvengti aklaviečių.

Aklavietės frontendo žiniatinklio programose

Nors aklavietės dažniau aptariamos kontekste su backendo sistemomis ir operacinėmis sistemomis, jos taip pat gali pasireikšti frontendo žiniatinklio programose, ypač sudėtinguose scenarijuose, apimančiuose:

• Asinchroninės operacijos: JavaScript asinchroninis pobūdis (pvz., naudojant `async/await`, `Promise.all`, `setTimeout`) gali sukurti sudėtingus vykdymo srautus, kuriuose keli kodo blokai laukia vienas kito pabaigos.
• Dalijamos būsenos valdymas: Karkasai, tokie kaip React, Angular ir Vue.js, dažnai apima dalijamos būsenos valdymą tarp komponentų. Lygiagretus priėjimas prie šios būsenos gali sukelti lenktynių sąlygas ir aklavietes, jei nėra tinkamai sinchronizuojamas.
• Trečiųjų šalių bibliotekos: Bibliotekos, kurios valdo išteklius viduje (pvz., talpyklos bibliotekos, animacijos bibliotekos), gali naudoti užrakinimo mechanizmus, kurie gali prisidėti prie aklaviečių.
• Žiniatinklio darbininkai (Web Workers): Naudojant Web Workers fono užduotims atlikti, atsiranda lygiagretumas ir galimas išteklių ginčas tarp pagrindinės gijos ir darbininko gijų.

Pavyzdys: Paprastas išteklių konfliktas

Apsvarstykite dvi asinchronines funkcijas, `resourceA` ir `resourceB`, kurių kiekviena bando gauti du hipotetinius užraktus, `lockA` ir `lockB`:

            async function resourceA() {
  await lockA.acquire();
  try {
    await lockB.acquire();
    // Perform operation requiring both lockA and lockB
  } finally {
    lockB.release();
    lockA.release();
  }
}

async function resourceB() {
  await lockB.acquire();
  try {
    await lockA.acquire();
    // Perform operation requiring both lockA and lockB
  } finally {
    lockA.release();
    lockB.release();
  }
}

// Concurrent execution
resourceA();
resourceB();

            

              
                Copy
              
            
          

Jei `resourceA` gauna `lockA` ir `resourceB` gauna `lockB` vienu metu, abi funkcijos bus užblokuotos neribotam laikui, laukdamos, kol kita atleis reikalingą užraktą. Tai yra klasikinis aklavietės scenarijus.

Frontendo žiniatinklio užraktų aklavietės detektorius: koncepcijos ir įgyvendinimas

Frontendo žiniatinklio užraktų aklavietės detektorius siekia nustatyti ir, galbūt, užkirsti kelią aklavietėms:

• Užraktų gavimo sekimas: Stebėjimas, kada užraktai gaunami ir atlaisvinami.
• Ciklinių priklausomybių aptikimas: Situacijų, kai procesai laukia vienas kito cikline tvarka, nustatymas.
• Diagnostikos teikimas: Informacijos apie užraktų būseną ir jų laukiančius procesus teikimas, siekiant padėti derinti.

Įgyvendinimo metodai

Yra keletas būdų, kaip įdiegti aklavietės detektorių frontendo žiniatinklio programoje:

1. Individualus užraktų valdymas su aklavietės aptikimu: Įdiekite individualią užraktų valdymo sistemą, kuri apima aklavietės aptikimo logiką.
2. Esamų bibliotekų naudojimas: Ištirkite esamas JavaScript bibliotekas, kurios teikia užraktų valdymo ir aklavietės aptikimo funkcijas.
3. Instrumentavimas ir stebėjimas: Instrumentuokite savo kodą, kad sektumėte užraktų gavimo ir atlaisvinimo įvykius, ir stebėkite šiuos įvykius dėl galimų aklaviečių.

Individualus užraktų valdymas su aklavietės aptikimu

Šis metodas apima savo užrakto objektų kūrimą ir būtinos logikos įgyvendinimą užraktų gavimui, atlaisvinimui ir aklaviečių aptikimui.

Pagrindinė užrakto klasė

            class Lock {
  constructor() {
    this.locked = false;
    this.waiting = [];
  }

  acquire() {
    return new Promise((resolve) => {
      if (!this.locked) {
        this.locked = true;
        resolve();
      } else {
        this.waiting.push(resolve);
      }
    });
  }

  release() {
    if (this.waiting.length > 0) {
      const next = this.waiting.shift();
      next();
    } else {
      this.locked = false;
    }
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Aklavietės aptikimas

Norint aptikti aklavietes, turime sekti, kurie procesai (pvz., asinchroninės funkcijos) laiko kokius užraktus ir kokių užraktų jie laukia. Šiai informacijai atvaizduoti galime naudoti grafo duomenų struktūrą, kur mazgai yra procesai, o kraštai – priklausomybės (t. y., procesas laukia užrakto, kurį laiko kitas procesas).

            class DeadlockDetector {
  constructor() {
    this.graph = new Map(); // Process -> Set of Locks Waiting For
    this.lockHolders = new Map(); // Lock -> Process
    this.processIdCounter = 0;
    this.processContext = new Map(); // processId -> { locksHeld: Set<Lock>, waitingFor: Lock | null}
  }

  generateProcessId() {
      return ++this.processIdCounter;
  }

  beforeAcquire(processId, lock) {
        if(this.lockHolders.has(lock)) {
            const holder = this.lockHolders.get(lock);
            if(!this.graph.has(processId)) {
                this.graph.set(processId, new Set());
            }
            this.graph.get(processId).add(holder);
            this.processContext.get(processId).waitingFor = lock;
        }
  }

  afterAcquire(processId, lock) {
        this.lockHolders.set(lock, processId);
        this.processContext.get(processId).locksHeld.add(lock);
        this.processContext.get(processId).waitingFor = null;
  }

  beforeRelease(processId, lock) {
        this.processContext.get(processId).locksHeld.delete(lock);
  }

  afterRelease(processId, lock) {
    this.lockHolders.delete(lock);
    this.graph.forEach((waitingFor, process) => {
        waitingFor.delete(processId);
    });
    
  }

  createProcessContext() {
        const processId = this.generateProcessId();
        this.processContext.set(processId, { locksHeld: new Set(), waitingFor: null });
        return processId;
  }

  removeProcessContext(processId) {
        this.processContext.delete(processId);
        this.graph.delete(processId);
        this.lockHolders.forEach((holder, lock) => {
            if(holder === processId) {
                this.lockHolders.delete(lock);
            }
        });
  }

  detectDeadlock() {
    const visited = new Set();
    const stack = new Set();

    for (const node of this.graph.keys()) {
      if (this.isCyclic(node, visited, stack)) {
        return true; // Deadlock detected
      }
    }

    return false; // No deadlock detected
  }

  isCyclic(node, visited, stack) {
    visited.add(node);
    stack.add(node);

    if (this.graph.has(node)) {
      for (const neighbor of this.graph.get(node)) {
        if (!visited.has(neighbor)) {
          if (this.isCyclic(neighbor, visited, stack)) {
            return true;
          }
        } else if (stack.has(neighbor)) {
          return true; // Cycle detected
        }
      }
    }

    stack.delete(node);
    return false;
  }
}

const deadlockDetector = new DeadlockDetector();

class SafeLock {
    constructor() {
        this.lock = new Lock();
    }

    async acquire() {
        const processId = deadlockDetector.createProcessContext();
        deadlockDetector.beforeAcquire(processId, this.lock);
        await this.lock.acquire();
        deadlockDetector.afterAcquire(processId, this.lock);
        return {
            processId,
            release: () => {
                deadlockDetector.beforeRelease(processId, this.lock);
                this.lock.release();
                deadlockDetector.afterRelease(processId, this.lock);
                deadlockDetector.removeProcessContext(processId);
            }
        };
    }
}


            

              
                Copy
              
            
          

Klasė `DeadlockDetector` palaiko grafą, atspindintį priklausomybes tarp procesų ir užraktų. Metodas `detectDeadlock` naudoja gylio paieškos algoritmą, kad aptiktų ciklus grafe, kurie rodo aklavietes.

Aklavietės aptikimo integravimas su užraktų gavimu

Pakeiskite klasės `Lock` metodą `acquire`, kad jis iškviestų aklavietės aptikimo logiką prieš suteikiant užraktą. Jei aptinkama aklavietė, išmeskite išimtį arba užfiksuokite klaidą.

            
const lockA = new SafeLock();
const lockB = new SafeLock();

async function resourceA() {
    const { processId, release } = await lockA.acquire();
    try {
      const { processId: processIdB, release: releaseB } = await lockB.acquire();
      try {
          // Critical Section using A and B
          console.log("Resource A and B acquired in resourceA");
      } finally {
          releaseB();
      }
    } finally {
      release();
    }
  }
  
  async function resourceB() {
    const { processId, release } = await lockB.acquire();
    try {
      const { processId: processIdA, release: releaseA } = await lockA.acquire();
      try {
          // Critical Section using A and B
          console.log("Resource A and B acquired in resourceB");
      } finally {
          releaseA();
      }
    } finally {
      release();
    }
  }

async function testDeadlock() {
    try {
        await Promise.all([resourceA(), resourceB()]);
    } catch (error) {
        console.error("Error during deadlock test:", error);
    }
}

// Call the test function
testDeadlock();

            

              
                Copy
              
            
          

Esamų bibliotekų naudojimas

Kelios JavaScript bibliotekos teikia užraktų valdymo ir lygiagretumo kontrolės mechanizmus. Kai kurios iš šių bibliotekų gali apimti aklavietės aptikimo funkcijas arba gali būti išplėstos, kad jas įtrauktų. Kai kurie pavyzdžiai:

• `async-mutex`: Teikia mutekso įgyvendinimą asinchroniniam JavaScript. Galėtumėte potencialiai pridėti aklavietės aptikimo logiką ant jos.
• `p-queue`: Prioritetinė eilė, kurią galima naudoti lygiagrečioms užduotims valdyti ir išteklių prieigai riboti.

Esamų bibliotekų naudojimas gali supaprastinti užraktų valdymo įgyvendinimą, tačiau reikalauja kruopštaus įvertinimo, siekiant užtikrinti, kad bibliotekos funkcijos ir veikimo charakteristikos atitiktų jūsų programos poreikius.

Instrumentavimas ir stebėjimas

Kitas metodas yra instrumentuoti savo kodą, kad sektumėte užraktų gavimo ir atleidimo įvykius ir stebėtumėte šiuos įvykius dėl galimų aklaviečių. Tai galima pasiekti naudojant registravimą, individualius įvykius arba našumo stebėjimo įrankius.

Registravimas

Pridėkite registravimo teiginius prie savo užraktų gavimo ir atleidimo metodų, kad įrašytumėte, kada užraktai gaunami, atleidžiami ir kurie procesai jų laukia. Ši informacija gali būti analizuojama, siekiant nustatyti galimas aklavietes.

Individualūs įvykiai

Išsiųskite individualius įvykius, kai užraktai gaunami ir atleidžiami. Šiuos įvykius gali užfiksuoti stebėjimo įrankiai arba individualūs įvykių tvarkyklės, kad būtų galima sekti užraktų naudojimą ir aptikti aklavietes.

Našumo stebėjimo įrankiai

Integruokite savo programą su našumo stebėjimo įrankiais, kurie gali sekti išteklių naudojimą ir nustatyti galimus kliūtis. Šie įrankiai gali suteikti įžvalgų apie užraktų konkurenciją ir aklavietes.

Aklaviečių prevencija

Nors aklaviečių aptikimas yra svarbus, dar geriau yra užkirsti joms kelią. Štai keletas strategijų, kaip išvengti aklaviečių frontendo žiniatinklio programose:

• Užraktų tvarka: Nustatykite nuoseklią užraktų gavimo tvarką. Jei visi procesai gauna užraktus ta pačia tvarka, ciklinio laukimo sąlyga negali atsirasti.
• Užrakto laiko limitas: Įdiekite laiko limito mechanizmą užrakto gavimui. Jei procesas negali gauti užrakto per tam tikrą laiką, jis atlaisvina visus šiuo metu laikomus užraktus ir bando dar kartą vėliau. Tai neleidžia procesams būti užblokuotiems neribotam laikui.
• Išteklių hierarchija: Organizuokite išteklius į hierarchiją ir reikalaukite, kad procesai gautų išteklius „iš viršaus į apačią“. Tai gali užkirsti kelią ciklinėms priklausomybėms.
• Venkite įdėtųjų užraktų: Sumažinkite įdėtųjų užraktų naudojimą, nes jie didina aklaviečių riziką. Jei įdėtieji užraktai yra būtini, užtikrinkite, kad vidiniai užraktai būtų atlaisvinti prieš išorinius.
• Naudokite neužblokuojančias operacijas: Kai įmanoma, teikite pirmenybę neužblokuojančioms operacijoms. Neužblokuojančios operacijos leidžia procesams tęsti vykdymą, net jei ištekliai nėra iš karto prieinami, sumažinant aklaviečių tikimybę.
• Nuodugnus testavimas: Atlikite nuodugnų testavimą, kad nustatytumėte galimas aklavietes. Naudokite lygiagretumo testavimo įrankius ir metodus, kad simuliuotumėte lygiagretų prieigą prie dalijamų išteklių ir atskleistumėte aklavietės sąlygas.

Pavyzdys: Užraktų tvarka

Naudodami ankstesnį pavyzdį, galime išvengti aklavietės, užtikrindami, kad abi funkcijos gautų užraktus ta pačia tvarka (pvz., visada gauti `lockA` prieš `lockB`).

            async function resourceA() {
    const { processId, release } = await lockA.acquire();
    try {
      const { processId: processIdB, release: releaseB } = await lockB.acquire();
      try {
          // Critical Section using A and B
          console.log("Resource A and B acquired in resourceA");
      } finally {
          releaseB();
      }
    } finally {
      release();
    }
  }
  
  async function resourceB() {
    const { processId, release } = await lockA.acquire(); // Acquire lockA first
    try {
      const { processId: processIdB, release: releaseB } = await lockB.acquire();
      try {
          // Critical Section using A and B
          console.log("Resource A and B acquired in resourceB");
      } finally {
          releaseB();
      }
    } finally {
      release();
    }
  }

async function testDeadlock() {
    try {
        await Promise.all([resourceA(), resourceB()]);
    } catch (error) {
        console.error("Error during deadlock test:", error);
    }
}

// Call the test function
testDeadlock();

            

              
                Copy
              
            
          

Visada gaudami `lockA` prieš `lockB`, mes pašaliname ciklinio laukimo sąlygą ir užkertame kelią aklavietei.

Išvada

Aklavietės gali būti didelis iššūkis frontendo žiniatinklio programose, ypač sudėtinguose scenarijuose, apimančiuose asinchronines operacijas, bendros būsenos valdymą ir trečiųjų šalių bibliotekas. Frontendo žiniatinklio užraktų aklavietės detektoriaus diegimas ir aklaviečių prevencijos strategijų taikymas yra būtini norint užtikrinti sklandžią vartotojo patirtį, efektyvų išteklių valdymą ir programos stabilumą. Suprasdami aklaviečių priežastis, įdiegdami tinkamus aptikimo mechanizmus ir taikydami prevencijos metodus, galite kurti patikimesnes ir stabilesnes frontendo programas.

Nepamirškite pasirinkti įgyvendinimo metodo, kuris geriausiai atitinka jūsų programos poreikius ir sudėtingumą. Individualus užraktų valdymas suteikia daugiausia kontrolės, tačiau reikalauja daugiau pastangų. Esamos bibliotekos gali supaprastinti procesą, tačiau gali turėti apribojimų. Instrumentavimas ir stebėjimas siūlo lankstų būdą sekti užraktų naudojimą ir aptikti aklavietes, nekeičiant pagrindinės užraktų logikos. Nepriklausomai nuo pasirinkto metodo, pirmenybę teikite aklaviečių prevencijai, nustatydami aiškius užraktų gavimo protokolus ir sumažindami išteklių konkurenciją.