JavaScript modulių Worker'ių komunikacija: Įvaldome Worker'ių modulių pranešimų siuntimą

Šiuolaikinėms žiniatinklio programoms reikalingas didelis našumas ir greita reakcija. Viena iš pagrindinių technikų tai pasiekti JavaScript aplinkoje yra Web Worker'ių panaudojimas skaičiavimams imlioms užduotims atlikti fone, taip atlaisvinant pagrindinę giją (main thread) vartotojo sąsajos atnaujinimams ir sąveikoms. Būtent modulių Worker'iai (Module Workers) suteikia galingą ir organizuotą būdą struktūrizuoti worker'io kodą. Šiame straipsnyje gilinamasi į JavaScript modulių Worker'ių komunikacijos subtilybes, daugiausia dėmesio skiriant worker'ių modulių pranešimų siuntimui – pagrindiniam sąveikos mechanizmui tarp pagrindinės ir worker'io gijų.

Kas yra modulių Worker'iai?

Web Worker'iai leidžia vykdyti JavaScript kodą fone, nepriklausomai nuo pagrindinės gijos. Tai yra labai svarbu norint išvengti vartotojo sąsajos (UI) užstrigimų ir palaikyti sklandžią vartotojo patirtį, ypač dirbant su sudėtingais skaičiavimais, duomenų apdorojimu ar tinklo užklausomis. Modulių Worker'iai išplečia tradicinių Web Worker'ių galimybes, leisdami naudoti ES modulius worker'io kontekste. Tai suteikia keletą privalumų:

• Geresnė kodo organizacija: ES moduliai skatina moduliškumą, todėl jūsų worker'io kodą lengviau valdyti, prižiūrėti ir pakartotinai naudoti.
• Priklausomybių valdymas: Galite lengvai importuoti ir valdyti priklausomybes naudodami standartinę ES modulių sintaksę (import ir export).
• Kodo pakartotinis naudojimas: Bendrinkite kodą tarp pagrindinės ir worker'io gijų naudodami ES modulius, taip sumažindami kodo dubliavimą.
• Šiuolaikinė sintaksė: Naudokite naujausias JavaScript funkcijas savo worker'yje, nes ES moduliai yra plačiai palaikomi.

Modulio Worker'io paruošimas

Modulio Worker'io sukūrimas yra panašus į tradicinio Web Worker'io kūrimą, tačiau su vienu svarbiu skirtumu: kuriant worker'io egzempliorių, nurodote parinktį type: 'module'.

Pavyzdys: (main.js)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

            

              
                Copy
              
            
          

Tai nurodo naršyklei traktuoti worker.js kaip ES modulį. Failas worker.js turės kodą, kuris bus vykdomas worker'io gijoje.

Pavyzdys: (worker.js)

            // worker.js
import { someFunction } from './module.js';

self.onmessage = (event) => {
  const data = event.data;
  const result = someFunction(data);
  self.postMessage(result);
};

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje worker'is importuoja funkciją someFunction iš kito modulio (module.js) ir naudoja ją apdoroti duomenims, gautiems iš pagrindinės gijos. Rezultatas tada siunčiamas atgal į pagrindinę giją.

Worker'ių modulių pranešimų siuntimas: Pagrindai

Worker'ių modulių pranešimų siuntimas remiasi postMessage() API, kuri leidžia siųsti duomenis tarp pagrindinės ir worker'io gijos. Duomenys yra serializuojami ir deserializuojami, kai perduodami tarp gijų, o tai reiškia, kad originalus objektas yra nukopijuojamas. Tai užtikrina, kad vienoje gijoje atlikti pakeitimai tiesiogiai nepaveiks kitos gijos. Svarbiausi susiję metodai yra:

• worker.postMessage(message, transfer) (Pagrindinė gija): Siunčia pranešimą į worker'io giją. Argumentas message gali būti bet koks JavaScript objektas, kurį galima serializuoti naudojant struktūrinio klonavimo algoritmą. Pasirenkamas argumentas transfer yra Transferable objektų masyvas (aptariamas vėliau).
• worker.onmessage = (event) => { ... } (Pagrindinė gija): Įvykių klausytojas, kuris suveikia, kai pagrindinė gija gauna pranešimą iš worker'io gijos. Savybė event.data turi pranešimo duomenis.
• self.postMessage(message, transfer) (Worker'io gija): Siunčia pranešimą į pagrindinę giją. Argumentas message yra siunčiami duomenys, o argumentas transfer yra pasirenkamas Transferable objektų masyvas. self nurodo worker'io globalią sritį.
• self.onmessage = (event) => { ... } (Worker'io gija): Įvykių klausytojas, kuris suveikia, kai worker'io gija gauna pranešimą iš pagrindinės gijos. Savybė event.data turi pranešimo duomenis.

Paprastas pranešimų siuntimo pavyzdys

Iliustruokime worker'ių modulių pranešimų siuntimą paprastu pavyzdžiu, kuriame pagrindinė gija siunčia skaičių į worker'į, o worker'is apskaičiuoja skaičiaus kvadratą ir siunčia jį atgal į pagrindinę giją.

Pavyzdys: (main.js)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

worker.onmessage = (event) => {
  const result = event.data;
  console.log('Result from worker:', result);
};

worker.postMessage(5);

            

              
                Copy
              
            
          

Pavyzdys: (worker.js)

            self.onmessage = (event) => {
  const number = event.data;
  const square = number * number;
  self.postMessage(square);
};

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje pagrindinė gija sukuria worker'į ir prijungia onmessage klausytoją, kad apdorotų pranešimus iš worker'io. Tada ji siunčia skaičių 5 į worker'į naudodama worker.postMessage(5). Worker'is gauna skaičių, apskaičiuoja jo kvadratą ir siunčia rezultatą atgal į pagrindinę giją naudodamas self.postMessage(square). Pagrindinė gija tada išveda rezultatą į konsolę.

Pažangios pranešimų siuntimo technikos

Be pagrindinio pranešimų siuntimo, yra keletas pažangių technikų, kurios gali pagerinti našumą ir lankstumą:

Perkeliami objektai (Transferable Objects)

Struktūrinio klonavimo algoritmas, naudojamas postMessage(), sukuria siunčiamų duomenų kopiją. Tai gali būti neefektyvu dideliems objektams. Perkeliami objektai siūlo būdą perkelti pagrindinio atminties buferio nuosavybę iš vienos gijos į kitą nekopijuojant duomenų. Tai gali žymiai pagerinti našumą dirbant su dideliais masyvais ar kitomis daug atminties reikalaujančiomis duomenų struktūromis.

Perkeliamų objektų pavyzdžiai:

• ArrayBuffer
• MessagePort
• ImageBitmap
• OffscreenCanvas

Norėdami perkelti objektą, jį įtraukiate į postMessage() metodo transfer argumentą.

Pavyzdys: (main.js)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

worker.onmessage = (event) => {
  const arrayBuffer = event.data;
  const uint8Array = new Uint8Array(arrayBuffer);
  console.log('Received ArrayBuffer from worker:', uint8Array);
};

const arrayBuffer = new ArrayBuffer(1024);
const uint8Array = new Uint8Array(arrayBuffer);

for (let i = 0; i < uint8Array.length; i++) {
  uint8Array[i] = i;
}

worker.postMessage(arrayBuffer, [arrayBuffer]); // Transfer ownership

            

              
                Copy
              
            
          

Pavyzdys: (worker.js)

            self.onmessage = (event) => {
  const arrayBuffer = event.data;
  const uint8Array = new Uint8Array(arrayBuffer);

  for (let i = 0; i < uint8Array.length; i++) {
    uint8Array[i] *= 2; // Modify the array
  }

  self.postMessage(arrayBuffer, [arrayBuffer]); // Transfer back
};

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje pagrindinė gija sukuria ArrayBuffer ir užpildo jį duomenimis. Tada ji perduoda ArrayBuffer nuosavybę worker'iui naudodama worker.postMessage(arrayBuffer, [arrayBuffer]). Po perdavimo ArrayBuffer pagrindinėje gijoje tampa nepasiekiamas (laikomas atjungtu). Worker'is gauna ArrayBuffer, modifikuoja jo turinį ir perduoda jį atgal į pagrindinę giją. Pagrindinė gija tada gali pasiekti modifikuotą ArrayBuffer. Tai leidžia išvengti duomenų kopijavimo pridėtinių išlaidų, todėl našumas žymiai padidėja, ypač dideliems masyvams.

SharedArrayBuffer

Nors perkeliami objektai perduoda nuosavybę, SharedArrayBuffer leidžia kelioms gijoms (įskaitant pagrindinę ir worker'ių gijas) pasiekti *tą pačią* atminties vietą. Tai suteikia tiesioginės bendrinamos atminties komunikacijos mechanizmą, tačiau taip pat reikalauja kruopštaus sinchronizavimo, kad būtų išvengta lenktynių sąlygų ir duomenų sugadinimo. SharedArrayBuffer paprastai naudojamas kartu su Atomics operacijomis, kurios suteikia atomines skaitymo, rašymo ir atnaujinimo operacijas bendrinamose atminties vietose.

Svarbi pastaba: Naudojant SharedArrayBuffer, reikia nustatyti konkrečias HTTP antraštes (Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin ir Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp), kad būtų sušvelninti „Spectre“ ir „Meltdown“ saugumo pažeidžiamumai. Šios antraštės įgalina kryžminės kilmės izoliaciją (Cross-Origin Isolation).

Pavyzdys: (main.js - Reikalinga kryžminės kilmės izoliacija)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

worker.onmessage = (event) => {
  console.log('Received from worker:', event.data);
};

const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 10);
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

sharedArray[0] = 100;

worker.postMessage(sharedBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

Pavyzdys: (worker.js - Reikalinga kryžminės kilmės izoliacija)

            self.onmessage = (event) => {
  const sharedBuffer = event.data;
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

  // Atomically add 50 to the first element
  Atomics.add(sharedArray, 0, 50);

  self.postMessage(sharedArray[0]);
};

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje pagrindinė gija sukuria SharedArrayBuffer ir inicializuoja jo pirmąjį elementą į 100. Tada ji siunčia SharedArrayBuffer į worker'į. Worker'is gauna SharedArrayBuffer ir naudoja Atomics.add(), kad atomiškai pridėtų 50 prie pirmojo elemento. Tada worker'is siunčia pirmojo elemento vertę atgal į pagrindinę giją. Abi gijos pasiekia ir modifikuoja *tą pačią* atminties vietą. Be tinkamo sinchronizavimo (kaip naudojant Atomics), tai gali sukelti lenktynių sąlygas, kai duomenys perrašomi nenuosekliai.

Pranešimų kanalai (MessagePort ir MessageChannel)

Pranešimų kanalai suteikia dedikuotą, dvikryptį komunikacijos kanalą tarp dviejų vykdymo kontekstų (pvz., pagrindinės gijos ir worker'io gijos). MessageChannel turi du MessagePort objektus, po vieną kiekvienam kanalo galiniam taškui. Galite perkelti vieną iš MessagePort objektų į worker'io giją, leisdami tiesioginę komunikaciją tarp dviejų prievadų.

Pavyzdys: (main.js)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

const channel = new MessageChannel();
const port1 = channel.port1;
const port2 = channel.port2;

port1.onmessage = (event) => {
  console.log('Received from worker via MessageChannel:', event.data);
};

worker.postMessage(port2, [port2]); // Transfer port2 to the worker

port1.postMessage('Hello from main thread!');

            

              
                Copy
              
            
          

Pavyzdys: (worker.js)

            self.onmessage = (event) => {
  const port = event.data;

  port.onmessage = (event) => {
    console.log('Received from main thread via MessageChannel:', event.data);
  };

  port.postMessage('Hello from worker!');
};

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje pagrindinė gija sukuria MessageChannel ir gauna du jo prievadus. Ji prijungia onmessage klausytoją prie port1 ir perduoda port2 worker'iui. Worker'is gauna port2 ir prijungia savo onmessage klausytoją. Dabar pagrindinė ir worker'io gijos gali tiesiogiai bendrauti viena su kita naudodamos pranešimų kanalą, nereikia naudoti globalių self.onmessage ir worker.onmessage įvykių tvarkyklių.

Klaidų tvarkymas Worker'iuose

Klaidų tvarkymas worker'iuose yra labai svarbus kuriant patikimas programas. Worker'io gijoje įvykusios klaidos automatiškai nepersiduoda į pagrindinę giją. Turite aiškiai tvarkyti klaidas worker'yje ir pranešti apie jas atgal į pagrindinę giją.

Pavyzdys: (worker.js)

            self.onmessage = (event) => {
  try {
    const data = event.data;
    // Simulate an error
    if (data === 'error') {
      throw new Error('Simulated error in worker');
    }

    const result = data * 2;
    self.postMessage(result);
  } catch (error) {
    self.postMessage({ error: error.message });
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

Pavyzdys: (main.js)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

worker.onmessage = (event) => {
  if (event.data.error) {
    console.error('Error from worker:', event.data.error);
  } else {
    console.log('Result from worker:', event.data);
  }
};

worker.postMessage(10);
worker.postMessage('error'); // Trigger the error in the worker

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje worker'is apgaubia savo kodą try...catch bloku, kad tvarkytų galimas klaidas. Jei įvyksta klaida, jis siunčia objektą su klaidos pranešimu atgal į pagrindinę giją. Pagrindinė gija patikrina gautame pranešime esančią error savybę ir, jei ji egzistuoja, išveda klaidos pranešimą į konsolę. Šis metodas leidžia grakščiai tvarkyti worker'yje įvykusias klaidas ir apsaugoti programą nuo strigimo.

Geriausios Worker'ių modulių pranešimų siuntimo praktikos

• Minimizuokite duomenų perdavimą: Siųskite tik tuos duomenis, kurie yra absoliučiai būtini worker'iui. Venkite siųsti didelių, sudėtingų objektų, jei įmanoma.
• Naudokite perkeliamus objektus: Didelėms duomenų struktūroms, tokioms kaip ArrayBuffer, naudokite perkeliamus objektus, kad išvengtumėte nereikalingo kopijavimo.
• Įdiekite klaidų tvarkymą: Visada tvarkykite klaidas savo worker'yje ir praneškite apie jas atgal į pagrindinę giją.
• Išlaikykite worker'ių specifiškumą: Kurkite worker'ius taip, kad jie atliktų konkrečias, gerai apibrėžtas užduotis. Tai padaro jūsų kodą lengviau suprantamą, testuojamą ir prižiūrimą.
• Profiluokite savo kodą: Naudokite naršyklės kūrėjo įrankius, kad profiliuotumėte savo kodą ir nustatytumėte našumo problemas. Worker'iai ne visada pagerina našumą, todėl svarbu išmatuoti jų naudojimo poveikį.
• Atsižvelkite į pridėtines išlaidas: Worker'ių kūrimas ir naikinimas turi tam tikrų pridėtinių išlaidų. Labai trumpoms užduotims worker'io naudojimo pridėtinės išlaidos gali viršyti darbo perkėlimo į foninę giją naudą.
• Valdykite worker'io gyvavimo ciklą: Užtikrinkite, kad nutrauktumėte worker'ių veiklą, kai jie nebėra reikalingi, naudodami worker.terminate(), kad atlaisvintumėte resursus.
• Naudokite užduočių eilę (sudėtingoms darbo apkrovoms): Sudėtingoms darbo apkrovoms apsvarstykite galimybę įdiegti užduočių eilę savo worker'yje. Pagrindinė gija tada gali įtraukti užduotis į eilę worker'yje, o worker'is jas apdoroja nuosekliai. Tai gali padėti valdyti lygiagretumą ir išvengti worker'io gijos perkrovos.

Realaus pasaulio naudojimo atvejai

Worker'ių modulių pranešimų siuntimas yra galinga technika, taikoma įvairiose srityse. Štai keletas dažniausiai pasitaikančių naudojimo atvejų:

• Vaizdų apdorojimas: Atlikite vaizdų dydžio keitimo, filtravimo ir kitas skaičiavimams imlias vaizdų apdorojimo užduotis fone. Pavyzdžiui, žiniatinklio programa, leidžianti vartotojams redaguoti nuotraukas, gali naudoti worker'ius filtrams ir efektams taikyti, neblokuodama pagrindinės gijos.
• Duomenų analizė ir vizualizavimas: Analizuokite didelius duomenų rinkinius ir generuokite vizualizacijas fone. Pavyzdžiui, finansų prietaisų skydelis gali naudoti worker'ius akcijų rinkos duomenims apdoroti ir diagramoms atvaizduoti, nepaveikiant vartotojo sąsajos reakcijos greičio.
• Kriptografija: Atlikite šifravimo ir dešifravimo operacijas fone. Pavyzdžiui, saugių pranešimų programa gali naudoti worker'ius pranešimams šifruoti ir dešifruoti, nelėtindama vartotojo sąsajos.
• Žaidimų kūrimas: Perkelkite žaidimo logiką, fizikos skaičiavimus ir dirbtinio intelekto apdorojimą į worker'ių gijas. Pavyzdžiui, žaidimas gali naudoti worker'ius ne žaidėjų personažų (NPC) judėjimui ir elgsenai valdyti, nepaveikiant kadrų dažnio.
• Kodo transpiliavimas ir surinkimas (pvz., Webpack naršyklėje): Naudokite worker'ius resursams imlioms kodo transformacijoms atlikti kliento pusėje.
• Garso apdorojimas: Apdorokite ir manipuliuokite garso duomenimis fone. Pavyzdžiui, muzikos redagavimo programa gali naudoti worker'ius garso efektams ir filtrams taikyti, nesukeliant vėlavimo ar trūkčiojimo.
• Mokslinės simuliacijos: Vykdykite sudėtingas mokslines simuliacijas fone. Pavyzdžiui, orų prognozavimo programa gali naudoti worker'ius orų modeliams simuliuoti ir prognozėms generuoti.

Išvada

JavaScript modulių Worker'iai ir Worker'ių modulių pranešimų siuntimas suteikia galingą ir efektyvų būdą atlikti skaičiavimams imlias užduotis fone, gerinant žiniatinklio programų našumą ir reakcijos greitį. Suprasdami worker'ių modulių pranešimų siuntimo pagrindus, naudodami pažangias technikas, tokias kaip perkeliami objektai ir SharedArrayBuffer (su tinkama kryžminės kilmės izoliacija), ir laikydamiesi geriausių praktikų, galite kurti patikimas ir mastelio keitimui pritaikytas programas, kurios užtikrina sklandžią ir malonią vartotojo patirtį. Kadangi žiniatinklio programos tampa vis sudėtingesnės, Web Worker'ių ir modulių Worker'ių naudojimas ir toliau bus vis svarbesnis. Nepamirškite atidžiai apsvarstyti kompromisų ir pridėtinių išlaidų, susijusių su worker'ių naudojimu, ir profiliuoti savo kodą, kad įsitikintumėte, jog jie iš tikrųjų gerina našumą. Raktas į sėkmingą worker'ių įgyvendinimą slypi apgalvotame projektavime, kruopščiame planavime ir išsamiame pagrindinių technologijų supratime.