Web Workers: foninio apdorojimo galios išlaisvinimas naršyklėje

Šiuolaikinėje dinamiškoje žiniatinklio aplinkoje vartotojai tikisi sklandžių ir greitai reaguojančių programų. Tačiau vienos gijos JavaScript prigimtis gali sukelti našumo problemų, ypač dirbant su skaičiavimams imliomis užduotimis. „Web Workers“ siūlo sprendimą, įgalindami tikrą lygiagretų apdorojimą naršyklėje. Šis išsamus vadovas nagrinėja „Web Workers“, jų architektūrą, privalumus, apribojimus ir praktinio įgyvendinimo strategijas, padėsiančias jums kurti efektyvesnes ir greičiau reaguojančias žiniatinklio programas.

Kas yra „Web Workers“?

„Web Workers“ yra JavaScript API, leidžianti vykdyti scenarijus fone, nepriklausomai nuo pagrindinės naršyklės gijos. Įsivaizduokite juos kaip atskirus procesus, veikiančius lygiagrečiai su jūsų pagrindiniu tinklalapiu. Šis atskyrimas yra labai svarbus, nes jis neleidžia ilgai trunkančioms ar daug resursų reikalaujančioms operacijoms blokuoti pagrindinės gijos, kuri yra atsakinga už vartotojo sąsajos atnaujinimą. Perkeldami užduotis į „Web Workers“, galite išlaikyti sklandžią ir greitai reaguojančią vartotojo patirtį, net kai vyksta sudėtingi skaičiavimai.

Pagrindinės „Web Workers“ savybės:

• Lygiagretus vykdymas: „Web Workers“ veikia atskirose gijose, įgalindami tikrą lygiagretų apdorojimą.
• Nėra blokavimo: „Web Workers“ atliekamos užduotys neblokuoja pagrindinės gijos, užtikrinant vartotojo sąsajos reaktyvumą.
• Pranešimų perdavimas: Komunikacija tarp pagrindinės gijos ir „Web Workers“ vyksta perduodant pranešimus, naudojant postMessage() API ir onmessage įvykių apdorojimo funkciją.
• Atskira aprėptis: „Web Workers“ turi savo atskirą globalią aprėptį, atskirtą nuo pagrindinio lango aprėpties. Ši izoliacija pagerina saugumą ir apsaugo nuo nenumatytų šalutinių poveikių.
• Nėra prieigos prie DOM: „Web Workers“ negali tiesiogiai pasiekti DOM (Document Object Model). Jie dirba su duomenimis ir logika, o rezultatus perduoda atgal pagrindinei gijai, kad būtų atnaujinta vartotojo sąsaja.

Kodėl verta naudoti „Web Workers“?

Pagrindinė motyvacija naudoti „Web Workers“ yra pagerinti žiniatinklio programų našumą ir reaktyvumą. Štai pagrindinių privalumų apžvalga:

• Pagerintas vartotojo sąsajos reaktyvumas: Perkėlus skaičiavimams imlias užduotis, tokias kaip vaizdų apdorojimas, sudėtingi skaičiavimai ar duomenų analizė, į „Web Workers“, išvengiama pagrindinės gijos blokavimo. Tai užtikrina, kad vartotojo sąsaja išliks reaguojanti ir interaktyvi, net ir intensyvaus apdorojimo metu. Įsivaizduokite svetainę, kuri analizuoja didelius duomenų rinkinius. Be „Web Workers“, visas naršyklės skirtukas galėtų užstrigti analizės metu. Su „Web Workers“, analizė vyksta fone, leidžiant vartotojams toliau sąveikauti su puslapiu.
• Pagerintas našumas: Lygiagretus apdorojimas gali žymiai sumažinti bendrą tam tikrų užduočių vykdymo laiką. Paskirstydami darbą per kelias gijas, galite išnaudoti šiuolaikinių procesorių kelių branduolių apdorojimo galimybes. Tai lemia greitesnį užduočių atlikimą ir efektyvesnį sistemos resursų naudojimą.
• Foninė sinchronizacija: „Web Workers“ yra naudingi užduotims, kurias reikia atlikti fone, pavyzdžiui, periodiniam duomenų sinchronizavimui su serveriu. Tai leidžia pagrindinei gijai sutelkti dėmesį į vartotojo sąveiką, kol „Web Worker“ tvarko foninius procesus, užtikrinant, kad duomenys visada būtų atnaujinti, nepakenkiant našumui.
• Didelių duomenų apdorojimas: „Web Workers“ puikiai tinka didelių duomenų rinkinių apdorojimui, nepaveikiant vartotojo patirties. Pavyzdžiui, didelių vaizdų failų apdorojimas, finansinių duomenų analizė ar sudėtingų simuliacijų atlikimas – visa tai galima perkelti į „Web Workers“.

„Web Workers“ panaudojimo atvejai

„Web Workers“ ypač tinka įvairioms užduotims, įskaitant:

• Vaizdų ir vaizdo įrašų apdorojimas: Filtrų taikymas, vaizdų dydžio keitimas ar vaizdo formatų perkodavimas gali būti skaičiavimams imlus. „Web Workers“ gali atlikti šias užduotis fone, apsaugodami vartotojo sąsają nuo užstrigimo.
• Duomenų analizė ir vizualizacija: Sudėtingų skaičiavimų atlikimas, didelių duomenų rinkinių analizė ar diagramų ir grafikų generavimas gali būti perkeltas į „Web Workers“.
• Kriptografinės operacijos: Šifravimas ir dešifravimas gali reikalauti daug resursų. „Web Workers“ gali tvarkyti šias operacijas fone, gerindami saugumą, nepakenkiant našumui.
• Žaidimų kūrimas: Žaidimų fizikos skaičiavimas, sudėtingų scenų atvaizdavimas ar dirbtinio intelekto valdymas gali būti perkeltas į „Web Workers“.
• Foninis duomenų sinchronizavimas: Reguliarus duomenų sinchronizavimas su serveriu gali būti atliekamas fone naudojant „Web Workers“.
• Rašybos tikrinimas: Rašybos tikrintuvas gali naudoti „Web Workers“, kad asinchroniškai tikrintų tekstą, atnaujindamas vartotojo sąsają tik tada, kai tai būtina.
• Spindulių sekimas (Ray Tracing): Spindulių sekimas, sudėtinga atvaizdavimo technika, gali būti atliekamas „Web Worker“, užtikrinant sklandesnę patirtį net ir grafiškai intensyviose žiniatinklio programose.

Apsvarstykite realų pavyzdį: žiniatinklio nuotraukų redaktorių. Sudėtingo filtro pritaikymas didelės raiškos vaizdui galėtų užtrukti kelias sekundes ir visiškai užšaldyti vartotojo sąsają be „Web Workers“. Perduodant filtro taikymą „Web Worker“, vartotojas gali toliau sąveikauti su redaktoriumi, kol filtras taikomas fone, suteikiant žymiai geresnę vartotojo patirtį.

„Web Workers“ įgyvendinimas

„Web Workers“ įgyvendinimas apima atskiro JavaScript failo sukūrimą „worker“ kodui, „Web Worker“ objekto sukūrimą pagrindiniame scenarijuje ir pranešimų perdavimą komunikacijai.

1. „Web Worker“ scenarijaus kūrimas (worker.js):

„Web Worker“ scenarijuje yra kodas, kuris bus vykdomas fone. Šis scenarijus neturi prieigos prie DOM. Štai paprastas pavyzdys, kuris apskaičiuoja n-tąjį Fibonačio skaičių:

// worker.js

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

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

Paaiškinimas:

• fibonacci(n) funkcija rekursyviai apskaičiuoja n-tąjį Fibonačio skaičių.
• self.addEventListener('message', function(e) { ... }) nustato įvykių klausytoją, kuris apdoroja pranešimus, gautus iš pagrindinės gijos. e.data savybėje yra duomenys, atsiųsti iš pagrindinės gijos.
• self.postMessage(result) išsiunčia apskaičiuotą rezultatą atgal į pagrindinę giją.

2. „Web Worker“ kūrimas ir naudojimas pagrindiniame scenarijuje:

Pagrindiniame JavaScript faile turite sukurti „Web Worker“ objektą, siųsti jam pranešimus ir apdoroti iš jo gautus pranešimus.

// main.js

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

worker.addEventListener('message', function(e) {
  const result = e.data;
  console.log('Fibonacci result:', result);
  // Update the UI with the result
  document.getElementById('result').textContent = result;
});

worker.addEventListener('error', function(e) {
  console.error('Worker error:', e.message);
});

document.getElementById('calculate').addEventListener('click', function() {
  const n = document.getElementById('number').value;
  worker.postMessage(parseInt(n));
});

Paaiškinimas:

• const worker = new Worker('worker.js'); sukuria naują „Web Worker“ objektą, nurodydamas kelią į „worker“ scenarijų.
• worker.addEventListener('message', function(e) { ... }) nustato įvykių klausytoją, kuris apdoroja pranešimus, gautus iš „Web Worker“. e.data savybėje yra duomenys, atsiųsti iš „worker“.
• worker.addEventListener('error', function(e) { ... }) nustato įvykių klausytoją, kuris apdoroja bet kokias klaidas, įvykusias „Web Worker“.
• worker.postMessage(parseInt(n)) siunčia pranešimą į „Web Worker“, perduodamas n reikšmę kaip duomenis.

3. HTML struktūra:

HTML faile turėtų būti elementai vartotojo įvestims ir rezultatui rodyti.

  


  Enter a number:
  
  Calculate Fibonacci
  
Result: 

  

Šis paprastas pavyzdys parodo, kaip sukurti „Web Worker“, siųsti jam duomenis ir gauti rezultatus. Fibonačio skaičiavimas yra skaičiavimams imli užduotis, kuri gali blokuoti pagrindinę giją, jei atliekama tiesiogiai. Perduodant ją į „Web Worker“, vartotojo sąsaja išlieka reaguojanti.

Apribojimų supratimas

Nors „Web Workers“ suteikia didelių pranašumų, svarbu žinoti jų apribojimus:

• Nėra prieigos prie DOM: „Web Workers“ negali tiesiogiai pasiekti DOM. Tai yra esminis apribojimas, užtikrinantis atsakomybių atskyrimą tarp „worker“ gijos ir pagrindinės gijos. Visi vartotojo sąsajos atnaujinimai turi būti atliekami pagrindinėje gijoje, remiantis duomenimis, gautais iš „Web Worker“.
• Ribota prieiga prie API: „Web Workers“ turi ribotą prieigą prie tam tikrų naršyklės API. Pavyzdžiui, jie negali tiesiogiai pasiekti window ar document objektų. Jie turi prieigą prie tokių API kaip XMLHttpRequest, setTimeout ir setInterval.
• Pranešimų perdavimo pridėtinės išlaidos: Komunikacija tarp pagrindinės gijos ir „Web Workers“ vyksta perduodant pranešimus. Duomenų serializavimas ir deserializavimas pranešimų perdavimui gali sukelti tam tikrų pridėtinių išlaidų, ypač didelėms duomenų struktūroms. Atidžiai apsvarstykite perduodamų duomenų kiekį ir prireikus optimizuokite duomenų struktūras.
• Derinimo iššūkiai: Derinti „Web Workers“ gali būti sudėtingiau nei derinti įprastą JavaScript kodą. Paprastai reikia naudoti naršyklės kūrėjo įrankius, kad būtų galima patikrinti „worker“ vykdymo aplinką ir pranešimus.
• Naršyklių suderinamumas: Nors „Web Workers“ yra plačiai palaikomi šiuolaikinėse naršyklėse, senesnės naršyklės gali jų visiškai nepalaikyti. Būtina numatyti atsarginius mechanizmus arba „polyfills“ senesnėms naršyklėms, kad jūsų programa veiktų teisingai.

Geriausios praktikos kuriant su „Web Workers“

Norėdami maksimaliai išnaudoti „Web Workers“ privalumus ir išvengti galimų spąstų, apsvarstykite šias geriausias praktikas:

• Sumažinkite duomenų perdavimą: Sumažinkite perduodamų duomenų kiekį tarp pagrindinės gijos ir „Web Worker“. Perduokite tik tuos duomenis, kurie yra griežtai būtini. Apsvarstykite galimybę naudoti tokias technikas kaip bendra atmintis (pvz., SharedArrayBuffer, tačiau atsižvelkite į saugumo pasekmes ir „Spectre“/„Meltdown“ pažeidžiamumus), kad bendrintumėte duomenis be kopijavimo.
• Optimizuokite duomenų serializavimą: Naudokite efektyvius duomenų serializavimo formatus, tokius kaip JSON ar „Protocol Buffers“, kad sumažintumėte pranešimų perdavimo pridėtines išlaidas.
• Naudokite perkeliamus objektus: Tam tikrų tipų duomenims, pvz., ArrayBuffer, MessagePort ir ImageBitmap, galite naudoti perkeliamus objektus. Perkeliami objektai leidžia perduoti pagrindinio atminties buferio nuosavybę „Web Worker“, išvengiant kopijavimo. Tai gali žymiai pagerinti našumą dirbant su didelėmis duomenų struktūromis.
• Elegantiškai tvarkykite klaidas: Įgyvendinkite patikimą klaidų tvarkymą tiek pagrindinėje gijoje, tiek „Web Worker“, kad sugautumėte ir apdorotumėte bet kokias galimas išimtis. Naudokite error įvykių klausytoją, kad pagautumėte klaidas „Web Worker“.
• Naudokite modulius kodo organizavimui: Organizuokite savo „Web Worker“ kodą į modulius, kad pagerintumėte palaikomumą ir pakartotinį naudojimą. Galite naudoti ES modulius su „Web Workers“, nurodydami {type: "module"} Worker konstruktoriuje (pvz., new Worker('worker.js', {type: "module"});).
• Stebėkite našumą: Naudokite naršyklės kūrėjo įrankius, kad stebėtumėte savo „Web Workers“ našumą. Atkreipkite dėmesį į procesoriaus naudojimą, atminties suvartojimą ir pranešimų perdavimo pridėtines išlaidas.
• Apsvarstykite gijų telkinius: Sudėtingoms programoms, kurioms reikia kelių „Web Workers“, apsvarstykite galimybę naudoti gijų telkinį, kad efektyviai valdytumėte „workers“. Gijų telkinys gali padėti pakartotinai naudoti esamus „workers“ ir išvengti naujų kūrimo pridėtinių išlaidų kiekvienai užduočiai.

Pažangios „Web Worker“ technikos

Be pagrindų, yra keletas pažangių technikų, kurias galite naudoti, norėdami dar labiau pagerinti savo „Web Worker“ programų našumą ir galimybes:

1. SharedArrayBuffer:

SharedArrayBuffer leidžia jums sukurti bendros atminties sritis, kurias gali pasiekti tiek pagrindinė gija, tiek „Web Workers“. Tai pašalina poreikį perduoti pranešimus tam tikrų tipų duomenims, žymiai pagerinant našumą. Tačiau atsižvelkite į saugumo aspektus, ypač susijusius su „Spectre“ ir „Meltdown“ pažeidžiamumais. Naudojant SharedArrayBuffer paprastai reikia nustatyti atitinkamas HTTP antraštes (pvz., Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin ir Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp).

2. Atomics:

Atomics suteikia atomines operacijas darbui su SharedArrayBuffer. Šios operacijos užtikrina, kad duomenys būtų pasiekiami ir modifikuojami saugiai gijoms, užkertant kelią lenktynių sąlygoms ir duomenų sugadinimui. Atomics yra būtini kuriant lygiagrečias programas, kurios naudoja bendrą atmintį.

3. WebAssembly (Wasm):

WebAssembly yra žemo lygio dvejetainis instrukcijų formatas, leidžiantis naršyklėje vykdyti kodą, parašytą tokiomis kalbomis kaip C, C++ ir Rust, beveik natūraliu greičiu. Galite naudoti WebAssembly „Web Workers“, kad atliktumėte skaičiavimams imlias užduotis žymiai geresniu našumu nei JavaScript. WebAssembly kodas gali būti įkeltas ir vykdomas „Web Worker“, leidžiant jums išnaudoti WebAssembly galią, neblokuojant pagrindinės gijos.

4. Comlink:

Comlink yra biblioteka, kuri supaprastina komunikaciją tarp pagrindinės gijos ir „Web Workers“. Ji leidžia eksportuoti funkcijas ir objektus iš „Web Worker“ į pagrindinę giją taip, lyg jie būtų vietiniai objektai. Comlink automatiškai tvarko duomenų serializavimą ir deserializavimą, todėl lengviau kurti sudėtingas „Web Worker“ programas. Comlink gali žymiai sumažinti šabloninio kodo, reikalingo pranešimų perdavimui, kiekį.

Saugumo aspektai

Dirbant su „Web Workers“, labai svarbu atsižvelgti į saugumo aspektus:

• Skirtingos kilmės apribojimai: „Web Workers“ taikomi tie patys skirtingos kilmės apribojimai kaip ir kitiems žiniatinklio ištekliams. Galite įkelti „Web Worker“ scenarijus tik iš tos pačios kilmės (protokolo, domeno ir prievado) kaip ir pagrindinis puslapis, arba iš kilmių, kurios aiškiai leidžia skirtingos kilmės prieigą per CORS („Cross-Origin Resource Sharing“) antraštes.
• Turinio saugumo politika (CSP): Turinio saugumo politika (CSP) gali būti naudojama apriboti šaltinius, iš kurių galima įkelti „Web Worker“ scenarijus. Įsitikinkite, kad jūsų CSP politika leidžia įkelti „Web Worker“ scenarijus iš patikimų šaltinių.
• Duomenų saugumas: Būkite atidūs dėl duomenų, kuriuos perduodate „Web Workers“, ypač jei juose yra jautrios informacijos. Venkite perduoti jautrius duomenis tiesiogiai pranešimuose. Apsvarstykite galimybę užšifruoti duomenis prieš siunčiant juos į „Web Worker“, ypač jei „Web Worker“ yra įkeliamas iš kitos kilmės.
• „Spectre“ ir „Meltdown“ pažeidžiamumai: Kaip minėta anksčiau, naudojant SharedArrayBuffer jūsų programa gali tapti pažeidžiama „Spectre“ ir „Meltdown“ atakoms. Mažinimo strategijos paprastai apima atitinkamų HTTP antraščių nustatymą (pvz., Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin ir Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp) ir atidų kodo peržiūrėjimą dėl galimų pažeidžiamumų.

„Web Workers“ ir šiuolaikiniai karkasai

Daugelis šiuolaikinių JavaScript karkasų, tokių kaip React, Angular ir Vue.js, suteikia abstrakcijas ir įrankius, kurie supaprastina „Web Workers“ naudojimą.

React:

React aplinkoje galite naudoti „Web Workers“, kad atliktumėte skaičiavimams imlias užduotis komponentuose. Bibliotekos, tokios kaip react-hooks-worker, gali supaprastinti „Web Workers“ kūrimo ir valdymo procesą React funkciniuose komponentuose. Taip pat galite naudoti pasirinktinius „hooks“ (kabliukus), kad apgaubtumėte logiką, skirtą „Web Workers“ kūrimui ir komunikavimui su jais.

Angular:

Angular suteikia tvirtą modulių sistemą, kurią galima naudoti „Web Worker“ kodo organizavimui. Galite sukurti Angular servisus, kurie apgaubia logiką, skirtą „Web Workers“ kūrimui ir komunikavimui su jais. Angular CLI taip pat suteikia įrankius „Web Worker“ scenarijų generavimui ir jų integravimui į jūsų programą.

Vue.js:

Vue.js aplinkoje galite naudoti „Web Workers“ komponentuose, kad atliktumėte fonines užduotis. Vuex, Vue būsenos valdymo biblioteka, gali būti naudojama „Web Workers“ būsenai valdyti ir sinchronizuoti duomenis tarp pagrindinės gijos ir „Web Workers“. Taip pat galite naudoti pasirinktines direktyvas, kad apgaubtumėte logiką, skirtą „Web Workers“ kūrimui ir valdymui.

Išvada

„Web Workers“ yra galingas įrankis, skirtas pagerinti žiniatinklio programų našumą ir reaktyvumą. Perduodami skaičiavimams imlias užduotis į fonines gijas, galite išvengti pagrindinės gijos blokavimo ir užtikrinti sklandžią bei interaktyvią vartotojo patirtį. Nors „Web Workers“ turi tam tikrų apribojimų, pavyzdžiui, negalėjimas tiesiogiai pasiekti DOM, šiuos apribojimus galima įveikti kruopščiai planuojant ir įgyvendinant. Laikydamiesi šiame vadove aprašytų geriausių praktikų, galite efektyviai išnaudoti „Web Workers“, kad sukurtumėte efektyvesnes ir greičiau reaguojančias žiniatinklio programas, atitinkančias šiuolaikinių vartotojų poreikius.

Nesvarbu, ar kuriate sudėtingą duomenų vizualizacijos programą, didelio našumo žaidimą, ar greitai reaguojančią el. prekybos svetainę, „Web Workers“ gali padėti jums suteikti geresnę vartotojo patirtį. Pasinaudokite lygiagretaus apdorojimo galia ir atskleiskite visą savo žiniatinklio programų potencialą su „Web Workers“.