JavaScript lygiagrečių rinkinių sinchronizavimas: gijoms saugių struktūrų koordinavimas

JavaScript vystantis už vienos gijos vykdymo ribų, atsiradus „Web Workers“ ir kitoms lygiagrečioms paradigmoms, bendrų duomenų struktūrų valdymas tampa vis sudėtingesnis. Duomenų vientisumo užtikrinimas ir lenktynių sąlygų prevencija lygiagrečiose aplinkose reikalauja patikimų sinchronizavimo mechanizmų ir gijoms saugių duomenų struktūrų. Šiame straipsnyje gilinamasi į JavaScript lygiagrečių rinkinių sinchronizavimo subtilybes, nagrinėjant įvairius metodus ir aspektus, svarbius kuriant patikimas ir našias kelių gijų programas.

Lygiagretumo iššūkių supratimas JavaScript kalboje

Tradiciškai JavaScript kodas daugiausia buvo vykdomas vienoje gijoje interneto naršyklėse. Tai supaprastino duomenų valdymą, nes vienu metu duomenis pasiekti ir keisti galėjo tik viena kodo dalis. Tačiau didėjant skaičiavimams imlių interneto programų populiarumui ir atsiradus poreikiui vykdyti foninius procesus, buvo pristatyti „Web Workers“, kurie įgalino tikrąjį lygiagretumą JavaScript kalboje.

Kai kelios gijos („Web Workers“) vienu metu pasiekia ir keičia bendrus duomenis, kyla keletas iššūkių:

• Lenktynių sąlygos (Race Conditions): Atsiranda, kai skaičiavimo rezultatas priklauso nuo nenuspėjamos kelių gijų vykdymo tvarkos. Tai gali lemti netikėtas ir nenuoseklias duomenų būsenas.
• Duomenų sugadinimas: Lygiagretūs tų pačių duomenų pakeitimai be tinkamo sinchronizavimo gali lemti sugadintus ar nenuoseklius duomenis.
• Aklavietės (Deadlocks): Atsiranda, kai dvi ar daugiau gijų yra užblokuotos neribotam laikui, laukdamos viena kitos, kol atlaisvins išteklius.
• Badas (Starvation): Atsiranda, kai gijai nuolat neleidžiama pasiekti bendro ištekliaus, taip neleidžiant jai daryti pažangos.

Pagrindinės sąvokos: Atomics ir SharedArrayBuffer

JavaScript suteikia du pagrindinius blokus lygiagrečiam programavimui:

• SharedArrayBuffer: Duomenų struktūra, leidžianti keliems „Web Workers“ pasiekti ir keisti tą pačią atminties sritį. Tai yra labai svarbu efektyviam duomenų dalijimuisi tarp gijų.
• Atomics: Atominių operacijų rinkinys, kuris suteikia būdą atlikti skaitymo, rašymo ir atnaujinimo operacijas bendrose atminties vietose atomiškai. Atominės operacijos garantuoja, kad operacija atliekama kaip vienas, nedalomas vienetas, užkertant kelią lenktynių sąlygoms ir užtikrinant duomenų vientisumą.

Pavyzdys: Atomics naudojimas bendram skaitikliui padidinti

Apsvarstykime scenarijų, kai keliems „Web Workers“ reikia padidinti bendrą skaitiklį. Be atominių operacijų, šis kodas galėtų sukelti lenktynių sąlygas:

// SharedArrayBuffer, kuriame yra skaitiklis
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const counter = new Int32Array(sharedBuffer);

// Worker kodas (vykdomas kelių worker'ių)
counter[0]++; // Ne atominė operacija - pažeidžiama lenktynių sąlygoms

Naudojant Atomics.add() užtikrinama, kad padidinimo operacija yra atominė:

// SharedArrayBuffer, kuriame yra skaitiklis
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const counter = new Int32Array(sharedBuffer);

// Worker kodas (vykdomas kelių worker'ių)
Atomics.add(counter, 0, 1); // Atominis padidinimas

Sinchronizavimo metodai lygiagretiems rinkiniams

Valdant lygiagretų priėjimą prie bendrų rinkinių (masyvų, objektų, žemėlapių ir t.t.) JavaScript kalboje, galima naudoti kelis sinchronizavimo metodus:

1. Muteksai (abipusės išimties užraktai)

Muteksas yra sinchronizavimo primityvas, kuris leidžia tik vienai gijai vienu metu pasiekti bendrą išteklių. Kai gija įgyja muteksą, ji gauna išskirtinę prieigą prie saugomo ištekliaus. Kitos gijos, bandančios įgyti tą patį muteksą, bus užblokuotos, kol jį turinti gija jo neatlaisvins.

Įgyvendinimas naudojant Atomics:

class Mutex {
 constructor() {
 this.lock = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 }

 acquire() {
 while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, 0, 1) !== 0) {
 // Aktyvus laukimas (spin-wait) (jei reikia, atlaisvinkite giją, kad išvengtumėte per didelio CPU naudojimo)
 Atomics.wait(this.lock, 0, 1, 10); // Laukimas su laiko limitu
 }
 }

 release() {
 Atomics.store(this.lock, 0, 0);
 Atomics.notify(this.lock, 0, 1); // Pažadinti laukiančią giją
 }
}

// Naudojimo pavyzdys:
const mutex = new Mutex();
const sharedArray = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 10));

// Worker 1
mutex.acquire();
// Kritinė sekcija: prieiga prie sharedArray ir jo modifikavimas
sharedArray[0] = 10;
mutex.release();

// Worker 2
mutex.acquire();
// Kritinė sekcija: prieiga prie sharedArray ir jo modifikavimas
sharedArray[1] = 20;
mutex.release();

Paaiškinimas: Atomics.compareExchange bando atomiškai nustatyti užrakto reikšmę į 1, jei ji šiuo metu yra 0. Jei nepavyksta (kita gija jau laiko užraktą), gija laukia, kol užraktas bus atlaisvintas. Atomics.wait efektyviai blokuoja giją, kol Atomics.notify ją pažadina.

2. Semaforai

Semaforas yra mutekso apibendrinimas, leidžiantis ribotam skaičiui gijų lygiagrečiai pasiekti bendrą išteklių. Semaforas palaiko skaitiklį, kuris atspindi turimų leidimų skaičių. Gijos gali įgyti leidimą sumažindamos skaitiklį, ir atlaisvinti leidimą padidindamos skaitiklį. Kai skaitiklis pasiekia nulį, gijos, bandančios įgyti leidimą, bus blokuojamos, kol leidimas taps prieinamas.

class Semaphore {
 constructor(permits) {
 this.permits = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 Atomics.store(this.permits, 0, permits);
 }

 acquire() {
 while (true) {
 const currentPermits = Atomics.load(this.permits, 0);
 if (currentPermits > 0) {
 if (Atomics.compareExchange(this.permits, 0, currentPermits, currentPermits - 1) === currentPermits) {
 return;
 }
 } else {
 Atomics.wait(this.permits, 0, 0, 10);
 }
 }
 }

 release() {
 Atomics.add(this.permits, 0, 1);
 Atomics.notify(this.permits, 0, 1);
 }
}

// Naudojimo pavyzdys:
const semaphore = new Semaphore(3); // Leisti 3 lygiagrečias gijas
const sharedResource = [];

// Worker 1
semaphore.acquire();
// Prieiga prie sharedResource ir jo modifikavimas
sharedResource.push("Worker 1");
semaphore.release();

// Worker 2
semaphore.acquire();
// Prieiga prie sharedResource ir jo modifikavimas
sharedResource.push("Worker 2");
semaphore.release();

3. Skaitymo-rašymo užraktai

Skaitymo-rašymo užraktas leidžia kelioms gijoms lygiagrečiai skaityti bendrą išteklių, bet vienu metu leidžia rašyti į išteklių tik vienai gijai. Tai gali pagerinti našumą, kai skaitymo operacijų yra daug dažniau nei rašymo.

Įgyvendinimas: Įgyvendinti skaitymo-rašymo užraktą naudojant `Atomics` yra sudėtingiau nei paprastą muteksą ar semaforą. Paprastai tai apima atskirų skaitiklių palaikymą skaitytojams ir rašytojams bei atominių operacijų naudojimą prieigos valdymui.

Supaprastintas konceptualus pavyzdys (ne pilnas įgyvendinimas):

class ReadWriteLock {
 constructor() {
 this.readers = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 this.writer = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 }

 readLock() {
 // Gauti skaitymo užraktą (įgyvendinimas praleistas dėl trumpumo)
 // Būtina užtikrinti išskirtinę prieigą su rašytoju
 }

 readUnlock() {
 // Atlaisvinti skaitymo užraktą (įgyvendinimas praleistas dėl trumpumo)
 }

 writeLock() {
 // Gauti rašymo užraktą (įgyvendinimas praleistas dėl trumpumo)
 // Būtina užtikrinti išskirtinę prieigą su visais skaitytojais ir kitais rašytojais
 }

 writeUnlock() {
 // Atlaisvinti rašymo užraktą (įgyvendinimas praleistas dėl trumpumo)
 }
}

Pastaba: Pilnam `ReadWriteLock` įgyvendinimui reikalingas kruopštus skaitytojų ir rašytojų skaitiklių valdymas naudojant atomines operacijas ir galbūt laukimo/pranešimo mechanizmus. Bibliotekos, tokios kaip `threads.js`, gali pasiūlyti patikimesnius ir efektyvesnius įgyvendinimus.

4. Lygiagrečios duomenų struktūros

Užuot pasikliavus vien tik bendraisiais sinchronizavimo primityvais, apsvarstykite galimybę naudoti specializuotas lygiagrečias duomenų struktūras, kurios sukurtos būti gijoms saugios. Šios duomenų struktūros dažnai integruoja vidinius sinchronizavimo mechanizmus, kad užtikrintų duomenų vientisumą ir optimizuotų našumą lygiagrečiose aplinkose. Tačiau JavaScript kalboje integruotų, natūralių lygiagrečių duomenų struktūrų yra nedaug.

Bibliotekos: Apsvarstykite galimybę naudoti bibliotekas, tokias kaip `immutable.js` ar `immer`, kad duomenų manipuliacijos taptų labiau nuspėjamos ir būtų išvengta tiesioginio keitimo, ypač perduodant duomenis tarp „workers“. Nors tai nėra griežtai *lygiagrečios* duomenų struktūros, jos padeda išvengti lenktynių sąlygų, kuriant kopijas, o ne keičiant bendrą būseną tiesiogiai.

Pavyzdys: Immutable.js

import { Map } from 'immutable';

// Bendri duomenys
let sharedMap = Map({
  count: 0,
  data: 'Initial value'
});

// Worker 1
const updatedMap1 = sharedMap.set('count', sharedMap.get('count') + 1);

// Worker 2
const updatedMap2 = sharedMap.set('data', 'Updated value');

//sharedMap lieka nepaliestas ir saugus. Norint gauti rezultatus, kiekvienas worker'is turės atsiųsti atgal updatedMap egzempliorių, o tada juos galėsite sujungti pagrindinėje gijoje pagal poreikį.

Geriausios praktikos lygiagrečių rinkinių sinchronizavimui

Norėdami užtikrinti lygiagrečių JavaScript programų patikimumą ir našumą, laikykitės šių geriausių praktikų:

• Minimizuokite bendrą būseną: Kuo mažiau bendros būsenos turi jūsų programa, tuo mažiau reikia sinchronizavimo. Kurkite programą taip, kad kuo mažiau duomenų būtų dalijamasi tarp „workers“. Naudokite pranešimų perdavimą duomenims komunikuoti, užuot pasikliavę bendra atmintimi, kai tik tai įmanoma.
• Naudokite atomines operacijas: Dirbdami su bendra atmintimi, visada naudokite atomines operacijas, kad užtikrintumėte duomenų vientisumą.
• Pasirinkite tinkamą sinchronizavimo primityvą: Pasirinkite tinkamą sinchronizavimo primityvą atsižvelgdami į konkrečius jūsų programos poreikius. Muteksai tinka išskirtinei prieigai prie bendrų išteklių apsaugoti, o semaforai geriau tinka valdyti lygiagretų priėjimą prie riboto skaičiaus išteklių. Skaitymo-rašymo užraktai gali pagerinti našumą, kai skaitymo operacijų yra daug dažniau nei rašymo.
• Venkite aklaviečių: Kruopščiai kurkite sinchronizavimo logiką, kad išvengtumėte aklaviečių. Užtikrinkite, kad gijos įgytų ir atlaisvintų užraktus nuoseklia tvarka. Naudokite laiko limitus, kad gijos nebūtų blokuojamos neribotam laikui.
• Atsižvelkite į našumo pasekmes: Sinchronizavimas gali sukelti papildomų išlaidų. Minimizuokite laiką, praleidžiamą kritinėse sekcijose, ir venkite nereikalingo sinchronizavimo. Profiluokite savo programą, kad nustatytumėte našumo problemas.
• Testuokite kruopščiai: Kruopščiai testuokite savo lygiagretų kodą, kad nustatytumėte ir ištaisytumėte lenktynių sąlygas ir kitas su lygiagretumu susijusias problemas. Naudokite įrankius, tokius kaip gijų sanitarai (thread sanitizers), kad aptiktumėte galimas lygiagretumo problemas.
• Dokumentuokite savo sinchronizavimo strategiją: Aiškiai dokumentuokite savo sinchronizavimo strategiją, kad kitiems programuotojams būtų lengviau suprasti ir prižiūrėti jūsų kodą.
• Venkite aktyvaus laukimo užraktų (Spin Locks): Aktyvaus laukimo užraktai, kai gija cikle nuolat tikrina užrakto kintamąjį, gali sunaudoti daug CPU išteklių. Naudokite `Atomics.wait`, kad efektyviai blokuotumėte gijas, kol išteklius taps prieinamas.

Praktiniai pavyzdžiai ir naudojimo atvejai

1. Vaizdų apdorojimas: Paskirstykite vaizdų apdorojimo užduotis keliems „Web Workers“, kad pagerintumėte našumą. Kiekvienas „worker“ gali apdoroti dalį vaizdo, o rezultatai gali būti sujungti pagrindinėje gijoje. `SharedArrayBuffer` gali būti naudojamas efektyviam vaizdo duomenų dalijimuisi tarp „workers“.

2. Duomenų analizė: Atlikite sudėtingą duomenų analizę lygiagrečiai naudodami „Web Workers“. Kiekvienas „worker“ gali analizuoti dalį duomenų, o rezultatai gali būti sujungti pagrindinėje gijoje. Naudokite sinchronizavimo mechanizmus, kad užtikrintumėte teisingą rezultatų sujungimą.

3. Žaidimų kūrimas: Perkelkite skaičiavimams imlią žaidimo logiką į „Web Workers“, kad pagerintumėte kadrų dažnį. Naudokite sinchronizavimą valdyti prieigą prie bendros žaidimo būsenos, tokios kaip žaidėjų pozicijos ir objektų savybės.

4. Mokslinės simuliacijos: Vykdykite mokslines simuliacijas lygiagrečiai naudodami „Web Workers“. Kiekvienas „worker“ gali simuliuoti dalį sistemos, o rezultatai gali būti sujungti, kad būtų gauta visa simuliacija. Naudokite sinchronizavimą, kad užtikrintumėte tikslų rezultatų sujungimą.

Alternatyvos SharedArrayBuffer

Nors `SharedArrayBuffer` ir `Atomics` suteikia galingus įrankius lygiagrečiam programavimui, jie taip pat sukelia sudėtingumą ir galimas saugumo rizikas. Alternatyvos bendros atminties lygiagretumui apima:

• Pranešimų perdavimas: „Web Workers“ gali bendrauti su pagrindine gija ir kitais „workers“ naudodami pranešimų perdavimą. Šis metodas leidžia išvengti bendros atminties ir sinchronizavimo poreikio, tačiau jis gali būti mažiau efektyvus perduodant didelius duomenų kiekius.
• Service Workers: „Service Workers“ gali būti naudojami foninėms užduotims atlikti ir duomenims talpinti. Nors jie nėra pirmiausia skirti lygiagretumui, juos galima naudoti darbui perkelti iš pagrindinės gijos.
• OffscreenCanvas: Leidžia atlikti atvaizdavimo operacijas „Web Worker“, o tai gali pagerinti sudėtingų grafikos programų našumą.
• WebAssembly (WASM): WASM leidžia naršyklėje vykdyti kodą, parašytą kitomis kalbomis (pvz., C++, Rust). WASM kodas gali būti kompiliuojamas su lygiagretumo ir bendros atminties palaikymu, suteikiant alternatyvų būdą įgyvendinti lygiagrečias programas.
• Aktorių modelio įgyvendinimai: Tyrinėkite JavaScript bibliotekas, kurios siūlo aktorių modelį lygiagretumui. Aktorių modelis supaprastina lygiagretų programavimą, inkapsuliuodamas būseną ir elgesį aktoriuose, kurie bendrauja perduodami pranešimus.

Saugumo aspektai

`SharedArrayBuffer` ir `Atomics` sukelia galimas saugumo spragas, tokias kaip „Spectre“ ir „Meltdown“. Šios spragos išnaudoja spekuliatyvųjį vykdymą, kad nutekintų duomenis iš bendros atminties. To mitigate these risks, ensure that your browser and operating system are up to date with the latest security patches. Apsvarstykite galimybę naudoti kryžminės kilmės izoliaciją (cross-origin isolation), kad apsaugotumėte savo programą nuo kryžminių svetainių atakų. Kryžminės kilmės izoliacijai reikia nustatyti `Cross-Origin-Opener-Policy` ir `Cross-Origin-Embedder-Policy` HTTP antraštes.

Išvada

Lygiagrečių rinkinių sinchronizavimas JavaScript kalboje yra sudėtinga, bet esminė tema kuriant našias ir patikimas kelių gijų programas. By understanding the challenges of concurrency and utilizing the appropriate synchronization techniques, developers can create applications that leverage the power of multi-core processors and improve the user experience. Kruopštus sinchronizavimo primityvų, duomenų struktūrų ir saugumo geriausių praktikų svarstymas yra gyvybiškai svarbus kuriant tvirtas ir keičiamo dydžio lygiagrečias JavaScript programas. Explore libraries and design patterns that can simplify concurrent programming and reduce the risk of errors. Atminkite, kad kruopštus testavimas ir profiliavimas yra būtini norint užtikrinti jūsų lygiagretaus kodo teisingumą ir našumą.