WebAssembly gijos: išsamus įvadas į daugiagijį procesą su bendra atmintimi

WebAssembly (Wasm) sukėlė revoliuciją žiniatinklio kūrime, suteikdamas didelio našumo, beveik natūralią vykdymo aplinką kodui, veikiančiam naršyklėje. Vienas iš svarbiausių WebAssembly galimybių pasiekimų yra gijų ir bendros atminties įdiegimas. Tai atveria visiškai naują galimybių pasaulį kuriant sudėtingas, skaičiavimo požiūriu intensyvias žiniatinklio programas, kurias anksčiau ribojo vienagijis JavaScript pobūdis.

Daugiagijinio proceso poreikio WebAssembly supratimas

Tradiciškai JavaScript buvo dominuojanti kalba kliento pusės žiniatinklio kūrime. Tačiau vienagijis JavaScript vykdymo modelis gali tapti kliūtimi, kai susiduriama su sudėtingomis užduotimis, pvz.:

• Vaizdo ir vaizdo įrašų apdorojimas: Medijos failų kodavimas, dekodavimas ir manipuliavimas.
• Sudėtingi skaičiavimai: Moksliniai modeliavimai, finansų modeliavimas ir duomenų analizė.
• Žaidimų kūrimas: Grafikos atvaizdavimas, fizikos valdymas ir žaidimo logikos valdymas.
• Didelių duomenų apdorojimas: Didelių duomenų rinkinių filtravimas, rūšiavimas ir analizė.

Šios užduotys gali sukelti vartotojo sąsajos nereagavimą, o tai lemia prastą vartotojo patirtį. Web Workers pasiūlė dalinį sprendimą, leidžiantį atlikti fonines užduotis, tačiau jie veikia atskirose atminties erdvėse, todėl dalijimasis duomenimis tampa sudėtingas ir neefektyvus. Būtent čia pasirodo WebAssembly gijos ir bendra atmintis.

Kas yra WebAssembly gijos?

WebAssembly gijos leidžia viename WebAssembly modulyje vienu metu vykdyti kelis kodo fragmentus. Tai reiškia, kad galite padalyti didelę užduotį į mažesnes subužduotis ir paskirstyti jas keliose gijose, veiksmingai panaudodami turimus CPU branduolius vartotojo mašinoje. Šis lygiagretus vykdymas gali žymiai sumažinti skaičiavimo požiūriu intensyvių operacijų vykdymo laiką.

Pagalvokite apie tai kaip apie restorano virtuvę. Turint tik vieną virėją (vienagijis JavaScript), sudėtingo patiekalo paruošimas užima daug laiko. Turint kelis virėjus (WebAssembly gijos), kiekvienas iš jų atsakingas už konkrečią užduotį (daržovių pjaustymą, padažo virimą, mėsos kepimą ant grotelių), patiekalą galima paruošti daug greičiau.

Bendra atmintis vaidmuo

Bendra atmintis yra svarbus WebAssembly gijų komponentas. Tai leidžia kelioms gijoms pasiekti ir modifikuoti tą patį atminties regioną. Tai panaikina brangų duomenų kopijavimą tarp gijų, todėl bendravimas ir duomenų dalijimasis tampa daug efektyvesnis. Bendra atmintis paprastai įgyvendinama naudojant `SharedArrayBuffer` JavaScript, kuris gali būti perduotas WebAssembly moduliui.

Įsivaizduokite lentą restorano virtuvėje (bendra atmintis). Visi virėjai gali matyti užsakymus ir užsirašyti pastabas, receptus ir instrukcijas lentoje. Ši bendra informacija leidžia jiems efektyviai koordinuoti savo darbą, neturint nuolat kalbėtis žodžiu.

Kaip WebAssembly gijos ir bendra atmintis veikia kartu

WebAssembly gijų ir bendros atminties derinys leidžia sukurti galingą konkurentiškumo modelį. Štai kaip jie veikia kartu:

1. Gijų atsiradimas: Pagrindinė gija (paprastai JavaScript gija) gali sukurti naujas WebAssembly gijas.
2. Bendros atminties skyrimas: `SharedArrayBuffer` sukuriamas JavaScript ir perduodamas WebAssembly moduliui.
3. Gijų prieiga: Kiekviena gija WebAssembly modulyje gali pasiekti ir modifikuoti duomenis bendroje atmintyje.
4. Sinchronizacija: Norint išvengti lenktynių sąlygų ir užtikrinti duomenų nuoseklumą, naudojami sinchronizacijos primitai, pvz., atomai, mutexai ir sąlygų kintamieji.
5. Ryšys: Gijos gali bendrauti viena su kita per bendrą atmintį, signalizuodamos įvykius arba perduodamos duomenis.

Įgyvendinimo detalės ir technologijos

Norėdami panaudoti WebAssembly gijas ir bendrą atmintį, paprastai turėsite naudoti technologijų derinį:

• Programavimo kalbos: Kalbos, tokios kaip C, C++, Rust ir AssemblyScript, gali būti kompiliuojamos į WebAssembly. Šios kalbos siūlo patikimą gijų ir atminties valdymo palaikymą. „Rust“ ypač turi puikių saugos funkcijų, padedančių išvengti duomenų lenktynių.
• Emscripten/WASI-SDK: „Emscripten“ yra įrankių grandinė, leidžianti kompiliuoti C ir C++ kodą į WebAssembly. WASI-SDK yra dar viena įrankių grandinė su panašiomis galimybėmis, orientuota į standartizuotos sistemos sąsajos, skirtos WebAssembly, teikimą, pagerinant jos perkeliamumą.
• WebAssembly API: „WebAssembly JavaScript API“ teikia būtinas funkcijas WebAssembly egzemplioriams kurti, pasiekti atmintį ir valdyti gijas.
• JavaScript Atomics: JavaScript `Atomics` objektas suteikia atomines operacijas, kurios užtikrina gijai saugų priėjimą prie bendros atminties. Šios operacijos yra būtinos sinchronizacijai.
• Naršyklės palaikymas: Šiuolaikinės naršyklės (Chrome, Firefox, Safari, Edge) gerai palaiko WebAssembly gijas ir bendrą atmintį. Tačiau būtina patikrinti naršyklės suderinamumą ir pateikti atsarginius variantus senesnėms naršyklėms. Paprastai norint įjungti „SharedArrayBuffer“ naudojimą saugumo sumetimais, reikia „Cross-Origin Isolation“ antraščių.

Pavyzdys: lygiagretus vaizdo apdorojimas

Panagrinėkime praktinį pavyzdį: lygiagretus vaizdo apdorojimas. Tarkime, kad norite pritaikyti filtrą dideliam vaizdui. Užuot apdoroję visą vaizdą vienoje gijoje, galite jį padalyti į mažesnius gabalus ir apdoroti kiekvieną gabalą atskiroje gijoje.

1. Padalinkite vaizdą: Padalinkite vaizdą į kelis stačiakampius regionus.
2. Priskirkite bendrą atmintį: Sukurkite `SharedArrayBuffer`, kad saugotumėte vaizdo duomenis.
3. Sukurkite gijas: Sukurkite WebAssembly egzempliorių ir sukurkite kelias darbuotojų gijas.
4. Priskirkite užduotis: Priskirkite kiekvienai gijai konkretų vaizdo regioną apdoroti.
5. Pritaikykite filtrą: Kiekviena gija taiko filtrą jai priskirtam vaizdo regionui.
6. Apjunkite rezultatus: Kai visos gijos baigs apdorojimą, apjunkite apdorotus regionus, kad sukurtumėte galutinį vaizdą.

Šis lygiagretus apdorojimas gali žymiai sumažinti laiko, kurio reikia filtrui pritaikyti, ypač dideliems vaizdams. Kalbos, pvz., „Rust“, turinčios tokias bibliotekas kaip `image` ir atitinkamus konkurentiškumo primityvus, puikiai tinka šiai užduočiai.

Pavyzdinis kodo fragmentas (koncepcinis – Rust):

Šis pavyzdys yra supaprastintas ir rodo bendrą idėją. Faktinis įgyvendinimas reikalautų išsamesnio klaidų tvarkymo ir atminties valdymo.

// Rust kalboje:
use std::sync::{Arc, Mutex};
use std::thread;

fn process_image_region(region: &mut [u8]) {
    // Pritaikykite vaizdo filtrą regionui
    for pixel in region.iter_mut() {
        *pixel = *pixel / 2; // Pavyzdinis filtras: perpusinkite pikselio vertę
    }
}

fn main() {
    let image_data: Vec = vec![255; 1024 * 1024]; // Pavyzdiniai vaizdo duomenys
    let num_threads = 4;
    let chunk_size = image_data.len() / num_threads;

    let shared_image_data = Arc::new(Mutex::new(image_data));
    let mut handles = vec![];

    for i in 0..num_threads {
        let start = i * chunk_size;
        let end = if i == num_threads - 1 {
            shared_image_data.lock().unwrap().len()
        } else {
            start + chunk_size
        };

        let shared_image_data_clone = Arc::clone(&shared_image_data);

        let handle = thread::spawn(move || {
            let mut image_data_guard = shared_image_data_clone.lock().unwrap();
            let region = &mut image_data_guard[start..end];
            process_image_region(region);
        });

        handles.push(handle);
    }

    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    // `shared_image_data` dabar yra apdorotas vaizdas
}

Šis supaprastintas „Rust“ pavyzdys parodo pagrindinį principą, kaip padalyti vaizdą į regionus ir apdoroti kiekvieną regioną atskiroje gijoje, naudojant bendrą atmintį (šiuo atveju per `Arc` ir `Mutex` saugiai prieigai). Surinktas wasm modulis kartu su būtinais JS pastoliais būtų naudojamas naršyklėje.

WebAssembly gijų naudojimo nauda

WebAssembly gijų ir bendros atminties naudojimo nauda yra daugybė:

• Pagerintas našumas: Lygiagretus vykdymas gali žymiai sumažinti skaičiavimo požiūriu intensyvių užduočių vykdymo laiką.
• Patobulintas reagavimas: Perdavus užduotis foninėms gijoms, pagrindinė gija lieka laisva valdyti vartotojo sąveikas, o tai lemia didesnį reakcijos greitį.
• Geresnis išteklių naudojimas: Gijos leidžia efektyviai naudoti kelis CPU branduolius.
• Kodo pakartotinis naudojimas: Esamas kodas, parašytas tokiomis kalbomis kaip C, C++ ir Rust, gali būti kompiliuojamas į WebAssembly ir pakartotinai naudojamas žiniatinklio programose.

Iššūkiai ir svarstymai

Nors WebAssembly gijos turi didelių pranašumų, taip pat yra keletas iššūkių ir aspektų, į kuriuos reikia atsižvelgti:

• Sudėtingumas: Daugiagijis programavimas sukuria sudėtingumą sinchronizavimo, duomenų lenktynių ir užrakinimo atžvilgiu.
• Derinimas: Daugiagijinių programų derinimas gali būti sudėtingas dėl nedeterministinio gijų vykdymo pobūdžio.
• Naršyklės suderinamumas: Užtikrinkite gerą naršyklių palaikymą WebAssembly gijoms ir bendrai atminčiai. Naudokite funkcijų aptikimą ir pateikite atitinkamus atsarginius variantus senesnėms naršyklėms. Konkrečiai atkreipkite dėmesį į „Cross-Origin Isolation“ reikalavimus.
• Saugumas: Tinkamai sinchronizuokite prieigą prie bendros atminties, kad išvengtumėte lenktynių sąlygų ir saugumo pažeidžiamumo.
• Atminties valdymas: Kruopštus atminties valdymas yra labai svarbus norint išvengti atminties nutekėjimų ir kitų su atmintimi susijusių problemų.
• Įrankiai ir bibliotekos: Pasinaudokite esamais įrankiais ir bibliotekomis, kad supaprastintumėte kūrimo procesą. Pavyzdžiui, naudokite konkurentiškumo bibliotekas Rust arba C++, kad valdytumėte gijas ir sinchronizaciją.

Naudojimo atvejai

WebAssembly gijos ir bendra atmintis ypač tinka programoms, kurioms reikia didelio našumo ir reakcijos greičio:

• Žaidimai: Sudėtingos grafikos atvaizdavimas, fizikos modeliavimų valdymas ir žaidimo logikos valdymas. AAA žaidimai gali labai pasinaudoti iš to.
• Vaizdo ir vaizdo įrašų redagavimas: Filtrų taikymas, medijos failų kodavimas ir dekodavimas bei kitų vaizdo ir vaizdo įrašų apdorojimo užduočių atlikimas.
• Moksliniai modeliavimai: Sudėtingų modeliavimų vykdymas tokiose srityse kaip fizika, chemija ir biologija.
• Finansų modeliavimas: Sudėtingų finansinių skaičiavimų ir duomenų analizės atlikimas. Pavyzdžiui, opcionų kainodaros algoritmai.
• Mašininis mokymasis: Mašininio mokymosi modelių mokymas ir vykdymas.
• CAD ir inžinerinės programos: 3D modelių atvaizdavimas ir inžinerinių modeliavimų atlikimas.
• Garso apdorojimas: Realaus laiko garso analizė ir sintezė. Pavyzdžiui, skaitmeninių garso darbo stočių (DAW) įdiegimas naršyklėje.

Geriausia WebAssembly gijų naudojimo praktika

Norėdami efektyviai naudoti WebAssembly gijas ir bendrą atmintį, laikykitės šios geriausios praktikos:

• Nustatykite lygiagrečiai apdorojamas užduotis: Atidžiai išanalizuokite savo programą, kad nustatytumėte užduotis, kurias galima efektyviai paralizuoti.
• Suminkštinkite prieigą prie bendros atminties: Sumažinkite duomenų, kuriais reikia dalytis tarp gijų, kiekį, kad sumažintumėte sinchronizacijos sąnaudas.
• Naudokite sinchronizacijos primitivus: Naudokite atitinkamus sinchronizacijos primitivus (atomus, mutexus, sąlygų kintamuosius), kad išvengtumėte lenktynių sąlygų ir užtikrintumėte duomenų nuoseklumą.
• Venkite užrakinimo: Atidžiai sukurkite savo kodą, kad išvengtumėte užrakinimo. Nustatykite aiškų užrakto įsigijimo ir atlaisvinimo tvarką.
• Atlikite išsamų testavimą: Išsamiai išbandykite savo daugiagijį kodą, kad nustatytumėte ir ištaisytumėte klaidas. Naudokite derinimo įrankius, kad patikrintumėte gijų vykdymą ir atminties prieigą.
• Profilinė savo kodą: Profilinė savo kodą, kad nustatytumėte našumo kliūtis ir optimizuotumėte gijų vykdymą.
• Apsvarstykite galimybę naudoti aukštesnio lygio abstrakcijas: Ištirkite aukštesnio lygio konkurentiškumo abstrakcijų, kurias teikia tokios kalbos kaip „Rust“ arba bibliotekos, pvz., „Intel TBB“ (Threading Building Blocks), naudojimą, kad supaprastintumėte gijų valdymą.
• Pradėkite nuo mažo: Pradėkite įgyvendindami gijas nedideliuose, gerai apibrėžtuose savo programos skyriuose. Tai leidžia sužinoti WebAssembly gijų subtilybes, nesusidūrus su sudėtingumu.
• Kodo peržiūra: Atlikite išsamias kodo peržiūras, ypač sutelkdami dėmesį į gijų saugumą ir sinchronizavimą, kad anksti pastebėtumėte galimas problemas.
• Dokumentuokite savo kodą: Aiškiai dokumentuokite savo gijų modelį, sinchronizavimo mechanizmus ir galimas konkurentiškumo problemas, kad padidintumėte priežiūrą ir bendradarbiavimą.

WebAssembly gijų ateitis

WebAssembly gijos vis dar yra gana nauja technologija, todėl tikimasi nuolatinio vystymosi ir patobulinimų. Būsimi patobulinimai gali apimti:

• Patobulinti įrankiai: Geresni derinimo įrankiai ir IDE palaikymas daugiagijinėms WebAssembly programoms.
• Standartizuoti API: Daugiau standartizuotų API gijų valdymui ir sinchronizavimui. WASI (WebAssembly System Interface) yra pagrindinė plėtros sritis.
• Našumo optimizacijos: Tolimesnės našumo optimizacijos, kad sumažintumėte gijų sąnaudas ir pagerintumėte atminties prieigą.
• Kalbos palaikymas: Patobulintas WebAssembly gijų palaikymas daugiau programavimo kalbų.

Išvada

WebAssembly gijos ir bendra atmintis yra galingos funkcijos, atveriančios naujas galimybes kurti didelio našumo, reaguojančias žiniatinklio programas. Pasinaudodami daugiagijio proceso galia, galite įveikti JavaScript vienagijio pobūdžio apribojimus ir sukurti žiniatinklio patirtį, kuri anksčiau buvo neįmanoma. Nors yra iššūkių, susijusių su daugiagijiu programavimu, nauda našumo ir reakcijos greičio atžvilgiu daro jį vertinga investicija kūrėjams, kuriant sudėtingas žiniatinklio programas.

Kadangi WebAssembly ir toliau vystosi, gijos neabejotinai atliks vis svarbesnį vaidmenį žiniatinklio kūrimo ateityje. Pasinaudokite šia technologija ir ištyrinėkite jos potencialą kurdami nuostabią žiniatinklio patirtį.