JavaScript modulių Worker gijos: foninio modulių apdorojimo įvaldymas

JavaScript, tradiciškai būdama vienagijė, kartais gali susidurti su sunkumais atliekant skaičiavimams imlias užduotis, kurios blokuoja pagrindinę giją ir sukelia vartotojo sąsajos (UI) strigimą bei prastą vartotojo patirtį. Tačiau, atsiradus Worker gijoms ir ECMAScript moduliams, kūrėjai dabar turi galingus įrankius, leidžiančius perkelti užduotis į fonines gijas ir išlaikyti savo programas reaguojančias. Šiame straipsnyje gilinamasi į JavaScript modulių Worker gijų pasaulį, nagrinėjami jų privalumai, diegimas ir gerosios praktikos, skirtos kurti našias žiniatinklio programas.

Supratimas, kodėl reikalingos Worker gijos

Pagrindinė priežastis naudoti Worker gijas yra vykdyti JavaScript kodą lygiagrečiai, ne pagrindinėje gijoje. Pagrindinė gija yra atsakinga už vartotojo sąveikų tvarkymą, DOM atnaujinimą ir daugumos programos logikos vykdymą. Kai pagrindinėje gijoje vykdoma ilgai trunkanti arba daug procesoriaus resursų reikalaujanti užduotis, ji gali užblokuoti UI, todėl programa nustoja reaguoti.

Apsvarstykite šiuos scenarijus, kur Worker gijos gali būti ypač naudingos:

• Paveikslėlių ir vaizdo įrašų apdorojimas: Sudėtingos paveikslėlių manipuliacijos (dydžio keitimas, filtravimas) arba vaizdo įrašų kodavimas/dekodavimas gali būti perkelti į Worker giją, taip išvengiant UI strigimo proceso metu. Įsivaizduokite žiniatinklio programą, kuri leidžia vartotojams įkelti ir redaguoti paveikslėlius. Be Worker gijų, šios operacijos galėtų padaryti programą nereaguojančia, ypač su dideliais paveikslėliais.
• Duomenų analizė ir skaičiavimai: Sudėtingų skaičiavimų, duomenų rūšiavimo ar statistinės analizės atlikimas gali reikalauti daug skaičiavimo resursų. Worker gijos leidžia šioms užduotims būti vykdomoms fone, išlaikant UI reaguojančią. Pavyzdžiui, finansinė programa, kuri skaičiuoja realaus laiko akcijų tendencijas, arba mokslinė programa, atliekanti sudėtingas simuliacijas.
• Sudėtingos DOM manipuliacijos: Nors DOM manipuliacijas paprastai tvarko pagrindinė gija, labai didelio masto DOM atnaujinimai ar sudėtingi atvaizdavimo skaičiavimai kartais gali būti perkelti (nors tam reikalinga atidi architektūra, kad būtų išvengta duomenų neatitikimų).
• Tinklo užklausos: Nors fetch/XMLHttpRequest yra asinchroninės, didelių atsakymų apdorojimo perkėlimas gali pagerinti suvokiamą našumą. Įsivaizduokite, kad atsisiunčiate labai didelį JSON failą ir jį reikia apdoroti. Atsisiuntimas yra asinchroninis, bet failo analizavimas ir apdorojimas vis tiek gali blokuoti pagrindinę giją.
• Šifravimas/Dešifravimas: Kriptografinės operacijos reikalauja daug skaičiavimo resursų. Naudojant Worker gijas, UI nestringa, kai vartotojas šifruoja ar dešifruoja duomenis.

JavaScript Worker gijų pristatymas

Worker gijos yra funkcija, pristatyta Node.js ir standartizuota naršyklėms per Web Workers API. Jos leidžia jums sukurti atskiras vykdymo gijas jūsų JavaScript aplinkoje. Kiekviena Worker gija turi savo atminties erdvę, kas apsaugo nuo lenktynių sąlygų (race conditions) ir užtikrina duomenų izoliaciją. Bendravimas tarp pagrindinės ir Worker gijų vyksta perduodant pranešimus.

Pagrindinės sąvokos:

• Gijų izoliacija: Kiekviena Worker gija turi savo nepriklausomą vykdymo kontekstą ir atminties erdvę. Tai neleidžia gijoms tiesiogiai pasiekti viena kitos duomenų, mažinant duomenų sugadinimo ir lenktynių sąlygų riziką.
• Pranešimų perdavimas: Bendravimas tarp pagrindinės ir Worker gijų vyksta perduodant pranešimus naudojant `postMessage()` metodą ir `message` įvykį. Duomenys yra serializuojami siunčiant tarp gijų, užtikrinant duomenų vientisumą.
• ECMAScript moduliai (ESM): Šiuolaikinis JavaScript naudoja ECMAScript modulius kodo organizavimui ir moduliarizavimui. Worker gijos dabar gali tiesiogiai vykdyti ESM modulius, supaprastinant kodo valdymą ir priklausomybių tvarkymą.

Darbas su modulių Worker gijomis

Prieš atsirandant modulių Worker gijoms, gijos galėjo būti kuriamos tik su URL, kuris nurodydavo atskirą JavaScript failą. Tai dažnai sukeldavo problemų su modulių nustatymu ir priklausomybių valdymu. Tačiau modulių Worker gijos leidžia kurti gijas tiesiogiai iš ES modulių.

Modulio Worker gijos sukūrimas

Norėdami sukurti modulio Worker giją, tiesiog perduokite ES modulio URL į `Worker` konstruktorių kartu su `type: 'module'` parinktimi:

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

Šiame pavyzdyje `my-module.js` yra ES modulis, kuriame yra kodas, skirtas vykdyti Worker gijoje.

Pavyzdys: Paprasta modulio Worker gija

Sukurkime paprastą pavyzdį. Pirmiausia sukurkite failą pavadinimu `worker.js`:

// worker.js

addEventListener('message', (event) => {
  const data = event.data;
  console.log('Worker gija gavo:', data);

  const result = data * 2;
  postMessage(result);
});

Dabar sukurkite savo pagrindinį JavaScript failą:

// main.js

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

worker.addEventListener('message', (event) => {
  const result = event.data;
  console.log('Pagrindinė gija gavo:', result);
});

worker.postMessage(10);

Šiame pavyzdyje:

• `main.js` sukuria naują Worker giją naudodama `worker.js` modulį.
• Pagrindinė gija siunčia pranešimą (skaičių 10) Worker gijai naudodama `worker.postMessage()`.
• Worker gija gauna pranešimą, padaugina jį iš 2 ir siunčia rezultatą atgal pagrindinei gijai.
• Pagrindinė gija gauna rezultatą ir atspausdina jį konsolėje.

Duomenų siuntimas ir gavimas

Duomenys tarp pagrindinės ir Worker gijų keičiami naudojant `postMessage()` metodą ir `message` įvykį. `postMessage()` metodas serializuoja duomenis prieš juos siunčiant, o `message` įvykis suteikia prieigą prie gautų duomenų per `event.data` savybę.

Galite siųsti įvairių tipų duomenis, įskaitant:

• Primitivias reikšmes (skaičius, eilutes, logines reikšmes)
• Objektus (įskaitant masyvus)
• Perkeliamus objektus (ArrayBuffer, MessagePort, ImageBitmap)

Perkeliami objektai yra specialus atvejis. Užuot juos kopijuojant, jie yra perkeliami iš vienos gijos į kitą, kas žymiai pagerina našumą, ypač dirbant su didelėmis duomenų struktūromis, tokiomis kaip ArrayBuffers.

Pavyzdys: Perkeliami objektai

Pailiustruokime pavyzdžiu su ArrayBuffer. Sukurkite `worker_transfer.js`:

// worker_transfer.js

addEventListener('message', (event) => {
  const buffer = event.data;
  const array = new Uint8Array(buffer);

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

  postMessage(buffer, [buffer]); // Perduodame nuosavybę atgal
});

Ir pagrindinį failą `main_transfer.js`:

// main_transfer.js

const buffer = new ArrayBuffer(1024);
const array = new Uint8Array(buffer);

// Inicializuojame masyvą
for (let i = 0; i < array.length; i++) {
  array[i] = i;
}

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

worker.addEventListener('message', (event) => {
  const receivedBuffer = event.data;
  const receivedArray = new Uint8Array(receivedBuffer);

  console.log('Pagrindinė gija gavo:', receivedArray);
});

worker.postMessage(buffer, [buffer]); // Perduodame nuosavybę worker gijai

Šiame pavyzdyje:

• Pagrindinė gija sukuria ArrayBuffer ir inicializuoja jį reikšmėmis.
• Pagrindinė gija perduoda ArrayBuffer nuosavybę Worker gijai naudodama `worker.postMessage(buffer, [buffer])`. Antrasis argumentas, `[buffer]`, yra perkeliamų objektų masyvas.
• Worker gija gauna ArrayBuffer, jį modifikuoja ir perduoda nuosavybę atgal pagrindinei gijai.
• Po `postMessage` pagrindinė gija *daugiau nebeturi* prieigos prie to ArrayBuffer. Bandymas jį skaityti ar į jį rašyti sukels klaidą. Taip yra todėl, kad nuosavybė buvo perduota.
• Pagrindinė gija gauna modifikuotą ArrayBuffer.

Perkeliami objektai yra labai svarbūs našumui, kai dirbama su dideliais duomenų kiekiais, nes jie leidžia išvengti kopijavimo pridėtinių išlaidų.

Klaidų tvarkymas

Klaidos, kurios įvyksta Worker gijoje, gali būti pagaunamos klausantis `error` įvykio ant Worker objekto.

worker.addEventListener('error', (event) => {
  console.error('Worker gijos klaida:', event.message, event.filename, event.lineno);
});

Tai leidžia jums tvarkingai valdyti klaidas ir apsaugoti visą programą nuo sutrikimų.

Praktinis pritaikymas ir pavyzdžiai

Panagrinėkime keletą praktinių pavyzdžių, kaip modulių Worker gijos gali būti naudojamos programos našumui pagerinti.

1. Paveikslėlių apdorojimas

Įsivaizduokite žiniatinklio programą, kuri leidžia vartotojams įkelti paveikslėlius ir taikyti įvairius filtrus (pvz., pilkumo tonai, suliejimas, sepija). Šių filtrų taikymas tiesiogiai pagrindinėje gijoje gali sukelti UI strigimą, ypač su dideliais paveikslėliais. Naudojant Worker giją, paveikslėlių apdorojimas gali būti perkeltas į foną, išlaikant UI reaguojančią.

Worker gija (image-worker.js):

// image-worker.js

import { applyGrayscaleFilter } from './image-filters.js';

addEventListener('message', async (event) => {
  const { imageData, filter } = event.data;
  let processedImageData;

  switch (filter) {
    case 'grayscale':
      processedImageData = applyGrayscaleFilter(imageData);
      break;
    // Čia pridėkite kitus filtrus
    default:
      processedImageData = imageData;
  }

  postMessage(processedImageData, [processedImageData.data.buffer]); // Perkeliamas objektas
});

Pagrindinė gija:

// main.js

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

worker.addEventListener('message', (event) => {
  const processedImageData = event.data;
  // Atnaujinkite drobę (canvas) su apdorotais paveikslėlio duomenimis
  updateCanvas(processedImageData);
});

// Gaukite paveikslėlio duomenis iš drobės (canvas)
const imageData = getImageData();

worker.postMessage({ imageData: imageData, filter: 'grayscale' }, [imageData.data.buffer]); // Perkeliamas objektas

2. Duomenų analizė

Apsvarstykite finansinę programą, kuriai reikia atlikti sudėtingą statistinę analizę su dideliais duomenų rinkiniais. Tai gali reikalauti daug skaičiavimo resursų ir blokuoti pagrindinę giją. Worker gija gali būti naudojama analizei atlikti fone.

Worker gija (data-worker.js):

// data-worker.js

import { performStatisticalAnalysis } from './data-analysis.js';

addEventListener('message', (event) => {
  const data = event.data;
  const results = performStatisticalAnalysis(data);
  postMessage(results);
});

Pagrindinė gija:

// main.js

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

worker.addEventListener('message', (event) => {
  const results = event.data;
  // Parodykite rezultatus vartotojo sąsajoje
  displayResults(results);
});

// Įkelkite duomenis
const data = loadData();

worker.postMessage(data);

3. 3D atvaizdavimas (Rendering)

Žiniatinklio 3D atvaizdavimas, ypač su bibliotekomis kaip Three.js, gali reikalauti labai daug procesoriaus resursų. Perkant kai kuriuos skaičiavimo aspektus, tokius kaip sudėtingų viršūnių pozicijų skaičiavimas ar spindulių sekimas (ray tracing), į Worker giją, galima žymiai pagerinti našumą.

Worker gija (render-worker.js):

// render-worker.js

import { calculateVertexPositions } from './render-utils.js';

addEventListener('message', (event) => {
    const meshData = event.data;
    const updatedPositions = calculateVertexPositions(meshData);

    postMessage(updatedPositions, [updatedPositions.buffer]); // Perkeliamas
});

Pagrindinė gija:

// main.js

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

worker.addEventListener('message', (event) => {
    const updatedPositions = event.data;

    //Atnaujinkite geometriją naujomis viršūnių pozicijomis
    updateGeometry(updatedPositions);
});

// ... sukurkite mesh duomenis ...

worker.postMessage(meshData, [meshData.buffer]); //Perkeliamas

Geroji praktika ir svarstymai

• Užduotys turi būti trumpos ir konkrečios: Venkite perkelti ypač ilgai trunkančias užduotis į Worker gijas, nes tai vis tiek gali sukelti UI strigimą, jei Worker gija užtrunka per ilgai. Suskaidykite sudėtingas užduotis į mažesnes, lengviau valdomas dalis.
• Minimizuokite duomenų perdavimą: Duomenų perdavimas tarp pagrindinės ir Worker gijų gali būti brangus. Sumažinkite perduodamų duomenų kiekį ir, kai tik įmanoma, naudokite perkeliamus objektus.
• Tinkamai tvarkykite klaidas: Įdiekite tinkamą klaidų tvarkymą, kad galėtumėte pagauti ir apdoroti klaidas, kurios įvyksta Worker gijose.
• Įvertinkite pridėtines išlaidas: Worker gijų kūrimas ir valdymas turi tam tikrų pridėtinių išlaidų. Nenaudokite Worker gijų smulkioms užduotims, kurias galima greitai atlikti pagrindinėje gijoje.
• Derinimas (Debugging): Worker gijų derinimas gali būti sudėtingesnis nei pagrindinės gijos derinimas. Naudokite konsolės įrašus ir naršyklės kūrėjo įrankius, kad patikrintumėte Worker gijų būseną. Dauguma modernių naršyklių dabar palaiko specializuotus Worker gijų derinimo įrankius.
• Saugumas: Worker gijoms taikoma ta pati kilmės politika (same-origin policy), o tai reiškia, kad jos gali pasiekti išteklius tik iš to paties domeno kaip ir pagrindinė gija. Būkite atidūs galimoms saugumo problemoms dirbant su išoriniais ištekliais.
• Dalijamoji atmintis (Shared Memory): Nors Worker gijos tradiciškai bendrauja perduodant pranešimus, `SharedArrayBuffer` leidžia naudoti bendrą atmintį tarp gijų. Tai gali būti žymiai greičiau tam tikrais scenarijais, bet reikalauja atidžios sinchronizacijos, kad būtų išvengta lenktynių sąlygų. Jo naudojimas dažnai yra apribotas ir reikalauja specifinių antraščių/nustatymų dėl saugumo sumetimų (Spectre/Meltdown pažeidžiamumai). Apsvarstykite galimybę naudoti Atomics API prieigos prie SharedArrayBuffers sinchronizavimui.
• Funkcijos aptikimas (Feature Detection): Prieš naudodami Worker gijas, visada patikrinkite, ar jos palaikomos vartotojo naršyklėje. Pateikite atsarginį mechanizmą naršyklėms, kurios nepalaiko Worker gijų.

Alternatyvos Worker gijoms

Nors Worker gijos suteikia galingą mechanizmą foniniam apdorojimui, jos ne visada yra geriausias sprendimas. Apsvarstykite šias alternatyvas:

• Asinchroninės funkcijos (async/await): Įvesties/išvesties (I/O) operacijoms (pvz., tinklo užklausoms), asinchroninės funkcijos suteikia lengvesnę ir paprastesnę alternatyvą Worker gijoms.
• WebAssembly (WASM): Skaičiavimams imlioms užduotims WebAssembly gali suteikti našumą, artimą natyviam, vykdant sukompiliuotą kodą naršyklėje. WASM gali būti naudojamas tiesiogiai pagrindinėje gijoje arba Worker gijose.
• Service Workers: Service Workers pirmiausia naudojami podėliavimui (caching) ir foninei sinchronizacijai, bet jie taip pat gali būti naudojami atlikti kitas užduotis fone, pavyzdžiui, siųsti tiesioginius pranešimus (push notifications).

Išvados

JavaScript modulių Worker gijos yra vertingas įrankis kuriant našias ir reaguojančias žiniatinklio programas. Perkeldami skaičiavimams imlias užduotis į fonines gijas, galite išvengti UI strigimo ir suteikti sklandesnę vartotojo patirtį. Šiame straipsnyje aprašytų pagrindinių sąvokų, gerųjų praktikų ir svarstymų supratimas leis jums efektyviai panaudoti modulių Worker gijas savo projektuose.

Pasinaudokite daugiagijiškumo galia JavaScript'e ir atskleiskite visą savo žiniatinklio programų potencialą. Eksperimentuokite su skirtingais naudojimo atvejais, optimizuokite savo kodą našumui ir kurkite išskirtines vartotojo patirtis, kurios džiugins vartotojus visame pasaulyje.

Papildoma literatūra

• MDN Web Docs: Worker
• Node.js Documentation: Worker Threads