Našumo atskleidimas: išsami „Web Workers“ apžvalga foniniam apdorojimui

Šiuolaikinėje reikalaujančioje žiniatinklio aplinkoje vartotojai tikisi sklandžių ir greitai reaguojančių programų. Svarbus aspektas norint tai pasiekti – neleisti ilgai trunkančioms užduotims blokuoti pagrindinės gijos, taip užtikrinant sklandžią vartotojo patirtį. „Web Workers“ suteikia galingą mechanizmą tai įgyvendinti, leisdami perkelti skaičiavimams imlias užduotis į fonines gijas ir atlaisvindami pagrindinę giją UI atnaujinimams ir vartotojo sąveikoms tvarkyti.

Kas yra „Web Workers“?

„Web Workers“ yra JavaScript scenarijai, veikiantys fone, nepriklausomai nuo pagrindinės žiniatinklio naršyklės gijos. Tai reiškia, kad jie gali atlikti tokias užduotis kaip sudėtingi skaičiavimai, duomenų apdorojimas ar tinklo užklausos, neužšaldydami vartotojo sąsajos. Galvokite apie juos kaip apie miniatiūrinius, atsidavusius darbuotojus, stropiai vykdančius užduotis užkulisiuose.

Skirtingai nuo tradicinio JavaScript kodo, „Web Workers“ neturi tiesioginės prieigos prie DOM (Document Object Model). Jie veikia atskirame globaliame kontekste, kas skatina izoliaciją ir apsaugo nuo trukdžių pagrindinės gijos operacijoms. Komunikacija tarp pagrindinės gijos ir „Web Worker“ vyksta per pranešimų perdavimo sistemą.

Kodėl verta naudoti „Web Workers“?

Pagrindinis „Web Workers“ privalumas – pagerintas našumas ir reaktyvumas. Štai privalumų apžvalga:

• Pagerinta vartotojo patirtis: Neleisdami blokuoti pagrindinės gijos, „Web Workers“ užtikrina, kad vartotojo sąsaja išliktų reaktyvi net atliekant sudėtingas užduotis. Tai lemia sklandesnę, malonesnę vartotojo patirtį. Įsivaizduokite nuotraukų redagavimo programą, kurioje filtrai taikomi fone, neleidžiant UI užšalti.
• Padidintas našumas: Skaičiavimams imlių užduočių perkėlimas į „Web Workers“ leidžia naršyklei naudoti kelis procesoriaus branduolius, o tai lemia greitesnį vykdymo laiką. Tai ypač naudinga tokioms užduotims kaip vaizdų apdorojimas, duomenų analizė ir sudėtingi skaičiavimai.
• Geresnė kodo organizacija: „Web Workers“ skatina kodo moduliškumą, atskiriant ilgai trunkančias užduotis į nepriklausomus modulius. Tai gali lemti švaresnį, lengviau prižiūrimą kodą.
• Sumažinta pagrindinės gijos apkrova: Perkeldami apdorojimą į fonines gijas, „Web Workers“ žymiai sumažina pagrindinės gijos apkrovą, leisdami jai sutelkti dėmesį į vartotojo sąveikų ir UI atnaujinimų tvarkymą.

„Web Workers“ panaudojimo atvejai

„Web Workers“ tinka įvairioms užduotims, įskaitant:

• Vaizdų ir vaizdo įrašų apdorojimas: Filtrų taikymas, vaizdų dydžio keitimas ar vaizdo įrašų kodavimas gali būti skaičiavimams imlios užduotys. „Web Workers“ gali atlikti šias užduotis fone, neblokuodami UI. Pagalvokite apie internetinį vaizdo įrašų redaktorių ar paketinių vaizdų apdorojimo įrankį.
• Duomenų analizė ir skaičiavimai: Sudėtingų skaičiavimų atlikimas, didelių duomenų rinkinių analizė ar simuliacijų vykdymas gali būti perkelti į „Web Workers“. Tai naudinga mokslinėse programose, finansų modeliavimo įrankiuose ir duomenų vizualizavimo platformose.
• Foninis duomenų sinchronizavimas: Periodiškas duomenų sinchronizavimas su serveriu gali būti atliekamas fone naudojant „Web Workers“. Tai užtikrina, kad programa visada būtų atnaujinta, netrukdant vartotojo darbo eigai. Pavyzdžiui, naujienų agregatorius gali naudoti „Web Workers“ naujiems straipsniams fone gauti.
• Realaus laiko duomenų srautų apdorojimas: Realaus laiko duomenų srautų, tokių kaip jutiklių duomenys ar akcijų rinkos atnaujinimai, apdorojimą gali atlikti „Web Workers“. Tai leidžia programai greitai reaguoti į duomenų pokyčius, nepaveikiant UI.
• Kodo sintaksės paryškinimas: Internetiniams kodo redaktoriams sintaksės paryškinimas gali būti procesoriui imli užduotis, ypač su dideliais failais. „Web Workers“ gali tai atlikti fone, užtikrindami sklandų rašymo procesą.
• Žaidimų kūrimas: Sudėtingos žaidimo logikos, tokios kaip dirbtinio intelekto skaičiavimai ar fizikos simuliacijos, vykdymas gali būti perkeltas į „Web Workers“. Tai gali pagerinti žaidimo našumą ir išvengti kadrų dažnio kritimų.

„Web Workers“ diegimas: praktinis vadovas

„Web Workers“ diegimas apima atskiro JavaScript failo sukūrimą „workerio“ kodui, „Web Worker“ egzemplioriaus sukūrimą pagrindinėje gijoje ir komunikaciją tarp pagrindinės gijos ir „workerio“ naudojant pranešimus.

1 žingsnis: „Web Worker“ scenarijaus sukūrimas

Sukurkite naują JavaScript failą (pvz., worker.js), kuriame bus kodas, vykdytinas fone. Šis failas neturėtų turėti jokių priklausomybių nuo DOM. Pavyzdžiui, sukurkime paprastą „workerį“, kuris skaičiuoja Fibonačio seką:

// worker.js
function fibonacci(n) {
  if (n <= 1) {
    return n;
  }
  return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}

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

Paaiškinimas:

• Funkcija fibonacci apskaičiuoja Fibonačio skaičių pagal pateiktą įvestį.
• Funkcija self.addEventListener('message', ...) nustato pranešimų klausytoją, kuris laukia pranešimų iš pagrindinės gijos.
• Gavęs pranešimą, „workeris“ iš pranešimo duomenų (event.data) išgauna skaičių.
• „Workeris“ apskaičiuoja Fibonačio skaičių ir siunčia rezultatą atgal į pagrindinę giją naudodamas self.postMessage(result).

2 žingsnis: „Web Worker“ egzemplioriaus sukūrimas pagrindinėje gijoje

Savo pagrindiniame JavaScript faile sukurkite naują „Web Worker“ egzempliorių naudodami Worker konstruktorių:

// main.js
const worker = new Worker('worker.js');

worker.addEventListener('message', function(event) {
  const result = event.data;
  console.log('Fibonacci result:', result);
});

worker.postMessage(10); // Calculate Fibonacci(10)

Paaiškinimas:

• new Worker('worker.js') sukuria naują „Web Worker“ egzempliorių, nurodant kelią į „workerio“ scenarijų.
• Funkcija worker.addEventListener('message', ...) nustato pranešimų klausytoją, kuris laukia pranešimų iš „workerio“.
• Gavusi pranešimą, pagrindinė gija iš pranešimo duomenų (event.data) išgauna rezultatą ir jį išveda į konsolę.
• worker.postMessage(10) siunčia pranešimą „workeriui“, nurodydama jam apskaičiuoti Fibonačio skaičių dešimčiai.

3 žingsnis: Pranešimų siuntimas ir gavimas

Komunikacija tarp pagrindinės gijos ir „Web Worker“ vyksta per postMessage() metodą ir message įvykio klausytoją. postMessage() metodas naudojamas duomenims siųsti „workeriui“, o message įvykio klausytojas – duomenims gauti iš „workerio“.

Duomenys, siunčiami per postMessage(), yra kopijuojami, o ne bendrinami. Tai užtikrina, kad pagrindinė gija ir „workeris“ veikia su nepriklausomomis duomenų kopijomis, išvengiant lenktynių sąlygų (race conditions) ir kitų sinchronizacijos problemų. Sudėtingoms duomenų struktūroms apsvarstykite galimybę naudoti struktūrinį klonavimą arba perkeliamus objektus (paaiškinta vėliau).

Pažangios „Web Worker“ technikos

Nors pagrindinis „Web Workers“ diegimas yra paprastas, yra keletas pažangių technikų, kurios gali dar labiau pagerinti jų našumą ir galimybes.

Perkeliami objektai (Transferable Objects)

Perkeliami objektai suteikia mechanizmą duomenims perduoti tarp pagrindinės gijos ir „Web Workers“ nekopijuojant duomenų. Tai gali žymiai pagerinti našumą dirbant su didelėmis duomenų struktūromis, tokiomis kaip ArrayBuffers, Blobs ir ImageBitmaps.

Kai perkeliamas objektas siunčiamas naudojant postMessage(), objekto nuosavybė perduodama gavėjui. Siuntėjas praranda prieigą prie objekto, o gavėjas gauna išskirtinę prieigą. Tai apsaugo nuo duomenų sugadinimo ir užtikrina, kad tik viena gija vienu metu gali keisti objektą.

Pavyzdys:

// Pagrindinė gija
const arrayBuffer = new ArrayBuffer(1024 * 1024); // 1MB
worker.postMessage(arrayBuffer, [arrayBuffer]); // Perduoti nuosavybę

// Worker
self.addEventListener('message', function(event) {
  const arrayBuffer = event.data;
  // Apdoroti ArrayBuffer
});

Šiame pavyzdyje arrayBuffer yra perduodamas „workeriui“ jo nekopijuojant. Pagrindinė gija po išsiuntimo nebeturi prieigos prie arrayBuffer.

Struktūrinis klonavimas (Structured Cloning)

Struktūrinis klonavimas yra mechanizmas, skirtas gilioms JavaScript objektų kopijoms kurti. Jis palaiko platų duomenų tipų spektrą, įskaitant primityvias reikšmes, objektus, masyvus, datas (Dates), reguliariąsias išraiškas (RegExps), žemėlapius (Maps) ir aibes (Sets). Tačiau jis nepalaiko funkcijų ar DOM mazgų.

Struktūrinis klonavimas naudojamas postMessage() metode duomenims kopijuoti tarp pagrindinės gijos ir „Web Workers“. Nors tai paprastai yra efektyvu, didelėms duomenų struktūroms tai gali būti lėčiau nei naudojant perkeliamus objektus.

SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer yra duomenų struktūra, leidžianti kelioms gijoms, įskaitant pagrindinę giją ir „Web Workers“, dalytis atmintimi. Tai leidžia labai efektyviai dalytis duomenimis ir komunikuoti tarp gijų. Tačiau SharedArrayBuffer reikalauja kruopštaus sinchronizavimo, kad būtų išvengta lenktynių sąlygų ir duomenų sugadinimo.

Svarbūs saugumo aspektai: Naudojant SharedArrayBuffer reikia nustatyti konkrečias HTTP antraštes (Cross-Origin-Opener-Policy ir Cross-Origin-Embedder-Policy), kad būtų sumažinta saugumo rizika, ypač „Spectre“ ir „Meltdown“ pažeidžiamumai. Šios antraštės izoliuoja jūsų šaltinį nuo kitų naršyklės šaltinių, neleidžiant kenkėjiškam kodui pasiekti bendrinamos atminties.

Pavyzdys:

// Pagrindinė gija
const sharedArrayBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);
const uint8Array = new Uint8Array(sharedArrayBuffer);
worker.postMessage(sharedArrayBuffer);

// Worker
self.addEventListener('message', function(event) {
  const sharedArrayBuffer = event.data;
  const uint8Array = new Uint8Array(sharedArrayBuffer);
  // Pasiekti ir keisti SharedArrayBuffer
});

Šiame pavyzdyje tiek pagrindinė gija, tiek „workeris“ turi prieigą prie to paties sharedArrayBuffer. Bet kokie pakeitimai, kuriuos viena gija atlieka sharedArrayBuffer, bus nedelsiant matomi kitai gijai.

Sinchronizavimas su „Atomics“: Naudojant SharedArrayBuffer, labai svarbu naudoti „Atomics“ operacijas sinchronizavimui. „Atomics“ suteikia atomines skaitymo, rašymo ir palyginimo-keitimo operacijas, kurios užtikrina duomenų nuoseklumą ir apsaugo nuo lenktynių sąlygų. Pavyzdžiai: Atomics.load(), Atomics.store() ir Atomics.compareExchange().

WebAssembly (WASM) „Web Workers“

WebAssembly (WASM) yra žemo lygio dvejetainis instrukcijų formatas, kurį žiniatinklio naršyklės gali vykdyti beveik natūraliu greičiu. Jis dažnai naudojamas vykdyti skaičiavimams imlų kodą, pavyzdžiui, žaidimų variklius, vaizdų apdorojimo bibliotekas ir mokslines simuliacijas.

WebAssembly gali būti naudojamas „Web Workers“ siekiant dar labiau pagerinti našumą. Sukompiliavę savo kodą į WebAssembly ir paleidę jį „Web Worker“, galite pasiekti didelį našumo padidėjimą, palyginti su to paties kodo vykdymu JavaScript.

Pavyzdys:

Kompiliuokite savo C, C++, ar Rust kodą į WebAssembly naudodami įrankius, tokius kaip Emscripten ar wasm-pack.

Įkelkite WebAssembly modulį savo „Web Worker“ naudodami fetch arba XMLHttpRequest.

Sukonstruokite WebAssembly modulį ir iškvieskite jo funkcijas iš „workerio“.

„Worker“ telkiniai (Worker Pools)

Užduotims, kurias galima padalyti į mažesnius, nepriklausomus darbo vienetus, galite naudoti „worker“ telkinį. „Worker“ telkinį sudaro keli „Web Worker“ egzemplioriai, kuriuos valdo centrinis valdiklis. Valdiklis paskirsto užduotis laisviems „workeriams“ ir surenka rezultatus.

„Worker“ telkiniai gali pagerinti našumą, lygiagrečiai naudodami kelis procesoriaus branduolius. Jie ypač naudingi tokioms užduotims kaip vaizdų apdorojimas, duomenų analizė ir atvaizdavimas.

Pavyzdys: Įsivaizduokite, kad kuriate programą, kuriai reikia apdoroti didelį skaičių vaizdų. Užuot apdoroję kiekvieną vaizdą nuosekliai viename „workeryje“, galite sukurti „worker“ telkinį su, tarkime, keturiais „workeriais“. Kiekvienas „workeris“ gali apdoroti dalį vaizdų, o rezultatus gali sujungti pagrindinė gija.

Gerosios „Web Workers“ naudojimo praktikos

Norėdami maksimaliai išnaudoti „Web Workers“ teikiamus privalumus, apsvarstykite šias gerasias praktikas:

• Išlaikykite „workerio“ kodą paprastą: Sumažinkite priklausomybes ir venkite sudėtingos logikos „workerio“ scenarijuje. Tai sumažins „workerių“ kūrimo ir valdymo pridėtines išlaidas.
• Minimizuokite duomenų perdavimą: Venkite didelių duomenų kiekių perdavimo tarp pagrindinės gijos ir „workerio“. Kai įmanoma, naudokite perkeliamus objektus arba SharedArrayBuffer.
• Tinkamai tvarkykite klaidas: Įdiekite klaidų tvarkymą tiek pagrindinėje gijoje, tiek „workeryje“, kad išvengtumėte netikėtų gedimų. Naudokite onerror įvykio klausytoją klaidoms „workeryje“ gaudyti.
• Nutraukite „workerius“, kai jų nebereikia: Nutraukite „workerius“, kai jie nebereikalingi, kad atlaisvintumėte resursus. Naudokite worker.terminate() metodą „workeriui“ nutraukti.
• Naudokite funkcijos aptikimą: Prieš naudodami „Web Workers“, patikrinkite, ar naršyklė juos palaiko. Naudokite typeof Worker !== 'undefined' patikrinimą „Web Worker“ palaikymui aptikti.
• Apsvarstykite „polyfills“: Senesnėms naršyklėms, kurios nepalaiko „Web Workers“, apsvarstykite galimybę naudoti „polyfill“, kad suteiktumėte panašų funkcionalumą.

Pavyzdžiai skirtingose naršyklėse ir įrenginiuose

„Web Workers“ yra plačiai palaikomi šiuolaikinėse naršyklėse, įskaitant Chrome, Firefox, Safari ir Edge, tiek stacionariuose, tiek mobiliuosiuose įrenginiuose. Tačiau skirtingose platformose gali būti nedidelių našumo ir elgsenos skirtumų.

• Mobilieji įrenginiai: Mobiliuosiuose įrenginiuose baterijos veikimo laikas yra kritiškai svarbus. Venkite naudoti „Web Workers“ užduotims, kurios sunaudoja per daug procesoriaus resursų, nes tai gali greitai išeikvoti bateriją. Optimizuokite „workerio“ kodą energijos efektyvumui.
• Senesnės naršyklės: Senesnės Internet Explorer (IE) versijos gali turėti ribotą arba jokio palaikymo „Web Workers“. Naudokite funkcijos aptikimą ir „polyfills“, kad užtikrintumėte suderinamumą su šiomis naršyklėmis.
• Naršyklės plėtiniai: Kai kurie naršyklės plėtiniai gali trukdyti „Web Workers“ veiklai. Išbandykite savo programą su įjungtais skirtingais plėtiniais, kad nustatytumėte bet kokias suderinamumo problemas.

„Web Workers“ derinimas

„Web Workers“ derinimas gali būti sudėtingas, nes jie veikia atskirame globaliame kontekste. Tačiau dauguma šiuolaikinių naršyklių teikia derinimo įrankius, kurie gali padėti jums patikrinti „Web Workers“ būseną ir nustatyti problemas.

• Konsolės žurnalavimas: Naudokite console.log() teiginius „workerio“ kode, kad išvestumėte pranešimus į naršyklės kūrėjo konsolę.
• Stabdymo taškai (Breakpoints): Nustatykite stabdymo taškus „workerio“ kode, kad sustabdytumėte vykdymą ir patikrintumėte kintamuosius.
• Kūrėjo įrankiai: Naudokite naršyklės kūrėjo įrankius, kad patikrintumėte „Web Workers“ būseną, įskaitant jų atminties naudojimą, procesoriaus naudojimą ir tinklo veiklą.
• Specializuotas „worker“ derintuvas: Kai kurios naršyklės teikia specializuotą derintuvą „Web Workers“, kuris leidžia jums žingsnis po žingsnio vykdyti „workerio“ kodą ir tikrinti kintamuosius realiu laiku.

Saugumo aspektai

„Web Workers“ įveda naujus saugumo aspektus, kuriuos kūrėjai turėtų žinoti:

• Skirtingų šaltinių apribojimai (Cross-Origin Restrictions): „Web Workers“ taikomi tie patys skirtingų šaltinių apribojimai kaip ir kitiems žiniatinklio resursams. „Web Worker“ scenarijus turi būti pateikiamas iš to paties šaltinio kaip ir pagrindinis puslapis, nebent yra įjungtas CORS (Cross-Origin Resource Sharing).
• Kodo įterpimas (Code Injection): Būkite atsargūs perduodami nepatikimus duomenis į „Web Workers“. Kenkėjiškas kodas gali būti įterptas į „workerio“ scenarijų ir įvykdytas fone. Dezinfekuokite visus įvesties duomenis, kad išvengtumėte kodo įterpimo atakų.
• Resursų vartojimas: „Web Workers“ gali sunaudoti daug procesoriaus ir atminties resursų. Apribokite „workerių“ skaičių ir resursų kiekį, kurį jie gali sunaudoti, kad išvengtumėte paslaugos trikdymo (denial-of-service) atakų.
• SharedArrayBuffer saugumas: Kaip minėta anksčiau, naudojant SharedArrayBuffer reikia nustatyti konkrečias HTTP antraštes, kad būtų sumažinta „Spectre“ ir „Meltdown“ pažeidžiamumų rizika.

Alternatyvos „Web Workers“

Nors „Web Workers“ yra galingas įrankis foniniam apdorojimui, yra ir kitų alternatyvų, kurios gali būti tinkamos tam tikriems panaudojimo atvejams:

• requestAnimationFrame: Naudokite requestAnimationFrame() užduotims, kurias reikia atlikti prieš kitą perpiešimą, planuoti. Tai naudinga animacijoms ir UI atnaujinimams.
• setTimeout/setInterval: Naudokite setTimeout() ir setInterval() užduotims, kurias reikia įvykdyti po tam tikro delsimo arba reguliariais intervalais, planuoti. Tačiau šie metodai yra mažiau tikslūs nei „Web Workers“ ir gali būti paveikti naršyklės droseliavimo.
• Service Workers: „Service Workers“ yra „Web Worker“ tipas, kuris gali perimti tinklo užklausas ir talpinti resursus. Jie pirmiausia naudojami neprisijungus veikiančiam funkcionalumui įgalinti ir žiniatinklio programų našumui pagerinti.
• Comlink: Biblioteka, kuri leidžia „Web Workers“ jaustis kaip vietinėms funkcijoms, supaprastindama komunikacijos pridėtines išlaidas.

Išvada

„Web Workers“ yra vertingas įrankis žiniatinklio programų našumui ir reaktyvumui gerinti. Perkeldami skaičiavimams imlias užduotis į fonines gijas, galite užtikrinti sklandesnę vartotojo patirtį ir atskleisti visą savo žiniatinklio programų potencialą. Nuo vaizdų apdorojimo iki duomenų analizės ir realaus laiko duomenų srautų, „Web Workers“ gali efektyviai ir veiksmingai tvarkyti platų užduočių spektrą. Suprasdami „Web Worker“ diegimo principus ir gerasias praktikas, galite kurti didelio našumo žiniatinklio programas, atitinkančias šiuolaikinių vartotojų poreikius.

Nepamirškite atidžiai apsvarstyti „Web Workers“ naudojimo saugumo pasekmių, ypač naudojant SharedArrayBuffer. Visada dezinfekuokite įvesties duomenis ir įdiekite patikimą klaidų tvarkymą, kad išvengtumėte pažeidžiamumų.

Žiniatinklio technologijoms toliau vystantis, „Web Workers“ išliks esminiu įrankiu žiniatinklio kūrėjams. Įvaldę foninio apdorojimo meną, galite kurti greitas, reaktyvias ir patrauklias žiniatinklio programas vartotojams visame pasaulyje.