WebAssembly Daugiagijumas: Prieigos prie paralelinio apdorojimo su bendra atmintimi atvėrimas pasaulinei auditorijai

Skaitmeninis kraštovaizdis nuolat kinta, reikalaujant vis didesnio našumo ir efektyvumo iš žiniatinklio programų. Tradiciškai žiniatinklio naršyklės buvo apribotos vieno srauto vykdymo modelio, trukdančio išnaudoti visą šiuolaikinių daugiabranduolių procesorių potencialą. Tačiau WebAssembly (Wasm) daugiagijumo atsiradimas, ypač su jo parama bendrai atminčiai, yra pasirengęs iš esmės pakeisti mūsų požiūrį į paralelinį apdorojimą žiniatinklyje. Šis pažanga atveria galimybių pasaulį intensyvioms skaičiavimo užduotims, nuo sudėtingų mokslinių modeliavimų ir vaizdo įrašų redagavimo iki sudėtingų žaidimų variklių ir realaus laiko duomenų analizės, visa tai pasiekiama visame pasaulyje.

WebAssembly evoliucija ir paralelizmo poreikis

WebAssembly, dvejetainis instrukcijų formatas, skirtas dėklo pagrindu veikiančiai virtualiai mašinai, iš pradžių buvo sukurtas kaip saugus, nešiojamas ir efektyvus kompiliavimo tikslas tokioms kalboms kaip C, C++ ir Rust. Pagrindinis jo tikslas buvo užtikrinti beveik vietinį našumą kodui, veikiančiam žiniatinklio naršyklėse, įveikiant JavaScript apribojimus, susijusius su našumo kritinėmis operacijomis. Nors pats Wasm pasiūlė didelį našumo padidėjimą, tikro daugiagijumo nebuvimas reiškė, kad net ir didelių skaičiavimo reikalaujančios užduotys buvo apribotos vienintele pagrindine naršyklės gija, dažnai sukeldamos UI nereagavimą ir našumo kliūtis.

Paralelinio apdorojimo poreikis žiniatinklyje kyla iš kelių pagrindinių sričių:

• Moksliniai skaičiavimai ir duomenų analizė: Tyrėjai ir analitikai visame pasaulyje vis labiau pasikliauja žiniatinklio įrankiais, skirtais sudėtingiems skaičiavimams, didelių duomenų rinkinių apdorojimui ir mašinų mokymuisi. Paralelizmas yra labai svarbus siekiant pagreitinti šias operacijas.
• Žaidimai ir interaktyvi patirtis: Didelio tikslumo žaidimams ir įtraukioms virtualiosios/papildytosios realybės programoms reikia didelės apdorojimo galios, kad būtų galima atvaizduoti grafiką, apdoroti fiziką ir valdyti žaidimo logiką. Daugiagijumas gali efektyviai paskirstyti šias užduotis.
• Multimedijos apdorojimas: Vaizdo įrašų kodavimas/dekodavimas, vaizdų manipuliavimas ir garso apdorojimas yra iš esmės lygiagrečios užduotys, kurios gali labai pasinaudoti keliomis gijomis.
• Sudėtingi modeliavimai: Nuo orų modeliavimo iki finansinių prognozių, daugelį sudėtingų sistemų galima modeliuoti efektyviau ir greičiau naudojant lygiagretų skaičiavimą.
• Įmonės programos: Verslo žvalgybos įrankiai, CRM sistemos ir kitos daug duomenų reikalaujančios programos gali žymiai pagerinti našumą naudojant lygiagretų apdorojimą.

Pripažindama šiuos poreikius, WebAssembly bendruomenė aktyviai dirbo siekdama įdiegti patikimą daugiagijumo palaikymą.

WebAssembly Daugiagijumas: Bendros atminties modelis

WebAssembly daugiagijumo esmė sukasi aplink bendros atminties koncepciją. Skirtingai nuo modelių, kai kiekviena gija veikia savo izoliuotoje atminties erdvėje (reikalaujant aiškaus pranešimų perdavimo keistis duomenimis), bendra atmintis leidžia kelioms gijoms vienu metu pasiekti ir modifikuoti tą pačią atminties sritį. Šis metodas dažnai yra našesnis užduotims, kai duomenys yra dažnai bendrinami ir derinami tarp gijų.

Pagrindiniai WebAssembly daugiagijumo komponentai:

• WebAssembly gijos: Naujo instrukcijų rinkinio, skirto kurti ir valdyti gijas, įvedimas. Tai apima instrukcijas, skirtas kurti naujas gijas, jas sinchronizuoti ir valdyti jų gyvavimo ciklą.
• SharedArrayBuffer: JavaScript objektas, kuris vaizduoja bendrą, fiksuoto ilgio žalių dvejetainių duomenų buferį. Svarbiausia, kad SharedArrayBuffer egzemplioriais galima dalytis tarp kelių darbuotojų (taigi ir Wasm gijų). Tai yra pagrindinis elementas, leidžiantis bendrai naudoti atmintį tarp gijų.
• Atomika: JavaScript operacijų rinkinys, kuris garantuoja atominį vykdymą. Tai reiškia, kad šios operacijos yra nedalomos ir negali būti nutrauktos. Atomika yra būtina saugiam bendros atminties pasiekimui ir modifikavimui, užkertant kelią lenktynių sąlygoms ir duomenų sugadinimui. Tokios operacijos kaip Atomics.load, Atomics.store, Atomics.add ir Atomics.wait/Atomics.notify yra gyvybiškai svarbios gijų sinchronizavimui ir koordinavimui.
• Atminties valdymas: WebAssembly egzemplioriai turi savo linijinę atmintį, kuri yra vientisas baitų masyvas. Kai įjungtas daugiagijumas, šiais atminties egzemplioriais galima dalytis, leidžiant gijoms pasiekti tuos pačius duomenis.

Kaip tai veikia: Konceptuali apžvalga

Tipinėje daugiagijėje WebAssembly programoje:

1. Pagrindinės gijos inicijavimas: Pagrindinė JavaScript gija inicijuoja WebAssembly modulį ir sukuria SharedArrayBuffer, kuris tarnauja kaip bendra atminties erdvė.
2. Darbuotojų kūrimas: Sukuriami JavaScript žiniatinklio darbuotojai. Kiekvienas darbuotojas gali sukurti WebAssembly modulį.
3. Dalijimasis atmintimi: Anksčiau sukurtas SharedArrayBuffer perkeliamas kiekvienam darbuotojui. Tai leidžia visiems Wasm egzemplioriams, esantiems šiuose darbuotojuose, pasiekti tą pačią pagrindinę atmintį.
4. Gijų kūrimas (Wasm viduje): Pats WebAssembly kodas, sudarytas iš tokių kalbų kaip C++, Rust arba Go, naudoja savo gijų API (kurie atitinka Wasm gijų instrukcijas), kad sukurtų naujas gijas. Šios gijos veikia atitinkamų darbuotojų kontekste ir dalijasi pateikta atmintimi.
5. Sinchronizavimas: Gijos bendrauja ir koordinuoja savo darbą naudodamos atomines operacijas bendroje atmintyje. Tai gali apimti atominių vėliavų naudojimą, siekiant signalizuoti apie užbaigimą, užraktų, skirtų apsaugoti kritines sekcijas, arba barjerų, siekiant užtikrinti, kad visos gijos pasiektų tam tikrą tašką prieš tęsdamos.

Apsvarstykite scenarijų, kai reikia lygiagrečiai apdoroti didelę vaizdo apdorojimo užduotį. Pagrindinė gija gali padalinti vaizdą į kelis gabalus. Kiekvienam darbuotojo gijai, veikiančiai Wasm modulį, būtų priskirtas gabalas. Tada šios gijos galėtų nuskaityti vaizdo duomenis iš bendro SharedArrayBuffer, atlikti apdorojimą (pvz., pritaikyti filtrą) ir įrašyti rezultatus atgal į kitą bendrą buferį. Atominės operacijos užtikrintų, kad skirtingos gijos neperrašytų viena kitos rezultatų rašydamos atgal.

WebAssembly daugiagijumo su bendra atmintimi privalumai

WebAssembly daugiagijumo su bendra atmintimi įdiegimas suteikia didelių privalumų:

• Patobulintas našumas: Akivaizdžiausias privalumas yra galimybė išnaudoti kelis CPU branduolius, drastiškai sumažinant skaičiavimo intensyvių užduočių vykdymo laiką. Tai labai svarbu pasaulinei vartotojų bazei, kuri pasiekia išteklius iš įvairių aparatinės įrangos galimybių.
• Pagerintas reagavimas: Perkeliant sunkius skaičiavimus į fono gijas, pagrindinė UI gija lieka laisva, užtikrinant sklandų ir reaguojantį vartotojo patirtį, nepriklausomai nuo operacijų sudėtingumo.
• Platesnė taikymo sritis: Ši technologija leidžia sudėtingas programas, kurias anksčiau buvo nepraktiška arba neįmanoma efektyviai paleisti žiniatinklio naršyklėje, pvz., sudėtingus modeliavimus, AI modelių išvadų teikimą ir profesionalaus lygio kūrybinius įrankius.
• Efektyvus dalijimasis duomenimis: Palyginti su pranešimų perdavimo modeliais, bendra atmintis gali būti efektyvesnė darbo krūviams, kurie apima dažną, smulkų duomenų dalijimąsi ir sinchronizavimą tarp gijų.
• Esamų kodų bazių panaudojimas: Kūrėjai gali sudaryti esamas C/C++/Rust/Go kodų bazes, kurios naudoja daugiagijų bibliotekas (pvz., pthreads arba Go goroutines) į WebAssembly, leisdami jiems vykdyti našų lygiagretų kodą žiniatinklyje.

Iššūkiai ir svarstymai

Nepaisant didžiulio potencialo, WebAssembly daugiagijumas su bendra atmintimi nėra be iššūkių:

• Naršyklės palaikymas ir prieinamumas: Nors palaikymas auga, svarbu žinoti apie naršyklės suderinamumą. Tokios funkcijos kaip SharedArrayBuffer turėjo sudėtingą istoriją dėl saugumo problemų (pvz., Spectre ir Meltdown pažeidžiamumų), dėl kurių kai kuriose naršyklėse buvo laikinų apribojimų. Kūrėjai turi nuolat atnaujinti informaciją apie naujausius naršyklių įgyvendinimus ir apsvarstyti atsargines strategijas.
• Sinchronizavimo sudėtingumas: Bendros atminties valdymas įveda būdingą lygiagretumo valdymo sudėtingumą. Kūrėjai turi būti kruopštūs naudodami atomines operacijas, kad išvengtų lenktynių sąlygų, aklaviečių ir kitų lygiagretumo klaidų. Tam reikia gerai suprasti daugiagijumo principus.
• Derinimas: Daugiagijų programų derinimas gali būti žymiai sudėtingesnis nei vienagijų programų derinimas. Įrankiai ir metodai, skirti derinti lygiagretų Wasm kodą, vis dar bręsta.
• Kryžminio šaltinio izoliavimas: Kad SharedArrayBuffer būtų įjungtas, žiniatinklio puslapis dažnai turi būti pateiktas su konkrečiomis kryžminio šaltinio izoliavimo antraštėmis (Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin ir Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp). Tai yra labai svarbus diegimo aspektas, ypač programoms, talpinamoms turinio pristatymo tinkluose (CDN) arba su sudėtingais įterpimo scenarijais.
• Našumo derinimas: Optimalaus našumo pasiekimas reikalauja atidaus apsvarstymo, kaip padalijamas darbas, kaip valdomos gijos ir kaip pasiekiami duomenys. Neefektyvus sinchronizavimas arba duomenų konkurencija gali panaikinti paralelizmo privalumus.

Praktiniai pavyzdžiai ir naudojimo atvejai

Pažvelkime, kaip WebAssembly daugiagijumas su bendra atmintimi gali būti taikomas realiame gyvenime įvairiuose regionuose ir pramonės šakose:

1. Moksliniai modeliavimai ir didelio našumo skaičiavimai (HPC)

Scenarijus: Europos universitetas kuria žiniatinklio portalą klimato modeliavimui. Tyrėjai įkelia didelius duomenų rinkinius ir vykdo sudėtingus modeliavimus. Tradiciškai tam reikėjo specializuotų serverių. Naudojant WebAssembly daugiagijumą, portalas dabar gali išnaudoti vartotojo vietinės mašinos apdorojimo galią, paskirstant modeliavimą kelioms Wasm gijoms.

Įgyvendinimas: C++ klimato modeliavimo biblioteka yra sudaryta į WebAssembly. JavaScript sąsaja sukuria kelis žiniatinklio darbuotojus, kurių kiekvienas sukuria Wasm modulį. SharedArrayBuffer saugo modeliavimo tinklelį. Gijos Wasm viduje bendrai atnaujina tinklelio reikšmes, naudodamos atomines operacijas, kad sinchronizuotų skaičiavimus kiekviename laiko žingsnyje. Tai žymiai pagreitina modeliavimo laiką tiesiogiai naršyklėje.

2. 3D atvaizdavimas ir žaidimų kūrimas

Scenarijus: Šiaurės Amerikos žaidimų studija kuria naršyklėje veikiantį 3D žaidimą. Sudėtingų scenų atvaizdavimas, fizikos valdymas ir AI logikos valdymas yra intensyvūs skaičiavimai. WebAssembly daugiagijumas leidžia paskirstyti šias užduotis kelioms gijoms, pagerinant kadrų dažnį ir vizualinį tikslumą.

Įgyvendinimas: Rust parašytas žaidimų variklis, naudojantis jo lygiagretumo funkcijas, yra sudarytas į Wasm. SharedArrayBuffer gali būti naudojamas vertex duomenims, tekstūroms arba scenos grafo informacijai saugoti. Darbuotojų gijos lygiagrečiai įkelia skirtingas scenos dalis arba atlieka fizikos skaičiavimus. Atominės operacijos užtikrina, kad atvaizdavimo duomenys būtų saugiai atnaujinti.

3. Vaizdo įrašų ir garso apdorojimas

Scenarijus: Azijoje įsikūrusi internetinė vaizdo įrašų redagavimo platforma leidžia vartotojams redaguoti ir atvaizduoti vaizdo įrašus tiesiogiai naršyklėje. Tokios užduotys kaip filtrų taikymas, transkodavimas arba eksportavimas užtrunka. Daugiagijumas gali žymiai sumažinti laiką, per kurį vartotojai užbaigia savo projektus.

Įgyvendinimas: C biblioteka, skirta vaizdo manipuliavimui, yra sudaryta į Wasm. JavaScript programa sukuria darbuotojus, kurių kiekvienas apdoroja vaizdo įrašo segmentą. SharedArrayBuffer saugo neapdorotus vaizdo įrašo kadrus. Wasm gijos nuskaito kadro segmentus, pritaiko efektus ir įrašo apdorotus kadrus atgal į kitą bendrą buferį. Sinchronizavimo primityvai, tokie kaip atominiai skaitikliai, gali stebėti kadrų apdorojimo eigą visose gijose.

4. Duomenų vizualizacija ir analizė

Scenarijus: Pietų Amerikos finansų analizės įmonė teikia žiniatinklio programą didelių rinkos duomenų rinkinių vizualizavimui. Interaktyvus milijonų duomenų taškų filtravimas, agregavimas ir diagramų sudarymas gali būti lėtas vienoje gijoje.

Įgyvendinimas: Go parašyta duomenų apdorojimo biblioteka, kuri naudoja goroutines lygiagretumui, yra sudaryta į Wasm. SharedArrayBuffer saugo neapdorotus rinkos duomenis. Kai vartotojas pritaiko filtrą, kelios Wasm gijos lygiagrečiai nuskaito bendrus duomenis, atlieka agregavimą ir užpildo duomenų struktūras diagramų sudarymui. Atominės operacijos užtikrina saugų gijų atnaujinimą į agreguotus rezultatus.

Pradžia: Įgyvendinimo žingsniai ir geriausia praktika

Norėdami išnaudoti WebAssembly daugiagijumą su bendra atmintimi, atlikite šiuos veiksmus ir laikykitės geriausios praktikos:

1. Pasirinkite savo kalbą ir kompiliatorių

Pasirinkite kalbą, kuri palaiko daugiagijumą ir turi gerus WebAssembly kompiliavimo tikslus, tokius kaip:

• C/C++: Naudokite tokius įrankius kaip Emscripten, kurie gali sudaryti kodą naudojant pthreads į Wasm gijas.
• Rust: Rust stiprūs lygiagretumo primityvai ir puikus Wasm palaikymas daro jį pagrindiniu kandidatu. Galima naudoti tokias bibliotekas kaip rayon arba standartinės bibliotekos gijos.
• Go: Go įmontuotas lygiagretumo modelis (goroutines) gali būti sudarytas į Wasm gijas.

2. Konfigūruokite savo žiniatinklio serverį kryžminio šaltinio izoliavimui

Kaip minėta, SharedArrayBuffer reikalauja konkrečių HTTP antraščių saugumui. Įsitikinkite, kad jūsų žiniatinklio serveris yra sukonfigūruotas siųsti:

• Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin
• Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp

Šios antraštės sukuria izoliuotą aplinką jūsų žiniatinklio puslapiui, įgalinant SharedArrayBuffer naudojimą. Vietiniai kūrimo serveriai dažnai turi parinktis įgalinti šias antraštes.

3. JavaScript integracija: Darbuotojai ir SharedArrayBuffer

Jūsų JavaScript kodas bus atsakingas už:

• Darbuotojų kūrimas: Sukurkite Worker objektus, nurodydami savo darbuotojo scenarijų.
• SharedArrayBuffer kūrimas: Paskirkite reikiamo dydžio SharedArrayBuffer.
• Atminties perkėlimas: Perduokite SharedArrayBuffer kiekvienam darbuotojui naudodami worker.postMessage(). Atminkite, kad SharedArrayBuffer perkeliamas pagal nuorodą, o ne kopijuojamas.
• Wasm įkėlimas: Darbuotojo viduje įkelkite savo sudarytą WebAssembly modulį.
• Atminties susiejimas: Perduokite gautą SharedArrayBuffer WebAssembly egzemplioriaus atminčiai.
• Signalizavimas ir koordinavimas: Naudokite postMessage, kad išsiųstumėte pradinius duomenis ir sinchronizavimo signalus, ir pasikliaukite Wasm atominėmis operacijomis, kad galėtumėte smulkiai valdyti bendroje atmintyje.

4. WebAssembly kodas: Daugiagijumas ir atomika

Wasm modulyje:

• Gijos kūrimas: Naudokite atitinkamas kalbai būdingas API, skirtas kurti gijas (pvz., std::thread::spawn Rust, pthreads C/C++). Tai atitiks WebAssembly gijų instrukcijas.
• Prieiga prie bendros atminties: Gaukite nuorodą į bendrą atmintį (dažnai pateikiamą inicijavimo metu arba per visuotinį rodyklę).
• Atomikos naudojimas: Naudokite atomines operacijas visoms skaitymo-keitimo-rašymo operacijoms su bendrais duomenimis. Supraskite skirtingas galimas atomines operacijas (įkėlimas, saugojimas, pridėjimas, atėmimas, palyginimas-keitimas ir kt.) ir pasirinkite tinkamiausią savo sinchronizavimo poreikiams.
• Sinchronizavimo primityvai: Įdiekite sinchronizavimo mechanizmus, tokius kaip mutex, semaforai arba sąlygų kintamieji, naudodami atomines operacijas, jei jūsų kalbos standartinė biblioteka nepakankamai abstrakčiai tai apibūdina Wasm.

5. Derinimo strategijos

Daugiagijų Wasm derinimas gali būti sudėtingas. Apsvarstykite šiuos metodus:

• Registravimas: Įdiekite patikimą registravimą Wasm kode, potencialiai rašydami į bendrą buferį, kurį pagrindinė gija gali nuskaityti ir rodyti. Prefiksuokite žurnalus su gijų ID, kad atskirtumėte išvestį.
• Naršyklės kūrėjo įrankiai: Šiuolaikiniai naršyklių kūrėjų įrankiai tobulina savo palaikymą, skirtą derinti darbuotojus ir, tam tikru mastu, daugiagijį vykdymą.
• Vienetų testavimas: Kruopščiai testuokite atskirus daugiagijų logikos komponentus atskirai prieš integruodami juos.
• Problemos atkūrimas: Pabandykite izoliuoti scenarijus, kurie nuolat sukelia lygiagretumo klaidas.

6. Našumo profiliavimas

Naudokite naršyklės našumo profiliavimo įrankius, kad nustatytumėte kliūtis. Ieškokite:

• CPU išnaudojimas: Įsitikinkite, kad visi branduoliai yra efektyviai naudojami.
• Gijų konkurencija: Didelė konkurencija dėl užraktų arba atominių operacijų gali serializuoti vykdymą ir sumažinti paralelizavimą.
• Prieigos prie atminties modeliai: Talpyklos lokalumas ir klaidingas dalijimasis gali paveikti našumą.

Paralelinių žiniatinklio programų ateitis

WebAssembly daugiagijumas su bendra atmintimi yra reikšmingas žingsnis siekiant paversti žiniatinklį tikrai pajėgia platforma didelio našumo skaičiavimams ir sudėtingoms programoms. Tobulėjant naršyklių palaikymui ir kūrėjų įrankiams, galime tikėtis sudėtingų, lygiagrečiai vykdomų žiniatinklio programų sprogimo, kurios anksčiau buvo apribotos vietinėmis aplinkomis.

Ši technologija demokratizuoja prieigą prie galingų skaičiavimo galimybių. Vartotojai visame pasaulyje, nepriklausomai nuo jų vietos ar naudojamos operacinės sistemos, gali pasinaudoti programomis, kurios veikia greičiau ir efektyviau. Įsivaizduokite studentą atokiame kaime, kuris pasiekia pažangius mokslinės vizualizacijos įrankius, arba dizainerį, kuris realiuoju laiku bendradarbiauja kuriant sudėtingą 3D modelį per savo naršyklę – tai yra galimybės, kurias atveria WebAssembly daugiagijumas.

Vystymasis WebAssembly ekosistemoje, įskaitant tokias funkcijas kaip memory64, SIMD ir šiukšlių rinkimo integravimas, dar labiau pagerins jo galimybes. Daugiagijumas, pastatytas ant tvirto bendros atminties ir atomikos pagrindo, yra šios evoliucijos kertinis akmuo, nutiesiantis kelią galingesniam, našesniam ir prieinamesniam žiniatinkliui visiems.

Išvada

WebAssembly daugiagijumas su bendra atmintimi yra paradigmos pokytis žiniatinklio kūrime. Tai suteikia kūrėjams galimybę išnaudoti šiuolaikinių daugiabranduolių procesorių galią, užtikrinant precedento neturintį našumą ir įgalinant visiškai naujas žiniatinklio programų kategorijas. Nors egzistuoja iššūkiai, susiję su naršyklių suderinamumu ir lygiagretumo valdymu, patobulinto našumo, pagerinto reagavimo ir platesnės taikymo srities privalumai yra nenuginčijami. Suprasdami pagrindinius komponentus – gijas, SharedArrayBuffer ir atomiką – ir laikydamiesi geriausios įgyvendinimo ir derinimo praktikos, kūrėjai gali atskleisti visą paralelinio apdorojimo žiniatinklyje potencialą, kurdami greitesnes, pajėgesnes ir pasauliniu mastu prieinamas ateities programas.