JavaScript SharedArrayBuffer ir Atomics: sriegio saugių operacijų įgyvendinimas

JavaScript, tradiciškai žinomas kaip vienos gijos kalba, išsivystė ir apima lygiagretumą per Web Workers. Tačiau tikroji bendra atminties lygiagretumo istorija nebuvo, o tai ribojo didelio našumo lygiagretaus kompiuterijos potencialą naršyklėje. Su SharedArrayBuffer ir Atomics įvedimu JavaScript dabar pateikia mechanizmus, skirtus valdyti bendrą atmintį ir sinchronizuoti prieigą per kelis sriegius, atverdamas naujas galimybes našumui svarbioms programoms.

Bendra atminties ir Atomics poreikio supratimas

Prieš gilindamiesi į specifinius dalykus, būtina suprasti, kodėl bendra atmintis ir atominės operacijos yra būtinos tam tikro tipo programoms. Įsivaizduokite sudėtingą vaizdo apdorojimo programą, veikiančią naršyklėje. Be bendros atminties, didelių vaizdo duomenų perdavimas tarp Web Workers tampa brangia operacija, apimančia serijinimą ir deserializavimą (viso duomenų struktūros kopijavimą). Šis režimas gali žymiai paveikti našumą.

Bendra atmintis leidžia Web Workers tiesiogiai pasiekti ir modifikuoti tą pačią atminties erdvę, pašalinant duomenų kopijavimo poreikį. Tačiau lygiagretus priėjimas prie bendros atminties sukelia lenktynių sąlygų riziką – situacijas, kai keli sriegiai bando skaityti arba rašyti į tą pačią atminties vietą vienu metu, o tai lemia nenuspėjamus ir potencialiai neteisingus rezultatus. Būtent čia atsiranda Atomics.

Kas yra SharedArrayBuffer?

SharedArrayBuffer yra JavaScript objektas, kuris atitinka neapdorotą atminties bloką, panašų į ArrayBuffer, bet su esminiu skirtumu: juo galima dalytis tarp skirtingų vykdymo kontekstų, pvz., Web Workers. Šis bendrinimas pasiekiamas perduodant SharedArrayBuffer objektą vienam ar keliems Web Workers. Kai bendrinama, visi darbuotojai gali tiesiogiai pasiekti ir modifikuoti pagrindinę atmintį.

Pavyzdys: SharedArrayBuffer kūrimas ir bendrinimas

Pirmiausia sukurkite SharedArrayBuffer pagrindiniame gije:

const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024); // 1KB buffer

Tada sukurkite Web Worker ir perkelkite buferį:

const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage(sharedBuffer);

Failo worker.js faile pasiekite buferį:

self.onmessage = function(event) {
  const sharedBuffer = event.data; // Received SharedArrayBuffer
  const uint8Array = new Uint8Array(sharedBuffer); // Create a typed array view
  // Now you can read/write to uint8Array, which modifies the shared memory
  uint8Array[0] = 42; // Example: Write to the first byte
};

Svarbūs aspektai:

• Įvesties tipai: Nors SharedArrayBuffer atitinka neapdorotą atmintį, paprastai su ja bendraujate naudodami įvesties tipus (pvz., Uint8Array, Int32Array, Float64Array). Įvesties tipai suteikia struktūrinį pagrindinės atminties vaizdą, leidžiantį skaityti ir rašyti konkrečius duomenų tipus.
• Saugumas: Bendrinant atmintį atsiranda saugumo problemų. Įsitikinkite, kad jūsų kodas tinkamai patvirtina iš Web Workers gautus duomenis ir neleidžia kenkėjiškiems veikėjams išnaudoti bendros atminties pažeidžiamumo. Cross-Origin-Opener-Policy ir Cross-Origin-Embedder-Policy antraščių naudojimas yra labai svarbus norint sumažinti Spectre ir Meltdown pažeidžiamumą. Šios antraštės izoliuoja jūsų kilmę nuo kitų šaltinių, neleisdamos jiems pasiekti jūsų proceso atminties.

Kas yra Atomics?

Atomics yra statiška klasė JavaScript, kuri pateikia atomines operacijas, skirtas skaitymo-modifikuoti-rašymo operacijoms su bendromis atminties vietomis. Atominės operacijos garantuotai yra nedalomos; jos vykdomos kaip vienas, nenutrūkstamas žingsnis. Tai užtikrina, kad joks kitas sriegis negali trukdyti operacijai, kol ji vykdoma, išvengiant lenktynių sąlygų.

Pagrindinės atominės operacijos:

• Atomics.load(typedArray, index): Atomiškai nuskaito reikšmę iš nurodyto indekso įvesties tipų masyve.
• Atomics.store(typedArray, index, value): Atomiškai įrašo reikšmę į nurodytą indeksą įvesties tipų masyve.
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue): Atomiškai palygina reikšmę nurodytame indekse su expectedValue. Jei jie yra lygūs, reikšmė pakeičiama replacementValue. Grąžina pradinę reikšmę indekse.
• Atomics.add(typedArray, index, value): Atomiškai prideda value prie reikšmės nurodytame indekse ir grąžina naują reikšmę.
• Atomics.sub(typedArray, index, value): Atomiškai atima value iš reikšmės nurodytame indekse ir grąžina naują reikšmę.
• Atomics.and(typedArray, index, value): Atomiškai atlieka bitų AND operaciją su reikšme nurodytame indekse su value ir grąžina naują reikšmę.
• Atomics.or(typedArray, index, value): Atomiškai atlieka bitų OR operaciją su reikšme nurodytame indekse su value ir grąžina naują reikšmę.
• Atomics.xor(typedArray, index, value): Atomiškai atlieka bitų XOR operaciją su reikšme nurodytame indekse su value ir grąžina naują reikšmę.
• Atomics.exchange(typedArray, index, value): Atomiškai pakeičia reikšmę nurodytame indekse su value ir grąžina seną reikšmę.
• Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout): Blokuoja esamą sriegį, kol reikšmė nurodytame indekse nesiskiria nuo value arba kol nesibaigia timeout. Tai yra laukimo/pranešimo mechanizmo dalis.
• Atomics.notify(typedArray, index, count): Pažadina count skaičių laukiančių sriegių nurodytame indekse.

Praktiniai pavyzdžiai ir naudojimo atvejai

Išnagrinėkime keletą praktinių pavyzdžių, kad iliustruotume, kaip SharedArrayBuffer ir Atomics gali būti naudojami sprendžiant realaus pasaulio problemas:

1. Lygiagretus skaičiavimas: vaizdo apdorojimas

Įsivaizduokite, kad naršyklėje reikia pritaikyti filtrą dideliam vaizdui. Galite padalyti vaizdą į gabalus ir priskirti kiekvieną gabalą skirtingam Web Worker apdorojimui. Naudodami SharedArrayBuffer, visas vaizdas gali būti saugomas bendroje atmintyje, todėl nebereikia kopijuoti vaizdo duomenų tarp darbuotojų.

Įgyvendinimo eskizas:

1. Įkelkite vaizdo duomenis į SharedArrayBuffer.
2. Padalinkite vaizdą į stačiakampius regionus.
3. Sukurkite Web Workers baseiną.
4. Priskirkite kiekvieną regioną darbuotojui apdorojimui. Perduokite regiono koordinates ir matmenis darbuotojui.
5. Kiekvienas darbuotojas taiko filtrą savo priskirtam regionui bendrame SharedArrayBuffer.
6. Kai visi darbuotojai baigs, apdorotas vaizdas bus prieinamas bendroje atmintyje.

Sinchronizavimas su Atomics:

Norėdami užtikrinti, kad pagrindinis sriegis žinotų, kada visi darbuotojai baigė apdoroti savo regionus, galite naudoti atominį skaitiklį. Kiekvienas darbuotojas, baigęs savo užduotį, atomiškai didina skaitiklį. Pagrindinis sriegis periodiškai tikrina skaitiklį naudodamas Atomics.load. Kai skaitiklis pasiekia numatytą reikšmę (lygu regionų skaičiui), pagrindinis sriegis žino, kad visas vaizdo apdorojimas baigtas.

// In the main thread:
const numRegions = 4; // Example: Divide the image into 4 regions
const completedRegions = new Int32Array(sharedBuffer, offset, 1); // Atomic counter
Atomics.store(completedRegions, 0, 0); // Initialize counter to 0

// In each worker:
// ... process the region ...
Atomics.add(completedRegions, 0, 1); // Increment the counter

// In the main thread (periodically check):
let count = Atomics.load(completedRegions, 0);
if (count === numRegions) {
  // All regions processed
  console.log('Image processing complete!');
}

2. Lygiagrečios duomenų struktūros: be užrakto eilės kūrimas

SharedArrayBuffer ir Atomics gali būti naudojami be užrakto duomenų struktūroms, pvz., eilėms, įgyvendinti. Be užrakto duomenų struktūros leidžia keliems sriegiams vienu metu pasiekti ir modifikuoti duomenų struktūrą be tradicinių užraktų režimo.

Be užrakto eilių iššūkiai:

• Lenktynių sąlygos: Vienalaikis priėjimas prie eilės galvos ir uodegos rodyklių gali sukelti lenktynių sąlygas.
• Atminties valdymas: Užtikrinkite tinkamą atminties valdymą ir venkite atminties nutekėjimo įvedant ir išvedant elementus.

Atominės operacijos sinchronizavimui:

Atominės operacijos naudojamos siekiant užtikrinti, kad galvos ir uodegos rodyklės būtų atnaujintos atomiškai, išvengiant lenktynių sąlygų. Pavyzdžiui, Atomics.compareExchange gali būti naudojamas atomiškai atnaujinti uodegos rodyklę įvedant elementą.

3. Didelio našumo skaitmeniniai skaičiavimai

Programos, apimančios intensyvius skaitmeninius skaičiavimus, pvz., mokslinius modeliavimus ar finansinį modeliavimą, gali labai pasinaudoti lygiagrečiu apdorojimu naudojant SharedArrayBuffer ir Atomics. Dideli skaitinių duomenų masyvai gali būti saugomi bendroje atmintyje ir vienu metu apdorojami kelių darbuotojų.

Dažni spąstai ir geriausia praktika

Nors SharedArrayBuffer ir Atomics siūlo galingas galimybes, jos taip pat sukuria sudėtingumą, kurį reikia atidžiai apsvarstyti. Štai keletas dažnų spąstų ir geriausios praktikos, kurių reikia laikytis:

• Duomenų lenktynės: Visada naudokite atomines operacijas, kad apsaugotumėte bendras atminties vietas nuo duomenų lenktynių. Atidžiai išanalizuokite savo kodą, kad nustatytumėte galimas lenktynių sąlygas ir užtikrintumėte, kad visi bendri duomenys būtų tinkamai sinchronizuoti.
• False Sharing: Netikras dalijimasis atsiranda, kai keli sriegiai pasiekia skirtingas atminties vietas tame pačiame talpyklos linijoje. Tai gali sumažinti našumą, nes talpyklos eilutė nuolat anuliuojama ir įkeliama iš naujo tarp sriegių. Norėdami išvengti klaidingo dalijimosi, papildykite bendras duomenų struktūras, kad kiekvienas sriegis pasiektų savo talpyklos eilutę.
• Atminties tvarka: Supraskite atminties tvarkos garantijas, kurias teikia atominės operacijos. JavaScript atminties modelis yra palyginti atpalaiduotas, todėl gali tekti naudoti atminties barjerus (tvarką), kad užtikrintumėte, jog operacijos būtų vykdomos norima tvarka. Tačiau JavaScript Atomics jau teikia nuosekliai nuoseklų užsakymą, kuris supaprastina samprotavimą apie lygiagretumą.
• Našumo režimas: Atominės operacijos gali turėti našumo režimą, palyginti su neatominėmis operacijomis. Naudokite juos apdairiai tik tada, kai reikia apsaugoti bendrus duomenis. Apsvarstykite kompromisą tarp lygiagretumo ir sinchronizavimo režimo.
• Derinimas: Derinimas lygiagretaus kodo gali būti sudėtingas. Naudokite registravimo ir derinimo įrankius, kad nustatytumėte lenktynių sąlygas ir kitas lygiagretumo problemas. Apsvarstykite galimybę naudoti specializuotus derinimo įrankius, skirtus lygiagrečiam programavimui.
• Saugumo pasekmės: Atkreipkite dėmesį į saugumo pasekmes, kai dalijamasi atmintimi tarp sriegių. Tinkamai sanitarizuokite ir patvirtinkite visą įvestį, kad kenkėjiškas kodas neišnaudotų bendros atminties pažeidžiamumo. Užtikrinkite, kad būtų nustatytos tinkamos Cross-Origin-Opener-Policy ir Cross-Origin-Embedder-Policy antraštės.
• Naudokite biblioteką: Apsvarstykite galimybę naudoti esamas bibliotekas, kurios pateikia aukštesnio lygio abstrakcijas lygiagrečiam programavimui. Šios bibliotekos gali padėti išvengti dažnų spąstų ir supaprastinti lygiagrečių programų kūrimą. Pavyzdžiai apima bibliotekas, kurios teikia be užrakto duomenų struktūras arba užduočių planavimo mechanizmus.

SharedArrayBuffer ir Atomics alternatyvos

Nors SharedArrayBuffer ir Atomics yra galingi įrankiai, jie ne visada yra geriausias sprendimas kiekvienai problemai. Štai keletas alternatyvų, į kurias reikia atsižvelgti:

• Pranešimų perdavimas: Naudokite postMessage norėdami siųsti duomenis tarp Web Workers. Šis metodas vengia bendros atminties ir pašalina lenktynių sąlygų riziką. Tačiau tai apima duomenų kopijavimą, kuris gali būti neefektyvus didelėms duomenų struktūroms.
• WebAssembly sriegiai: WebAssembly palaiko sriegius ir bendrą atmintį, suteikdama žemesnio lygio alternatyvą SharedArrayBuffer ir Atomics. WebAssembly leidžia rašyti didelio našumo lygiagretų kodą naudojant tokias kalbas kaip C++ arba Rust.
• Perkėlimas į serverį: Skaičiavimo požiūriu sudėtingoms užduotims apsvarstykite galimybę perkelti darbą į serverį. Tai gali išlaisvinti naršyklės išteklius ir pagerinti vartotojo patirtį.

Naršyklės palaikymas ir prieinamumas

SharedArrayBuffer ir Atomics yra plačiai palaikomos šiuolaikinėse naršyklėse, įskaitant Chrome, Firefox, Safari ir Edge. Tačiau būtina patikrinti naršyklės suderinamumo lentelę, kad įsitikintumėte, jog jūsų tikslinės naršyklės palaiko šias funkcijas. Taip pat reikia konfigūruoti tinkamas HTTP antraštes dėl saugumo priežasčių (COOP/COEP). Jei trūksta reikiamų antraščių, naršyklė gali išjungti SharedArrayBuffer.

Išvada

SharedArrayBuffer ir Atomics yra reikšmingas JavaScript galimybių patobulinimas, leidžiantis kūrėjams kurti didelio našumo lygiagrečias programas, kurios anksčiau buvo neįmanomos. Suprasdami bendros atminties, atominių operacijų ir galimų lygiagretaus programavimo spąstų koncepcijas, galite panaudoti šias funkcijas kurdami novatoriškas ir efektyvias žiniatinklio programas. Tačiau būkite atsargūs, teikite pirmenybę saugumui ir atidžiai apsvarstykite kompromisus, prieš diegdami SharedArrayBuffer ir Atomics savo projektuose. Žiniatinklio platformai toliau tobulėjant, šios technologijos atliks vis svarbesnį vaidmenį plečiant naršyklės galimybių ribas. Prieš naudodami jas, įsitikinkite, kad išsprendėte saugumo problemas, kurias jos gali kelti, pirmiausia per tinkamas COOP/COEP antraščių konfigūracijas.