JavaScript modulių vykdytojai (Module Workers): foninio apdorojimo išlaisvinimas didesniam našumui

Šiuolaikiniame žiniatinklio kūrimo pasaulyje, reaguojančių ir našiai veikiančių programų pateikimas yra svarbiausias. Nors JavaScript yra galinga, ji iš prigimties yra vienos gijos. Tai gali sukelti našumo problemas, ypač dirbant su skaičiavimams imliomis užduotimis. Čia į pagalbą ateina JavaScript modulių vykdytojai (Module Workers) – modernus sprendimas, leidžiantis perkelti užduotis į fonines gijas, taip atlaisvinant pagrindinę giją vartotojo sąsajos atnaujinimams ir sąveikoms, kas užtikrina sklandesnę ir jautresnę vartotojo patirtį.

Kas yra JavaScript modulių vykdytojai?

JavaScript modulių vykdytojai yra Web Worker tipas, leidžiantis vykdyti JavaScript kodą foninėse gijose, atskirai nuo pagrindinės tinklalapio ar žiniatinklio programos vykdymo gijos. Skirtingai nuo tradicinių Web Workers, modulių vykdytojai palaiko ES modulių (import ir export teiginių) naudojimą, todėl kodo organizavimas ir priklausomybių valdymas tampa žymiai lengvesnis ir patogesnis. Galvokite apie juos kaip apie nepriklausomas JavaScript aplinkas, veikiančias lygiagrečiai ir galinčias atlikti užduotis neblokuodami pagrindinės gijos.

Pagrindiniai modulių vykdytojų naudojimo privalumai:

• Pagerintas reaktyvumas: Perkėlus skaičiavimams imlias užduotis į fonines gijas, pagrindinė gija lieka laisva tvarkyti sąsajos atnaujinimus ir vartotojo sąveikas, kas užtikrina sklandesnę ir jautresnę vartotojo patirtį. Pavyzdžiui, įsivaizduokite sudėtingą vaizdo apdorojimo užduotį. Be modulių vykdytojo, vartotojo sąsaja „užšaltų“, kol apdorojimas būtų baigtas. Su modulių vykdytoju, vaizdo apdorojimas vyksta fone, o sąsaja išlieka reaguojanti.
• Padidintas našumas: Modulių vykdytojai įgalina lygiagretų apdorojimą, leisdami jums pasinaudoti daugiabranduoliais procesoriais, kad užduotys būtų vykdomos vienu metu. Tai gali žymiai sumažinti bendrą skaičiavimams imlių operacijų vykdymo laiką.
• Supaprastinta kodo organizacija: Modulių vykdytojai palaiko ES modulius, įgalindami geresnį kodo organizavimą ir priklausomybių valdymą. Tai palengvina sudėtingų programų rašymą, priežiūrą ir testavimą.
• Sumažinta pagrindinės gijos apkrova: Perkeliant užduotis į fonines gijas, galite sumažinti pagrindinės gijos apkrovą, kas pagerina našumą ir sumažina baterijos sąnaudas, ypač mobiliuosiuose įrenginiuose.

Kaip veikia modulių vykdytojai: išsami analizė

Pagrindinė modulių vykdytojų koncepcija yra sukurti atskirą vykdymo kontekstą, kuriame JavaScript kodas gali veikti nepriklausomai. Štai kaip jie veikia, žingsnis po žingsnio:

1. Vykdytojo sukūrimas: Savo pagrindiniame JavaScript kode sukuriate naują modulių vykdytojo egzempliorių, nurodydami kelią iki vykdytojo scenarijaus. Vykdytojo scenarijus yra atskiras JavaScript failas, kuriame yra kodas, vykdytinas fone.
2. Pranešimų perdavimas: Komunikacija tarp pagrindinės ir vykdytojo gijos vyksta perduodant pranešimus. Pagrindinė gija gali siųsti pranešimus vykdytojo gijai naudodama postMessage() metodą, o vykdytojo gija gali siųsti pranešimus atgal į pagrindinę giją tuo pačiu metodu.
3. Foninis vykdymas: Kai vykdytojo gija gauna pranešimą, ji vykdo atitinkamą kodą. Vykdytojo gija veikia nepriklausomai nuo pagrindinės gijos, todėl bet kokios ilgai trunkančios užduotys neblokuos vartotojo sąsajos.
4. Rezultatų apdorojimas: Kai vykdytojo gija baigia savo užduotį, ji siunčia pranešimą atgal į pagrindinę giją su rezultatu. Tuomet pagrindinė gija gali apdoroti rezultatą ir atitinkamai atnaujinti vartotojo sąsają.

Modulių vykdytojų diegimas: praktinis gidas

Panagrinėkime praktinį pavyzdį, kaip įdiegti modulių vykdytoją, kuris atliktų skaičiavimams imlų veiksmą: n-tojo Fibonačio skaičiaus apskaičiavimą.

1 žingsnis: sukurkite vykdytojo scenarijų (fibonacci.worker.js)

Sukurkite naują JavaScript failą pavadinimu fibonacci.worker.js su tokiu turiniu:

// fibonacci.worker.js

function fibonacci(n) {
  if (n <= 1) {
    return n;
  } else {
    return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
  }
}

self.addEventListener('message', (event) => {
  const n = event.data;
  const result = fibonacci(n);
  self.postMessage(result);
});

Paaiškinimas:

• Funkcija fibonacci() rekursyviai apskaičiuoja n-tąjį Fibonačio skaičių.
• Funkcija self.addEventListener('message', ...) nustato pranešimų klausytoją. Kai vykdytojas gauna pranešimą iš pagrindinės gijos, jis iš pranešimo duomenų išgauna n reikšmę, apskaičiuoja Fibonačio skaičių ir siunčia rezultatą atgal į pagrindinę giją naudodamas self.postMessage().

2 žingsnis: sukurkite pagrindinį scenarijų (index.html arba app.js)

Sukurkite HTML arba JavaScript failą, kad sąveikautumėte su modulių vykdytoju:

// index.html arba app.js




  


  Apskaičiuoti Fibonačio skaičių
  


  

Paaiškinimas:

• Sukuriame mygtuką, kuris paleidžia Fibonačio skaičiavimo procesą.
• Paspaudus mygtuką, sukuriame naują Worker egzempliorių, nurodydami kelią iki vykdytojo scenarijaus (fibonacci.worker.js) ir nustatydami type parinktį į 'module'. Tai yra būtina norint naudoti modulių vykdytojus.
• Nustatome pranešimų klausytoją, kad gautume rezultatą iš vykdytojo gijos. Kai vykdytojas atsiunčia pranešimą, mes atnaujiname resultDiv turinį su apskaičiuotu Fibonačio skaičiumi.
• Galiausiai, siunčiame pranešimą vykdytojo gijai naudodami worker.postMessage(40), nurodydami jam apskaičiuoti Fibonacci(40).

Svarbūs aspektai:

• Prieiga prie failų: Modulių vykdytojai turi ribotą prieigą prie DOM ir kitų naršyklės API. Jie negali tiesiogiai manipuliuoti DOM. Komunikacija su pagrindine gija yra būtina norint atnaujinti vartotojo sąsają.
• Duomenų perdavimas: Duomenys, perduodami tarp pagrindinės ir vykdytojo gijos, yra kopijuojami, o ne bendrinami. Tai vadinama struktūriniu klonavimu. Dideliems duomenų rinkiniams apsvarstykite galimybę naudoti perkeliamuosius objektus (Transferable Objects), kad perdavimas būtų be kopijavimo ir pagerėtų našumas.
• Klaidų apdorojimas: Įdiekite tinkamą klaidų apdorojimą tiek pagrindinėje, tiek vykdytojo gijoje, kad pagautumėte ir apdorotumėte bet kokias galinčias atsirasti išimtis. Naudokite worker.addEventListener('error', ...), kad pagautumėte klaidas vykdytojo scenarijuje.
• Saugumas: Modulių vykdytojams taikoma tos pačios kilmės politika (same-origin policy). Vykdytojo scenarijus turi būti talpinamas tame pačiame domene kaip ir pagrindinis puslapis.

Pažangios modulių vykdytojų technikos

Be pagrindų, yra keletas pažangių technikų, kurios gali dar labiau optimizuoti jūsų modulių vykdytojų įgyvendinimus:

Perkeliamieji objektai (Transferable Objects)

Perduodant didelius duomenų rinkinius tarp pagrindinės ir vykdytojo gijos, perkeliamieji objektai siūlo didelį našumo pranašumą. Užuot kopijavus duomenis, perkeliamieji objektai perduoda atminties buferio nuosavybę kitai gijai. Tai pašalina duomenų kopijavimo pridėtines išlaidas ir gali žymiai pagerinti našumą.

// Pagrindinė gija
const arrayBuffer = new ArrayBuffer(1024 * 1024); // 1MB
const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

worker.postMessage(arrayBuffer, [arrayBuffer]); // Perduoti nuosavybę

// Vykdytojo gija (worker.js)
self.addEventListener('message', (event) => {
  const arrayBuffer = event.data;
  // Apdoroti arrayBuffer
});

SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer leidžia keliems vykdytojams ir pagrindinei gijai pasiekti tą pačią atminties vietą. Tai įgalina sudėtingesnius komunikacijos modelius ir duomenų bendrinimą. Tačiau naudojant SharedArrayBuffer reikalinga atsargi sinchronizacija, kad būtų išvengta lenktynių sąlygų ir duomenų sugadinimo. Tam dažnai reikia naudoti Atomics operacijas.

Pastaba: Dėl saugumo problemų (Spectre ir Meltdown pažeidžiamumų), naudojant SharedArrayBuffer reikia nustatyti tinkamas HTTP antraštes. Konkrečiai, reikia nustatyti Cross-Origin-Opener-Policy ir Cross-Origin-Embedder-Policy HTTP antraštes.

Comlink: vykdytojų komunikacijos supaprastinimas

Comlink yra biblioteka, kuri supaprastina komunikaciją tarp pagrindinės ir vykdytojų gijų. Ji leidžia atskleisti JavaScript objektus vykdytojo gijoje ir kviesti jų metodus tiesiogiai iš pagrindinės gijos, tarsi jie veiktų tame pačiame kontekste. Tai žymiai sumažina pranešimų perdavimui reikalingą standartinį kodą.

// Vykdytojo gija (worker.js)
import * as Comlink from 'comlink';

const api = {
  add(a, b) {
    return a + b;
  },
};

Comlink.expose(api);

// Pagrindinė gija
import * as Comlink from 'comlink';

async function main() {
  const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });
  const api = Comlink.wrap(worker);
  const result = await api.add(2, 3);
  console.log(result); // Išvestis: 5
}

main();

Modulių vykdytojų panaudojimo atvejai

Modulių vykdytojai ypač tinka įvairioms užduotims, įskaitant:

• Vaizdų ir vaizdo įrašų apdorojimas: Perkelkite sudėtingas vaizdų ir vaizdo įrašų apdorojimo užduotis, tokias kaip filtravimas, dydžio keitimas ir kodavimas, į fonines gijas, kad išvengtumėte vartotojo sąsajos „užšalimo“. Pavyzdžiui, nuotraukų redagavimo programa galėtų naudoti modulių vykdytojus filtrų taikymui vaizdams, neblokuodama vartotojo sąsajos.
• Duomenų analizė ir moksliniai skaičiavimai: Fone atlikite skaičiavimams imlias duomenų analizės ir mokslinių skaičiavimų užduotis, tokias kaip statistinė analizė, mašininio mokymosi modelių apmokymas ir simuliacijos. Pavyzdžiui, finansinio modeliavimo programa galėtų naudoti modulių vykdytojus sudėtingoms simuliacijoms vykdyti, nepaveikiant vartotojo patirties.
• Žaidimų kūrimas: Naudokite modulių vykdytojus žaidimo logikai, fizikos skaičiavimams ir dirbtinio intelekto apdorojimui foninėse gijose, pagerindami žaidimo našumą ir reaktyvumą. Pavyzdžiui, sudėtingas strateginis žaidimas galėtų naudoti modulių vykdytojus dirbtinio intelekto skaičiavimams keliems vienetams vienu metu.
• Kodo transpiliacija ir susiejimas: Perkelkite kodo transpiliacijos ir susiejimo užduotis į fonines gijas, kad pagerintumėte kūrimo laiką ir darbo eigą. Pavyzdžiui, žiniatinklio kūrimo įrankis galėtų naudoti modulių vykdytojus JavaScript kodo transpiliavimui iš naujesnių versijų į senesnes, siekiant suderinamumo su senesnėmis naršyklėmis.
• Kriptografinės operacijos: Vykdykite kriptografines operacijas, tokias kaip šifravimas ir iššifravimas, foninėse gijose, kad išvengtumėte našumo problemų ir pagerintumėte saugumą.
• Realaus laiko duomenų apdorojimas: Apdorokite realaus laiko srautinius duomenis (pvz., iš jutiklių, finansinių srautų) ir atlikite analizę fone. Tai galėtų apimti duomenų filtravimą, agregavimą ar transformavimą.

Geriausios praktikos dirbant su modulių vykdytojais

Norėdami užtikrinti efektyvų ir prižiūrimą modulių vykdytojų įgyvendinimą, laikykitės šių geriausių praktikų:

• Vykdytojų scenarijus laikykite kuo mažesnius: Sumažinkite kodo kiekį savo vykdytojų scenarijuose, kad sutrumpintumėte vykdytojo gijos paleidimo laiką. Įtraukite tik tą kodą, kuris būtinas konkrečiai užduočiai atlikti.
• Optimizuokite duomenų perdavimą: Naudokite perkeliamuosius objektus (Transferable Objects) dideliems duomenų rinkiniams perduoti, kad išvengtumėte nereikalingo duomenų kopijavimo.
• Įdiekite klaidų apdorojimą: Įdiekite patikimą klaidų apdorojimą tiek pagrindinėje, tiek vykdytojo gijoje, kad pagautumėte ir apdorotumėte bet kokias galinčias atsirasti išimtis.
• Naudokite derinimo įrankį: Naudokite naršyklės kūrėjų įrankius, kad derintumėte savo modulių vykdytojų kodą. Dauguma modernių naršyklių teikia specializuotus derinimo įrankius Web Workers.
• Apsvarstykite galimybę naudoti Comlink: Kad drastiškai supaprastintumėte pranešimų perdavimą ir sukurtumėte švaresnę sąsają tarp pagrindinės ir vykdytojo gijų.
• Matuokite našumą: Naudokite našumo profiliavimo įrankius, kad išmatuotumėte modulių vykdytojų poveikį jūsų programos našumui. Tai padės jums nustatyti sritis tolesniam optimizavimui.
• Užbaikite vykdytojus, kai jie nebereikalingi: Užbaikite vykdytojų gijas, kai jos nebereikalingos, kad atlaisvintumėte išteklius. Naudokite worker.terminate() vykdytojui užbaigti.
• Venkite bendros kintamos būsenos: Sumažinkite bendrą kintamą būseną tarp pagrindinės gijos ir vykdytojų. Naudokite pranešimų perdavimą duomenims sinchronizuoti ir išvengti lenktynių sąlygų. Jei naudojamas SharedArrayBuffer, užtikrinkite tinkamą sinchronizaciją naudojant Atomics.

Modulių vykdytojai vs. tradiciniai Web Workers

Nors tiek modulių vykdytojai, tiek tradiciniai Web Workers suteikia foninio apdorojimo galimybes, yra esminių skirtumų:

Savybė	Modulių vykdytojai	Tradiciniai Web Workers
ES modulių palaikymas	Taip (import, export)	Ne (reikalingi sprendimai, pvz., importScripts())
Kodo organizavimas	Geresnis, naudojant ES modulius	Sudėtingesnis, dažnai reikalauja susiejimo
Priklausomybių valdymas	Supaprastintas su ES moduliais	Sudėtingesnis
Bendra kūrimo patirtis	Modernesnė ir supaprastinta	Išsamesnė ir mažiau intuityvi

Iš esmės, modulių vykdytojai siūlo modernesnį ir kūrėjams draugiškesnį požiūrį į foninį apdorojimą JavaScript, dėka ES modulių palaikymo.

Naršyklių suderinamumas

Modulių vykdytojai turi puikų palaikymą visose moderniose naršyklėse, įskaitant:

• Chrome
• Firefox
• Safari
• Edge

Patikrinkite caniuse.com, kad gautumėte naujausią informaciją apie naršyklių suderinamumą.

Išvada: pasinaudokite foninio apdorojimo galia

JavaScript modulių vykdytojai yra galingas įrankis, skirtas pagerinti žiniatinklio programų našumą ir reaktyvumą. Perkeldami skaičiavimams imlias užduotis į fonines gijas, galite atlaisvinti pagrindinę giją vartotojo sąsajos atnaujinimams ir sąveikoms, kas užtikrina sklandesnę ir malonesnę vartotojo patirtį. Dėl ES modulių palaikymo, modulių vykdytojai siūlo modernesnį ir kūrėjams draugiškesnį požiūrį į foninį apdorojimą, palyginti su tradiciniais Web Workers. Pasinaudokite modulių vykdytojų galia ir išlaisvinkite visą savo žiniatinklio programų potencialą!