Konkurencijos įvaldymas: gijoms saugaus Trie kūrimas JavaScript kalba globalioms programoms

Šiuolaikiniame tarpusavyje susijusiame pasaulyje programos reikalauja ne tik greičio, bet ir reakcijos greičio bei gebėjimo valdyti didžiules, konkurencines operacijas. JavaScript, tradiciškai žinoma dėl savo vienos gijos prigimties naršyklėje, gerokai patobulėjo ir dabar siūlo galingus primityvus, leidžiančius pasiekti tikrą paralelumą. Viena iš įprastų duomenų struktūrų, kuri dažnai susiduria su konkurencijos iššūkiais, ypač dirbant su dideliais, dinamiškais duomenų rinkiniais daugiagijėje aplinkoje, yra Trie, taip pat žinoma kaip prefiksų medis.

Įsivaizduokite, kad kuriate globalią automatinio užbaigimo paslaugą, realaus laiko žodyną ar dinamišką IP maršrutizavimo lentelę, kur milijonai vartotojų ar įrenginių nuolat teikia užklausas ir atnaujina duomenis. Standartinis Trie, nors ir neįtikėtinai efektyvus prefiksais pagrįstoms paieškoms, greitai tampa kliūtimi konkurencinėje aplinkoje, pažeidžiamas lenktynių sąlygoms ir duomenų sugadinimui. Šis išsamus vadovas gilinsis į tai, kaip sukurti JavaScript konkurencinį Trie, padarant jį gijoms saugiu, protingai naudojant SharedArrayBuffer ir Atomics, taip sudarant sąlygas tvirtiems ir mastelį keičiantiems sprendimams globaliai auditorijai.

Trie supratimas: prefiksais pagrįstų duomenų pagrindas

Prieš pasinerdami į konkurencijos sudėtingumą, įtvirtinkime tvirtą supratimą apie tai, kas yra Trie ir kodėl jis toks vertingas.

Kas yra Trie?

Trie, kilęs iš žodžio 'retrieval' (tariama „tree“ arba „try“), yra tvarkinga medžio duomenų struktūra, naudojama dinamiškam rinkiniui ar asociatyviam masyvui saugoti, kur raktai paprastai yra eilutės. Skirtingai nuo dvejetainio paieškos medžio, kur mazgai saugo patį raktą, Trie mazgai saugo raktų dalis, o mazgo padėtis medyje apibrėžia su juo susijusį raktą.

• Mazgai ir kraštinės: Kiekvienas mazgas paprastai atspindi simbolį, o kelias nuo šaknies iki tam tikro mazgo sudaro prefiksą.
• Vaikai: Kiekvienas mazgas turi nuorodas į savo vaikus, dažniausiai masyve arba žemėlapyje, kur indeksas/raktas atitinka kitą simbolį sekoje.
• Galutinė žyma: Mazgai taip pat gali turėti 'terminal' arba 'isWord' žymą, rodančią, kad kelias, vedantis į tą mazgą, atspindi visą žodį.

Ši struktūra leidžia atlikti ypač efektyvias prefiksais pagrįstas operacijas, todėl tam tikrais atvejais ji pranašesnė už maišos lenteles ar dvejetainius paieškos medžius.

Įprasti Trie naudojimo atvejai

Dėl Trie efektyvumo dirbant su eilutės tipo duomenimis, jie yra nepakeičiami įvairiose programose:

• Automatinis užbaigimas ir teksto rinkimo pasiūlymai: Tikriausiai garsiausias pritaikymas. Pagalvokite apie paieškos sistemas, tokias kaip „Google“, kodo redaktorius (IDE) ar susirašinėjimo programėles, teikiančias pasiūlymus, kai rašote. Trie gali greitai rasti visus žodžius, kurie prasideda nurodytu prefiksu.
  • Globalus pavyzdys: Realaus laiko, lokalizuotų automatinio užbaigimo pasiūlymų teikimas dešimtimis kalbų tarptautinei e. prekybos platformai.
• Rašybos tikrintuvai: Saugodamas teisingai parašytų žodžių žodyną, Trie gali efektyviai patikrinti, ar žodis egzistuoja, arba pasiūlyti alternatyvas pagal prefiksus.
  • Globalus pavyzdys: Teisingos rašybos užtikrinimas įvairioms lingvistinėms įvestims globaliame turinio kūrimo įrankyje.
• IP maršrutizavimo lentelės: Trie puikiai tinka ilgiausio prefikso atitikimui, kuris yra fundamentalus tinklo maršrutizavime, nustatant specifiškiausią maršrutą IP adresui.
  • Globalus pavyzdys: Duomenų paketų maršrutizavimo optimizavimas didžiuliuose tarptautiniuose tinkluose.
• Žodyno paieška: Greita žodžių ir jų apibrėžimų paieška.
  • Globalus pavyzdys: Daugiakalbio žodyno, palaikančio greitas paieškas tarp šimtų tūkstančių žodžių, kūrimas.
• Bioinformatika: Naudojama šablonų atitikimui DNR ir RNR sekose, kur dažnai pasitaiko ilgos eilutės.
  • Globalus pavyzdys: Genominių duomenų, pateiktų tyrimų institucijų visame pasaulyje, analizė.

Konkurencijos iššūkis JavaScript kalboje

JavaScript reputacija kaip vienagijės kalbos yra daugiausia teisinga jos pagrindinei vykdymo aplinkai, ypač interneto naršyklėse. Tačiau modernus JavaScript suteikia galingus mechanizmus pasiekti paralelumą, o kartu su tuo atsiranda ir klasikiniai konkurencinio programavimo iššūkiai.

JavaScript vienagijė prigimtis (ir jos ribos)

JavaScript variklis pagrindinėje gijoje apdoroja užduotis nuosekliai per įvykių ciklą. Šis modelis supaprastina daugelį interneto kūrimo aspektų, užkertant kelią įprastoms konkurencijos problemoms, tokioms kaip aklavietės. Tačiau skaičiavimams imlioms užduotims tai gali sukelti vartotojo sąsajos nereagavimą ir prastą vartotojo patirtį.

Web Workers iškilimas: tikra konkurencija naršyklėje

Web Workers suteikia galimybę vykdyti scenarijus foninėse gijose, atskirai nuo pagrindinės tinklalapio vykdymo gijos. Tai reiškia, kad ilgai trunkančios, CPU reikalaujančios užduotys gali būti perkeltos, išlaikant vartotojo sąsajos reakciją. Duomenys paprastai yra bendrinami tarp pagrindinės gijos ir darbuotojų arba tarp pačių darbuotojų naudojant pranešimų perdavimo modelį (postMessage()).

• Pranešimų perdavimas: Duomenys yra „struktūriškai klonuojami“ (kopijuojami), kai siunčiami tarp gijų. Mažiems pranešimams tai yra efektyvu. Tačiau didelėms duomenų struktūroms, tokioms kaip Trie, kuri gali turėti milijonus mazgų, visos struktūros kartotinis kopijavimas tampa nepaprastai brangus, paneigiant konkurencijos naudą.
  • Pagalvokite: Jei Trie saugo pagrindinės kalbos žodyno duomenis, jų kopijavimas kiekvienai darbuotojo sąveikai yra neefektyvus.

Problema: kintanti bendrinama būsena ir lenktynių sąlygos

Kai kelios gijos (Web Workers) turi pasiekti ir modifikuoti tą pačią duomenų struktūrą, ir ta duomenų struktūra yra kintanti, lenktynių sąlygos tampa rimta problema. Trie pagal savo prigimtį yra kintantis: žodžiai įterpiami, ieškomi ir kartais trinami. Be tinkamos sinchronizacijos, konkurencinės operacijos gali sukelti:

• Duomenų sugadinimą: Du darbuotojai, tuo pačiu metu bandantys įterpti naują mazgą tam pačiam simboliui, gali perrašyti vienas kito pakeitimus, sukeldami nepilną ar neteisingą Trie.
• Nesuderinamus nuskaitymus: Darbuotojas gali nuskaityti iš dalies atnaujintą Trie, kas lems neteisingus paieškos rezultatus.
• Prarastus atnaujinimus: Vieno darbuotojo modifikacija gali būti visiškai prarasta, jei kitas darbuotojas ją perrašys, neatsižvelgdamas į pirmojo pakeitimą.

Štai kodėl standartinis, objektinis JavaScript Trie, nors ir funkcionalus vienagijėje aplinkoje, visiškai netinka tiesioginiam bendrinimui ir modifikavimui tarp Web Workers. Sprendimas slypi aiškiame atminties valdyme ir atominėse operacijose.

Gijų saugumo pasiekimas: JavaScript konkurencijos primityvai

Siekiant įveikti pranešimų perdavimo apribojimus ir įgalinti tikrą, gijoms saugią bendrinamą būseną, JavaScript pristatė galingus žemo lygio primityvus: SharedArrayBuffer ir Atomics.

Pristatome SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer yra fiksuoto ilgio neapdorotų dvejetainių duomenų buferis, panašus į ArrayBuffer, tačiau su esminiu skirtumu: jo turinys gali būti bendrinamas tarp kelių Web Workers. Užuot kopijavę duomenis, darbuotojai gali tiesiogiai pasiekti ir modifikuoti tą pačią pagrindinę atmintį. Tai pašalina duomenų perdavimo išlaidas didelėms, sudėtingoms duomenų struktūroms.

• Bendra atmintis: SharedArrayBuffer yra faktinis atminties regionas, kurį visi nurodyti Web Workers gali skaityti ir į jį rašyti.
• Jokio klonavimo: Kai perduodate SharedArrayBuffer Web Worker'iui, perduodama nuoroda į tą pačią atminties erdvę, o ne kopija.
• Saugumo aspektai: Dėl galimų Spectre tipo atakų, SharedArrayBuffer turi specifinius saugumo reikalavimus. Interneto naršyklėms tai paprastai reiškia Cross-Origin-Opener-Policy (COOP) ir Cross-Origin-Embedder-Policy (COEP) HTTP antraščių nustatymą į same-origin arba credentialless. Tai yra kritinis punktas globaliam diegimui, nes serverio konfigūracijos turi būti atnaujintos. Node.js aplinkos (naudojančios worker_threads) neturi šių tokių pat naršyklei specifinių apribojimų.

Tačiau vien SharedArrayBuffer neišsprendžia lenktynių sąlygų problemos. Jis suteikia bendrą atmintį, bet ne sinchronizacijos mechanizmus.

Atomics galia

Atomics yra globalus objektas, teikiantis atomines operacijas bendrai atminčiai. „Atominė“ reiškia, kad operacija garantuotai bus baigta visa apimtimi be jokios kitos gijos įsikišimo. Tai užtikrina duomenų vientisumą, kai kelios gijos pasiekia tas pačias atminties vietas SharedArrayBuffer viduje.

Pagrindiniai Atomics metodai, svarbūs kuriant konkurencinį Trie, apima:

• Atomics.load(typedArray, index): Atomiškai įkelia reikšmę nurodytame indekse TypedArray, paremtame SharedArrayBuffer.
  • Naudojimas: Mazgo savybių (pvz., vaikų rodyklių, simbolių kodų, galutinių žymų) skaitymui be trukdžių.
• Atomics.store(typedArray, index, value): Atomiškai saugo reikšmę nurodytame indekse.
  • Naudojimas: Naujų mazgo savybių rašymui.
• Atomics.add(typedArray, index, value): Atomiškai prideda reikšmę prie esamos reikšmės nurodytame indekse ir grąžina senąją reikšmę. Naudinga skaitikliams (pvz., didinant nuorodų skaičių ar „kito laisvo atminties adreso“ rodyklę).
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue): Tai bene galingiausia atominė operacija konkurencinėms duomenų struktūroms. Ji atomiškai patikrina, ar reikšmė ties index sutampa su expectedValue. Jei taip, ji pakeičia reikšmę į replacementValue ir grąžina senąją reikšmę (kuri buvo expectedValue). Jei nesutampa, joks pakeitimas neatliekamas, ir ji grąžina faktinę reikšmę ties index.
  • Naudojimas: Užraktų (angl. spinlocks arba mutexes), optimistinės konkurencijos įgyvendinimui arba užtikrinimui, kad modifikacija įvyktų tik tada, jei būsena yra tokia, kokios tikėtasi. Tai yra kritiškai svarbu saugiai kuriant naujus mazgus ar atnaujinant rodykles.
• Atomics.wait(typedArray, index, value, [timeout]) ir Atomics.notify(typedArray, index, [count]): Šie metodai naudojami sudėtingesniems sinchronizacijos šablonams, leidžiant darbuotojams blokuoti ir laukti tam tikros sąlygos, o tada būti informuotiems, kai ji pasikeičia. Naudinga gamintojo-vartotojo šablonams ar sudėtingiems užrakinimo mechanizmams.

SharedArrayBuffer, skirto bendrai atminčiai, ir Atomics, skirto sinchronizavimui, sinergija suteikia būtiną pagrindą kurti sudėtingas, gijoms saugias duomenų struktūras, tokias kaip mūsų konkurencinis Trie, JavaScript kalboje.

Konkurencinio Trie projektavimas su SharedArrayBuffer ir Atomics

Konkurencinio Trie kūrimas nėra paprastas objektinio Trie perkėlimas į bendros atminties struktūrą. Tam reikia fundamentaliai pakeisti, kaip mazgai yra reprezentuojami ir kaip operacijos yra sinchronizuojamos.

Architektūriniai aspektai

Trie struktūros atvaizdavimas SharedArrayBuffer

Vietoj JavaScript objektų su tiesioginėmis nuorodomis, mūsų Trie mazgai turi būti atvaizduoti kaip vientisi atminties blokai SharedArrayBuffer viduje. Tai reiškia:

• Linijinis atminties paskirstymas: Paprastai naudosime vieną SharedArrayBuffer ir žiūrėsime į jį kaip į didelį fiksuoto dydžio „lizdų“ arba „puslapių“ masyvą, kur kiekvienas lizdas atspindi Trie mazgą.
• Mazgų rodyklės kaip indeksai: Vietoj nuorodų į kitus objektus saugojimo, vaikų rodyklės bus skaitiniai indeksai, rodantys į kito mazgo pradinę poziciją tame pačiame SharedArrayBuffer.
• Fiksuoto dydžio mazgai: Siekiant supaprastinti atminties valdymą, kiekvienas Trie mazgas užims iš anksto nustatytą baitų skaičių. Šis fiksuotas dydis apims jo simbolį, vaikų rodykles ir galutinę žymą.

Panagrinėkime supaprastintą mazgo struktūrą SharedArrayBuffer viduje. Kiekvienas mazgas galėtų būti sveikųjų skaičių masyvas (pvz., Int32Array arba Uint32Array peržiūros per SharedArrayBuffer), kur:

• Indeksas 0: `characterCode` (pvz., simbolio, kurį šis mazgas atspindi, ASCII/Unicode reikšmė, arba 0 šakniai).
• Indeksas 1: `isTerminal` (0 reiškia false, 1 reiškia true).
• Indeksai nuo 2 iki N: `children[0...25]` (arba daugiau platesniems simbolių rinkiniams), kur kiekviena reikšmė yra indeksas į vaiko mazgą SharedArrayBuffer viduje, arba 0, jei tam simboliui vaiko nėra.
• `nextFreeNodeIndex` rodyklė kažkur buferyje (arba valdoma išoriškai), skirta naujiems mazgams priskirti.

Pavyzdys: Jei mazgas užima 30 `Int32` lizdų, o mūsų SharedArrayBuffer yra peržiūrimas kaip Int32Array, tada mazgas ties indeksu `i` prasideda ties `i * 30`.

Laisvų atminties blokų valdymas

Kai įterpiami nauji mazgai, mums reikia skirti vietos. Paprastas požiūris yra palaikyti rodyklę į kitą laisvą lizdą SharedArrayBuffer. Ši rodyklė pati turi būti atnaujinama atomiškai.

Gijoms saugaus įterpimo įgyvendinimas (`insert` operacija)

Įterpimas yra sudėtingiausia operacija, nes ji apima Trie struktūros modifikavimą, potencialiai kuriant naujus mazgus ir atnaujinant rodykles. Būtent čia Atomics.compareExchange() tampa lemiamas, užtikrinant nuoseklumą.

Apžvelkime žodžio „apple“ įterpimo žingsnius:

Konceptualūs gijoms saugaus įterpimo žingsniai:

1. Pradėti nuo šaknies: Pradėti kelionę nuo šakninio mazgo (ties indeksu 0). Šaknis paprastai neatspindi paties simbolio.
2. Keliauti po simbolį: Kiekvienam žodžio simboliui (pvz., 'a', 'p', 'p', 'l', 'e'):
   1. Nustatyti vaiko indeksą: Apskaičiuoti indeksą dabartinio mazgo vaikų rodyklėse, kuris atitinka dabartinį simbolį (pvz., `children[char.charCodeAt(0) - 'a'.charCodeAt(0)]`).
   2. Atomiškai įkelti vaiko rodyklę: Naudoti Atomics.load(typedArray, current_node_child_pointer_index), kad gautumėte potencialaus vaiko mazgo pradinį indeksą.
   3. Patikrinti, ar vaikas egzistuoja:
      • Jei įkelta vaiko rodyklė yra 0 (vaiko nėra): Būtent čia mums reikia sukurti naują mazgą.
        1. Skirti naujo mazgo indeksą: Atomiškai gauti naują unikalų indeksą naujam mazgui. Tai paprastai apima atominį „kito laisvo mazgo“ skaitiklio padidinimą (pvz., `newNodeIndex = Atomics.add(typedArray, NEXT_FREE_NODE_INDEX_OFFSET, NODE_SIZE)`). Grąžinama reikšmė yra *senoji* reikšmė prieš padidinimą, kuri yra mūsų naujo mazgo pradinis adresas.
        2. Inicijuoti naują mazgą: Įrašyti simbolio kodą ir `isTerminal = 0` į naujai skirto mazgo atminties regioną naudojant `Atomics.store()`.
        3. Pabandyti susieti naują mazgą: Tai yra kritinis žingsnis gijų saugumui. Naudoti Atomics.compareExchange(typedArray, current_node_child_pointer_index, 0, newNodeIndex).
           • Jei compareExchange grąžina 0 (tai reiškia, kad vaiko rodyklė iš tikrųjų buvo 0, kai bandėme ją susieti), tada mūsų naujas mazgas sėkmingai susietas. Pereiti prie naujo mazgo kaip `current_node`.
           • Jei compareExchange grąžina ne nulinę reikšmę (tai reiškia, kad kitas darbuotojas sėkmingai susiejo mazgą šiam simboliui per tą laiką), tada turime susidūrimą. Mes *atmetame* mūsų naujai sukurtą mazgą (arba pridedame jį atgal į laisvų sąrašą, jei valdome fondą) ir vietoj to naudojame indeksą, kurį grąžino compareExchange, kaip mūsų `current_node`. Mes faktiškai „pralaimime“ lenktynes ir naudojame laimėtojo sukurtą mazgą.
      • Jei įkelta vaiko rodyklė yra ne nulinė (vaikas jau egzistuoja): Paprasčiausiai nustatyti `current_node` į įkeltą vaiko indeksą ir tęsti su kitu simboliu.
3. Pažymėti kaip galutinį: Kai visi simboliai apdoroti, atomiškai nustatyti galutinio mazgo `isTerminal` žymą į 1 naudojant Atomics.store().

Ši optimistinio blokavimo strategija su `Atomics.compareExchange()` yra gyvybiškai svarbi. Užuot naudojus aiškius muteksus (kuriuos `Atomics.wait`/`notify` gali padėti sukurti), šis požiūris bando atlikti pakeitimą ir tik atšaukia arba prisitaiko, jei aptinkamas konfliktas, todėl jis yra efektyvus daugelyje konkurencinių scenarijų.

Iliustratyvus (supaprastintas) pseudokodas įterpimui:

const NODE_SIZE = 30; // Pavyzdys: 2 metaduomenims + 28 vaikams
const CHARACTER_CODE_OFFSET = 0;
const IS_TERMINAL_OFFSET = 1;
const CHILDREN_OFFSET = 2;
const NEXT_FREE_NODE_INDEX_OFFSET = 0; // Saugoma pačioje buferio pradžioje

// Darant prielaidą, kad 'sharedBuffer' yra Int32Array peržiūra per SharedArrayBuffer
function insertWord(word, sharedBuffer) {
    let currentNodeIndex = NODE_SIZE; // Šakninis mazgas prasideda po laisvos rodyklės

    for (let i = 0; i < word.length; i++) {
        const charCode = word.charCodeAt(i);
        const childIndexInNode = charCode - 'a'.charCodeAt(0) + CHILDREN_OFFSET;
        const childPointerOffset = currentNodeIndex + childIndexInNode;

        let nextNodeIndex = Atomics.load(sharedBuffer, childPointerOffset);

        if (nextNodeIndex === 0) {
            // Vaikas neegzistuoja, bandome sukurti
            const allocatedNodeIndex = Atomics.add(sharedBuffer, NEXT_FREE_NODE_INDEX_OFFSET, NODE_SIZE);

            // Inicijuojame naują mazgą
            Atomics.store(sharedBuffer, allocatedNodeIndex + CHARACTER_CODE_OFFSET, charCode);
            Atomics.store(sharedBuffer, allocatedNodeIndex + IS_TERMINAL_OFFSET, 0);
            // Visos vaikų rodyklės pagal nutylėjimą yra 0
            for (let k = 0; k < NODE_SIZE - CHILDREN_OFFSET; k++) {
                Atomics.store(sharedBuffer, allocatedNodeIndex + CHILDREN_OFFSET + k, 0);
            }

            // Bandome susieti mūsų naują mazgą atomiškai
            const actualOldValue = Atomics.compareExchange(sharedBuffer, childPointerOffset, 0, allocatedNodeIndex);

            if (actualOldValue === 0) {
                // Sėkmingai susiejome savo mazgą, tęsiame
                nextNodeIndex = allocatedNodeIndex;
            } else {
                // Kitas darbuotojas susiejo mazgą; naudojame jo. Mūsų skirtas mazgas dabar nenaudojamas.
                // Tikroje sistemoje čia tvarkytumėte laisvų sąrašą patikimiau.
                // Paprastumo dėlei, tiesiog naudojame laimėtojo mazgą.
                nextNodeIndex = actualOldValue;
            }
        }
        currentNodeIndex = nextNodeIndex;
    }
    // Pažymime galutinį mazgą kaip terminalą
    Atomics.store(sharedBuffer, currentNodeIndex + IS_TERMINAL_OFFSET, 1);
}

Gijoms saugios paieškos įgyvendinimas (`search` ir `startsWith` operacijos)

Skaitymo operacijos, tokios kaip žodžio paieška ar visų žodžių su nurodytu prefiksu radimas, paprastai yra paprastesnės, nes jos nekeičia struktūros. Tačiau jos vis tiek turi naudoti atominius įkėlimus, kad užtikrintų, jog skaito nuoseklias, naujausias reikšmes, išvengiant dalinių nuskaitymų iš konkurencinių rašymų.

Konceptualūs gijoms saugios paieškos žingsniai:

1. Pradėti nuo šaknies: Pradėti nuo šakninio mazgo.
2. Keliauti po simbolį: Kiekvienam paieškos prefikso simboliui:
   1. Nustatyti vaiko indeksą: Apskaičiuoti vaiko rodyklės poslinkį simboliui.
   2. Atomiškai įkelti vaiko rodyklę: Naudoti Atomics.load(typedArray, current_node_child_pointer_index).
   3. Patikrinti, ar vaikas egzistuoja: Jei įkelta rodyklė yra 0, žodis/prefiksas neegzistuoja. Baigti.
   4. Pereiti prie vaiko: Jei egzistuoja, atnaujinti `current_node` į įkeltą vaiko indeksą ir tęsti.
3. Galutinis patikrinimas (operacijai `search`): Perėjus visą žodį, atomiškai įkelti galutinio mazgo `isTerminal` žymą. Jei ji yra 1, žodis egzistuoja; kitu atveju, tai tik prefiksas.
4. Operacijai `startsWith`: Pasiektas galutinis mazgas atspindi prefikso pabaigą. Nuo šio mazgo galima pradėti gylio paiešką (DFS) arba pločio paiešką (BFS) (naudojant atominius įkėlimus), kad rastumėte visus galutinius mazgus jo pomedyje.

Skaitymo operacijos yra iš prigimties saugios, kol pagrindinė atmintis yra pasiekiama atomiškai. `compareExchange` logika rašymo metu užtikrina, kad niekada nebus nustatytos neteisingos rodyklės, o bet kokios lenktynės rašymo metu veda į nuoseklią (nors vienam darbuotojui galbūt šiek tiek vėluojančią) būseną.

Iliustratyvus (supaprastintas) pseudokodas paieškai:

function searchWord(word, sharedBuffer) {
    let currentNodeIndex = NODE_SIZE;

    for (let i = 0; i < word.length; i++) {
        const charCode = word.charCodeAt(i);
        const childIndexInNode = charCode - 'a'.charCodeAt(0) + CHILDREN_OFFSET;
        const childPointerOffset = currentNodeIndex + childIndexInNode;

        const nextNodeIndex = Atomics.load(sharedBuffer, childPointerOffset);

        if (nextNodeIndex === 0) {
            return false; // Simbolių kelias neegzistuoja
        }
        currentNodeIndex = nextNodeIndex;
    }
    // Patikrinti, ar galutinis mazgas yra terminalinis žodis
    return Atomics.load(sharedBuffer, currentNodeIndex + IS_TERMINAL_OFFSET) === 1;
}

Gijoms saugaus trynimo įgyvendinimas (pažengusiems)

Trynimas yra žymiai sudėtingesnis konkurencinėje bendros atminties aplinkoje. Naivus trynimas gali sukelti:

• Kabanti rodyklė (dangling pointer): Jei vienas darbuotojas ištrina mazgą, o kitas keliauja į jį, keliaujantis darbuotojas gali sekti neteisinga rodykle.
• Nesuderinama būsena: Dalinis trynimas gali palikti Trie netinkamą naudoti.
• Atminties fragmentacija: Saugus ir efektyvus ištrintos atminties atgavimas yra sudėtingas.

Įprastos strategijos saugiam trynimui apima:

• Loginis trynimas (žymėjimas): Vietoj fizinio mazgų šalinimo galima atomiškai nustatyti `isDeleted` žymą. Tai supaprastina konkurenciją, bet naudoja daugiau atminties.
• Nuorodų skaičiavimas / šiukšlių surinkimas: Kiekvienas mazgas galėtų palaikyti atominį nuorodų skaitiklį. Kai mazgo nuorodų skaičius nukrenta iki nulio, jis yra tinkamas pašalinti, o jo atmintis gali būti atgauta (pvz., pridėta į laisvų sąrašą). Tai taip pat reikalauja atominių nuorodų skaitiklių atnaujinimų.
• Skaityti-kopijuoti-atnaujinti (RCU): Labai daug skaitymo ir mažai rašymo scenarijams rašytojai galėtų sukurti naują modifikuotos Trie dalies versiją, o baigę, atomiškai pakeisti rodyklę į naująją versiją. Skaitymai tęsiami senoje versijoje, kol pakeitimas bus baigtas. Tai sudėtinga įgyvendinti tokiai granuliuotai duomenų struktūrai kaip Trie, bet siūlo stiprias nuoseklumo garantijas.

Daugeliui praktinių programų, ypač toms, kurioms reikalingas didelis pralaidumas, įprastas požiūris yra padaryti Trie tik pridedančius (append-only) arba naudoti loginį trynimą, atidedant sudėtingą atminties atgavimą į mažiau kritinius laikus arba valdant jį išoriškai. Tikro, efektyvaus ir atominio fizinio trynimo įgyvendinimas yra tyrimų lygio problema konkurencinėse duomenų struktūrose.

Praktiniai aspektai ir našumas

Konkurencinio Trie kūrimas yra ne tik apie teisingumą; tai taip pat apie praktinį našumą ir palaikymą.

Atminties valdymas ir pridėtinės išlaidos

• SharedArrayBuffer inicializavimas: Buferis turi būti iš anksto skirtas pakankamo dydžio. Įvertinti maksimalų mazgų skaičių ir jų fiksuotą dydį yra labai svarbu. Dinaminis SharedArrayBuffer dydžio keitimas nėra paprastas ir dažnai apima naujo, didesnio buferio kūrimą ir turinio kopijavimą, kas paneigia bendros atminties paskirtį nuolatiniam veikimui.
• Erdvės efektyvumas: Fiksuoto dydžio mazgai, nors ir supaprastina atminties paskirstymą ir rodyklių aritmetiką, gali būti mažiau efektyvūs atminties požiūriu, jei daugelis mazgų turi retus vaikų rinkinius. Tai yra kompromisas dėl supaprastinto konkurencinio valdymo.
• Rankinis šiukšlių surinkimas: SharedArrayBuffer viduje nėra automatinio šiukšlių surinkimo. Ištrintų mazgų atmintis turi būti aiškiai valdoma, dažnai per laisvų sąrašą, kad būtų išvengta atminties nutekėjimo ir fragmentacijos. Tai prideda didelio sudėtingumo.

Našumo testavimas

Kada reikėtų rinktis konkurencinį Trie? Tai nėra stebuklingas sprendimas visoms situacijoms.

• Vienagijis vs. daugiagijis: Mažiems duomenų rinkiniams ar esant mažai konkurencijai, standartinis objektinis Trie pagrindinėje gijoje vis dar gali būti greitesnis dėl Web Worker komunikacijos nustatymo ir atominių operacijų pridėtinių išlaidų.
• Didelės konkurencinės rašymo/skaitymo operacijos: Konkurencinis Trie pasižymi, kai turite didelį duomenų rinkinį, didelį kiekį konkurencinių rašymo operacijų (įterpimų, trynimų) ir daug konkurencinių skaitymo operacijų (paieškų, prefiksų paieškų). Tai perkelia sunkų skaičiavimą iš pagrindinės gijos.
• Atomics pridėtinės išlaidos: Atominės operacijos, nors ir būtinos teisingumui, paprastai yra lėtesnės nei ne atominės atminties prieigos. Nauda gaunama iš lygiagretaus vykdymo keliuose branduoliuose, o ne iš greitesnių individualių operacijų. Jūsų konkretaus naudojimo atvejo testavimas yra labai svarbus, norint nustatyti, ar lygiagretus pagreitėjimas viršija atominių operacijų pridėtines išlaidas.

Klaidų tvarkymas ir patikimumas

Konkurencinių programų derinimas yra žinomas kaip sudėtingas. Lenktynių sąlygos gali būti sunkiai pagaunamos ir nedeterministinės. Išsamus testavimas, įskaitant streso testus su daugeliu konkurencinių darbuotojų, yra būtinas.

• Pakartojimai: Operacijų, tokių kaip `compareExchange`, nesėkmė reiškia, kad kitas darbuotojas ten pateko pirmas. Jūsų logika turėtų būti pasirengusi pakartoti bandymą ar prisitaikyti, kaip parodyta įterpimo pseudokode.
• Laiko limitai: Sudėtingesnėje sinchronizacijoje `Atomics.wait` gali turėti laiko limitą, kad būtų išvengta aklaviečių, jei `notify` niekada neatvyksta.

Naršyklės ir aplinkos palaikymas

• Web Workers: Plačiai palaikomi moderniose naršyklėse ir Node.js (`worker_threads`).
• SharedArrayBuffer & Atomics: Palaikomi visose pagrindinėse moderniose naršyklėse ir Node.js. Tačiau, kaip minėta, naršyklės aplinkoms reikalingos specifinės HTTP antraštės (COOP/COEP), kad įjungtų SharedArrayBuffer dėl saugumo problemų. Tai yra esminė diegimo detalė interneto programoms, siekiančioms globalaus pasiekiamumo.
  • Globalus poveikis: Užtikrinkite, kad jūsų serverių infrastruktūra visame pasaulyje yra sukonfigūruota teisingai siųsti šias antraštes.

Naudojimo atvejai ir globalus poveikis

Galimybė kurti gijoms saugias, konkurencines duomenų struktūras JavaScript kalboje atveria daugybę galimybių, ypač programoms, aptarnaujančioms globalią vartotojų bazę ar apdorojančioms didžiulius paskirstytų duomenų kiekius.

• Globalios paieškos ir automatinio užbaigimo platformos: Įsivaizduokite tarptautinę paieškos sistemą ar e. prekybos platformą, kuri turi teikti ypač greitus, realaus laiko automatinio užbaigimo pasiūlymus produktų pavadinimams, vietovėms ir vartotojų užklausoms įvairiomis kalbomis ir simbolių rinkiniais. Konkurencinis Trie Web Workers aplinkoje gali valdyti didžiules konkurencines užklausas ir dinaminius atnaujinimus (pvz., naujus produktus, populiarias paieškas) neapkraunant pagrindinės vartotojo sąsajos gijos.
• Realaus laiko duomenų apdorojimas iš paskirstytų šaltinių: Daiktų interneto (IoT) programoms, renkančioms duomenis iš jutiklių skirtinguose žemynuose, ar finansų sistemoms, apdorojančioms rinkos duomenų srautus iš įvairių biržų, konkurencinis Trie gali efektyviai indeksuoti ir teikti užklausas eilutės tipo duomenų srautams (pvz., įrenginių ID, akcijų žymenims) realiu laiku, leidžiant kelioms apdorojimo linijoms lygiagrečiai dirbti su bendrais duomenimis.
• Bendradarbiavimo redagavimas ir IDE: Internetiniuose bendradarbiavimo dokumentų redaktoriuose ar debesijos pagrindu veikiančiose IDE, bendrinamas Trie galėtų palaikyti realaus laiko sintaksės tikrinimą, kodo užbaigimą ar rašybos tikrinimą, atnaujinamą akimirksniu, kai keli vartotojai iš skirtingų laiko juostų atlieka pakeitimus. Bendrinamas Trie suteiktų nuoseklų vaizdą visoms aktyvioms redagavimo sesijoms.
• Žaidimai ir simuliacija: Naršyklės pagrindu veikiantiems daugelio žaidėjų žaidimams, konkurencinis Trie galėtų valdyti žaidimo žodyno paieškas (žodžių žaidimams), žaidėjų vardų indeksus ar net dirbtinio intelekto kelio paieškos duomenis bendroje pasaulio būsenoje, užtikrinant, kad visos žaidimo gijos veiktų su nuoseklia informacija, kad žaidimas būtų reaktyvus.
• Aukšto našumo tinklo programos: Nors dažnai tai atliekama specializuota technine įranga ar žemesnio lygio kalbomis, JavaScript pagrindu veikiantis serveris (Node.js) galėtų pasinaudoti konkurenciniu Trie, kad efektyviai valdytų dinamines maršrutizavimo lenteles ar protokolų analizę, ypač aplinkose, kur lankstumas ir greitas diegimas yra prioritetas.

Šie pavyzdžiai pabrėžia, kaip skaičiavimams imlių eilutės operacijų perkėlimas į fonines gijas, išlaikant duomenų vientisumą per konkurencinį Trie, gali dramatiškai pagerinti programų, susiduriančių su globaliais reikalavimais, reakciją ir mastelį.

Konkurencijos ateitis JavaScript kalboje

JavaScript konkurencijos peizažas nuolat keičiasi:

• WebAssembly ir bendra atmintis: WebAssembly moduliai taip pat gali veikti su SharedArrayBuffer, dažnai suteikdami dar smulkesnę kontrolę ir potencialiai didesnį našumą CPU reikalaujančioms užduotims, tuo pačiu galėdami sąveikauti su JavaScript Web Workers.
• Tolimesni JavaScript primityvų patobulinimai: ECMAScript standartas toliau tyrinėja ir tobulina konkurencijos primityvus, potencialiai siūlydamas aukštesnio lygio abstrakcijas, kurios supaprastina įprastus konkurencinius šablonus.
• Bibliotekos ir karkasai: Kai šie žemo lygio primityvai subręs, galime tikėtis, kad atsiras bibliotekos ir karkasai, kurie abstrahuos SharedArrayBuffer ir Atomics sudėtingumą, palengvinant kūrėjams kurti konkurencines duomenų struktūras be gilių atminties valdymo žinių.

Šių naujovių priėmimas leidžia JavaScript kūrėjams plėsti galimybių ribas, kuriant itin našias ir reaktyvias interneto programas, galinčias atlaikyti globaliai susijusio pasaulio reikalavimus.

Išvada

Kelionė nuo paprasto Trie iki visiškai gijoms saugaus konkurencinio Trie JavaScript kalboje yra kalbos neįtikėtinos evoliucijos ir galios, kurią ji dabar siūlo kūrėjams, liudijimas. Naudodami SharedArrayBuffer ir Atomics, galime peržengti vienagijo modelio apribojimus ir kurti duomenų struktūras, galinčias valdyti sudėtingas, konkurencines operacijas su vientisumu ir dideliu našumu.

Šis požiūris nėra be iššūkių – jis reikalauja kruopštaus atminties išdėstymo, atominių operacijų sekos ir patikimo klaidų tvarkymo. Tačiau programoms, kurios dirba su dideliais, kintančiais eilutės tipo duomenų rinkiniais ir reikalauja globalaus masto reakcijos, konkurencinis Trie siūlo galingą sprendimą. Tai suteikia kūrėjams galimybę kurti naujos kartos itin mastelį keičiančias, interaktyvias ir efektyvias programas, užtikrinant, kad vartotojo patirtis išliktų sklandi, nepriklausomai nuo to, koks sudėtingas tampa pagrindinis duomenų apdorojimas. JavaScript konkurencijos ateitis jau čia, ir su tokiomis struktūromis kaip konkurencinis Trie, ji yra įdomesnė ir pajėgesnė nei bet kada anksčiau.