Web Locks API: Išteklių sinchronizavimo primityvai modernioms interneto programoms

Šiuolaikinių interneto programų kūrimo srityje bendrų išteklių valdymas ir lenktynių sąlygų (angl. race conditions) prevencija yra labai svarbūs siekiant užtikrinti duomenų vientisumą ir sklandžią vartotojo patirtį. Web Locks API suteikia galingą mechanizmą, skirtą koordinuoti prieigą prie šių išteklių, siūlydamas būdą įgyvendinti kooperacinį daugiaveiksmiškumą ir išvengti įprastų lygiagretumo problemų. Šis išsamus vadovas gilinasi į Web Locks API subtilybes, nagrinėja jo galimybes, naudojimo atvejus ir geriausias praktikas.

Išteklių sinchronizavimo supratimas

Prieš gilinantis į Web Locks API specifiką, būtina suprasti pagrindines išteklių sinchronizavimo sąvokas. Daugiagijėje arba kelių procesų aplinkoje keli vykdymo kontekstai gali bandyti vienu metu pasiekti ir modifikuoti tą patį išteklių. Be tinkamų sinchronizavimo mechanizmų, tai gali sukelti:

• Lenktynių sąlygos: Operacijos rezultatas priklauso nuo nenuspėjamos tvarkos, kuria skirtingi vykdymo kontekstai pasiekia išteklių.
• Duomenų sugadinimas: Lygiagretūs pakeitimai gali lemti nenuoseklius arba neteisingus duomenis.
• Aklavietės (angl. Deadlocks): Du ar daugiau vykdymo kontekstų yra blokuojami neribotam laikui, laukdami vienas kito, kad atlaisvintų jiems reikalingus išteklius.

Tradiciniai užrakinimo mechanizmai, tokie kaip miuteksai (mutexes) ir semaforai, dažnai naudojami serverio pusės programavime šioms problemoms spręsti. Tačiau vienagijis JavaScript pobūdis naršyklėje kelia kitokių iššūkių. Nors tikrojo daugiagijiškumo nėra, asinchroninis interneto programų pobūdis kartu su Web Workers naudojimu vis tiek gali sukelti lygiagretumo problemų, kurias reikia atidžiai valdyti.

Pristatome Web Locks API

Web Locks API siūlo kooperacinį užrakinimo mechanizmą, specialiai sukurtą interneto programoms. Jis leidžia programuotojams prašyti išskirtinės arba bendros prieigos prie pavadintų išteklių, užkertant kelią lygiagrečiai prieigai ir užtikrinant duomenų nuoseklumą. Skirtingai nuo tradicinių užrakinimo mechanizmų, Web Locks API remiasi kooperaciniu daugiaveiksmiškumu, o tai reiškia, kad vykdymo kontekstai savanoriškai atsisako kontrolės, kad kiti galėtų pasiekti užrakintą išteklių.

Štai pagrindinių sąvokų apžvalga:

• Užrakto pavadinimas: Eilutė, identifikuojanti užrakinamą išteklių. Tai leidžia skirtingoms programos dalims koordinuoti prieigą prie to paties ištekliaus.
• Užrakto režimas: Nurodo, ar užraktas yra išskirtinis, ar bendras.
  • Išskirtinis (Exclusive): Tik vienas vykdymo kontekstas gali turėti užraktą vienu metu. Tai tinka operacijoms, kurios modifikuoja išteklių.
  • Bendras (Shared): Keli vykdymo kontekstai gali turėti užraktą vienu metu. Tai tinka operacijoms, kurios tik skaito išteklių.
• Užrakto gavimas: Užrakto prašymo procesas. API suteikia asinchroninius metodus užraktams gauti, leidžiančius programai tęsti kitų užduočių apdorojimą, kol laukiama, kol užraktas bus prieinamas.
• Užrakto atlaisvinimas: Užrakto atlaisvinimo procesas, leidžiantis jį pasiekti kitiems vykdymo kontekstams.

Web Locks API naudojimas: Praktiniai pavyzdžiai

Panagrinėkime keletą praktinių pavyzdžių, iliustruojančių, kaip Web Locks API gali būti naudojamas interneto programose.

1 pavyzdys: Duomenų bazės atnaujinimų lygiagretumo prevencija

Įsivaizduokite scenarijų, kai keli vartotojai redaguoja tą patį dokumentą bendradarbiavimo redagavimo programoje. Be tinkamo sinchronizavimo, lygiagretūs atnaujinimai gali lemti duomenų praradimą ar nenuoseklumus. Web Locks API gali būti naudojamas tam išvengti, gaunant išskirtinį užraktą prieš atnaujinant dokumentą.

            
async function updateDocument(documentId, newContent) {
  try {
    await navigator.locks.request(`document-${documentId}`, async (lock) => {
      // Lock acquired successfully.
      console.log(`Lock acquired for document ${documentId}`);

      // Simulate a database update operation.
      await simulateDatabaseUpdate(documentId, newContent);

      console.log(`Document ${documentId} updated successfully`);
    });
  } catch (error) {
    console.error(`Error updating document ${documentId}: ${error}`);
  }
}

async function simulateDatabaseUpdate(documentId, newContent) {
  // Simulate a delay to represent a database operation.
  await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 1000));
  // In a real application, this would update the database.
  console.log(`Simulated database update for document ${documentId}`);
}

// Example usage:
updateDocument("123", "New content for the document");

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje `navigator.locks.request()` metodas naudojamas išskirtiniam užraktui, pavadintam `document-${documentId}`, gauti. Pateikta atgalinio iškvietimo (callback) funkcija vykdoma tik sėkmingai gavus užraktą. Atgalinio iškvietimo funkcijos viduje atliekama duomenų bazės atnaujinimo operacija. Kai atnaujinimas baigtas, užraktas automatiškai atlaisvinamas, kai baigiasi atgalinio iškvietimo funkcija.

2 pavyzdys: Prieigos prie bendrų išteklių valdymas naudojant Web Workers

Web Workers leidžia vykdyti JavaScript kodą fone, atskirai nuo pagrindinės gijos. Tai gali pagerinti jūsų programos našumą perkeliant skaičiavimams imlias užduotis. Tačiau Web Workers taip pat gali sukelti lygiagretumo problemų, jei jiems reikia prieigos prie bendrų išteklių.

Web Locks API gali būti naudojamas koordinuoti prieigą prie šių bendrų išteklių. Pavyzdžiui, įsivaizduokite scenarijų, kai Web Worker'iui reikia atnaujinti bendrą skaitiklį.

Pagrindinė gija:

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

worker.postMessage({ action: 'incrementCounter', lockName: 'shared-counter' });
worker.postMessage({ action: 'incrementCounter', lockName: 'shared-counter' });

worker.onmessage = function(event) {
  console.log('Counter value:', event.data.counter);
};

            

              
                Copy
              
            
          

Worker gija (worker.js):

            
let counter = 0;

self.onmessage = async function(event) {
  const { action, lockName } = event.data;

  if (action === 'incrementCounter') {
    try {
      await navigator.locks.request(lockName, async (lock) => {
        // Lock acquired successfully.
        console.log('Lock acquired in worker');

        // Increment the counter.
        counter++;

        console.log('Counter incremented in worker:', counter);

        // Send the updated counter value back to the main thread.
        self.postMessage({ counter: counter });
      });
    } catch (error) {
      console.error('Error incrementing counter in worker:', error);
    }
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje Web Worker klauso pranešimų iš pagrindinės gijos. Gavęs pranešimą padidinti skaitiklį, jis gauna išskirtinį užraktą, pavadintą `shared-counter`, prieš atnaujindamas skaitiklį. Tai užtikrina, kad tik vienas „worker'is“ gali padidinti skaitiklį vienu metu, taip išvengiant lenktynių sąlygų.

Geriausios Web Locks API naudojimo praktikos

Norėdami efektyviai naudoti Web Locks API, atsižvelkite į šias geriausias praktikas:

• Rinkitės aprašomuosius užraktų pavadinimus: Naudokite prasmingus ir aprašomuosius užraktų pavadinimus, kurie aiškiai identifikuoja saugomą išteklių. Tai palengvina užrakto paskirties supratimą ir galimų problemų derinimą.
• Sumažinkite užrakto trukmę: Laikykite užraktus kuo trumpesnį laiką, kad sumažintumėte poveikį našumui. Ilgai trunkančias operacijas reikėtų suskaidyti į mažesnes, atomines operacijas, kurias galima atlikti su užraktu.
• Tinkamai apdorokite klaidas: Įdiekite tinkamą klaidų apdorojimą, kad sklandžiai valdytumėte situacijas, kai užrakto negalima gauti. Tai gali apimti bandymą pakartotinai gauti užraktą, klaidos pranešimo rodymą vartotojui ar kitų tinkamų veiksmų atlikimą.
• Venkite aklaviečių: Būkite atidūs dėl galimų aklaviečių, ypač dirbant su keliais užraktais. Venkite užraktų gavimo ciklinėje priklausomybėje, kai kiekvienas vykdymo kontekstas laukia užrakto, kurį laiko kitas.
• Apsvarstykite užrakto apimtį: Atidžiai apsvarstykite užrakto apimtį. Ar užraktas turėtų būti globalus, ar specifinis konkrečiam vartotojui ar sesijai? Tinkamos apimties pasirinkimas yra labai svarbus siekiant užtikrinti tinkamą sinchronizavimą ir išvengti nenumatytų pasekmių.
• Naudokite su IndexedDB transakcijomis: Dirbdami su IndexedDB, apsvarstykite galimybę naudoti Web Locks API kartu su IndexedDB transakcijomis. Tai gali suteikti papildomą apsaugos lygį nuo duomenų sugadinimo, kai susiduriama su lygiagrečia prieiga prie duomenų bazės.

Sudėtingesni aspektai

Užrakto parinktys

`navigator.locks.request()` metodas priima neprivalomą `options` objektą, kuris leidžia papildomai pritaikyti užrakto gavimo procesą. Pagrindinės parinktys apima:

• mode: Nurodo užrakto režimą, 'exclusive' arba 'shared' (kaip aptarta anksčiau).
• ifAvailable: Loginė reikšmė. Jei `true`, pažadas (promise) išsisprendžia nedelsiant su `Lock` objektu, jei užraktas yra prieinamas; kitu atveju, jis išsisprendžia su `null`. Tai leidžia neblokuojančiai bandyti gauti užraktą.
• steal: Loginė reikšmė. Jei `true`, dabartinis dokumentas yra aktyvus, o užraktą šiuo metu laiko fone veikiantis scenarijus, tada foninis scenarijus bus priverstinai atleistas nuo užrakto. Tai galinga funkcija, kurią reikėtų naudoti atsargiai, nes ji gali nutraukti vykdomas operacijas.

Užrakto konkurencijos nustatymas

Web Locks API nesuteikia tiesioginio mechanizmo užrakto konkurencijai nustatyti (t. y. nustatyti, ar užraktą šiuo metu laiko kitas vykdymo kontekstas). Tačiau galite įdiegti paprastą apklausos (polling) mechanizmą, naudodami `ifAvailable` parinktį, kad periodiškai tikrintumėte, ar užraktas yra prieinamas.

            
async function attemptLockAcquisition(lockName) {
  const lock = await navigator.locks.request(lockName, { ifAvailable: true });
  return lock !== null;
}

async function monitorLockContention(lockName) {
  while (true) {
    const lockAcquired = await attemptLockAcquisition(lockName);
    if (lockAcquired) {
      console.log(`Lock ${lockName} acquired after contention`);
      // Perform the operation that requires the lock.
      break;
    } else {
      console.log(`Lock ${lockName} is currently contended`);
      await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 100)); // Wait 100ms
    }
  }
}

// Example usage:
monitorLockContention("my-resource-lock");

            

              
                Copy
              
            
          

Web Locks API alternatyvos

Nors Web Locks API yra vertingas įrankis išteklių sinchronizavimui, svarbu žinoti apie alternatyvius metodus, kurie tam tikrose situacijose gali būti tinkamesni.

• Atomics ir SharedArrayBuffer: Šios technologijos suteikia žemo lygio primityvus bendrai atminčiai ir atominėms operacijoms, leidžiančias smulkesnį lygiagretumo valdymą. Tačiau jas reikia naudoti atsargiai ir jos gali būti sudėtingesnės nei Web Locks API. Dėl saugumo problemų jos taip pat reikalauja nustatyti specifines HTTP antraštes.
• Pranešimų perdavimas: Pranešimų perdavimas tarp skirtingų vykdymo kontekstų (pvz., tarp pagrindinės gijos ir Web Workers) gali būti paprastesnė ir tvirtesnė alternatyva bendrai atminčiai ir užrakinimo mechanizmams. Šis metodas apima pranešimų, kuriuose yra apdorojami duomenys, siuntimą, o ne tiesioginį atminties dalijimąsi.
• Idempotentinės operacijos: Operacijų kūrimas taip, kad jos būtų idempotentinės (t. y. atlikus tą pačią operaciją kelis kartus gaunamas toks pat rezultatas, kaip ir atlikus ją vieną kartą), kai kuriais atvejais gali panaikinti sinchronizavimo poreikį.
• Optimistinis užrakinimas: Užuot gavus užraktą prieš atliekant operaciją, optimistinis užrakinimas apima patikrinimą, ar išteklius nebuvo pakeistas nuo paskutinio jo nuskaitymo. Jei buvo, operacija kartojama.

Naudojimo atvejai įvairiuose regionuose

Web Locks API yra pritaikomas įvairiuose regionuose ir pramonės šakose. Štai keletas pavyzdžių:

• Elektroninė komercija (pasaulinė): Dvigubo išlaidavimo prevencija internetinėse transakcijose. Įsivaizduokite, kad vartotojas Tokijuje ir kitas Niujorke tuo pačiu metu bando nupirkti paskutinę sandėlyje esančią prekę. Web Locks API gali užtikrinti, kad pavyks tik viena transakcija.
• Bendradarbiavimo dokumentų redagavimas (visame pasaulyje): Nuoseklumo užtikrinimas realaus laiko dokumentų bendradarbiavimo platformose, kurias naudoja komandos Londone, Sidnėjuje ir San Fransiske.
• Internetinė bankininkystė (įvairios šalys): Apsauga nuo lygiagrečių sąskaitos atnaujinimų, kai vartotojai skirtingose laiko juostose vienu metu jungiasi prie tos pačios sąskaitos.
• Sveikatos priežiūros programos (įvairios šalys): Prieigos prie pacientų įrašų valdymas siekiant išvengti prieštaringų atnaujinimų iš kelių sveikatos priežiūros paslaugų teikėjų.
• Žaidimai (pasauliniai): Žaidimo būsenos sinchronizavimas tarp kelių žaidėjų masiniame daugelio žaidėjų internetiniame žaidime (MMO), siekiant išvengti sukčiavimo ir užtikrinti sąžiningumą.

Išvada

Web Locks API siūlo galingą ir universalų mechanizmą išteklių sinchronizavimui interneto programose. Suteikdamas kooperacinį užrakinimo mechanizmą, jis leidžia programuotojams išvengti lenktynių sąlygų, valdyti prieigą prie bendrų išteklių ir kurti tvirtas bei patikimas interneto patirtis. Nors tai nėra panacėja ir egzistuoja alternatyvų, Web Locks API supratimas ir naudojimas gali žymiai pagerinti šiuolaikinių interneto programų kokybę ir stabilumą. Kadangi interneto programos tampa vis sudėtingesnės ir remiasi asinchroninėmis operacijomis bei Web Workers, tinkamo išteklių sinchronizavimo poreikis tik augs, todėl Web Locks API tampa esminiu įrankiu interneto programuotojams visame pasaulyje.