JavaScript SharedArrayBuffer un Atomics: Drošu darbību nodrošināšana pavedienos

JavaScript, kas tradicionāli pazīstama kā vienpavediena valoda, ir attīstījusies, lai aptvertu vienlaicīgumu, izmantojot Web Workers. Tomēr patiesa koplietojamas atmiņas vienlaicīgums vēsturiski nebija pieejams, ierobežojot augstas veiktspējas paralēlās skaitļošanas potenciālu pārlūkprogrammā. Līdz ar SharedArrayBuffer un Atomics ieviešanu, JavaScript tagad nodrošina mehānismus koplietojamas atmiņas pārvaldībai un piekļuves sinhronizācijai vairākos pavedienos, paverot jaunas iespējas veiktspējai kritiskām lietojumprogrammām.

Izpratne par nepieciešamību pēc koplietojamas atmiņas un Atomics

Pirms iedziļināties specifikā, ir svarīgi saprast, kāpēc koplietojama atmiņa un atomiskās darbības ir būtiskas noteiktiem lietojumprogrammu veidiem. Iedomājieties sarežģītu attēlu apstrādes lietojumprogrammu, kas darbojas pārlūkprogrammā. Bez koplietojamas atmiņas liela attēlu datu pārsūtīšana starp Web Workers kļūst par dārgu darbību, kas ietver serializāciju un deserializāciju (visas datu struktūras kopēšanu). Šīs papildu izmaksas var būtiski ietekmēt veiktspēju.

Koplietojama atmiņa ļauj Web Workers tieši piekļūt un modificēt to pašu atmiņas vietu, novēršot nepieciešamību kopēt datus. Tomēr vienlaicīga piekļuve koplietojamai atmiņai rada sacensību apstākļu risku – situācijas, kad vairāki pavedieni mēģina vienlaikus lasīt vai rakstīt tajā pašā atmiņas vietā, izraisot neparedzamus un potenciāli nepareizus rezultātus. Šeit nāk palīgā Atomics.

Kas ir SharedArrayBuffer?

SharedArrayBuffer ir JavaScript objekts, kas attēlo neapstrādātu atmiņas bloku, līdzīgu ArrayBuffer, bet ar būtisku atšķirību: to var koplietot starp dažādiem izpildes kontekstiem, piemēram, Web Workers. Šī koplietošana tiek panākta, pārnesot SharedArrayBuffer objektu uz vienu vai vairākiem Web Workers. Kad tas ir koplietots, visi darbinieki var piekļūt un tieši modificēt pamatā esošo atmiņu.

Piemērs: SharedArrayBuffer izveide un koplietošana

Vispirms izveidojiet SharedArrayBuffer galvenajā pavedienā:

const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024); // 1 KB buferis

Pēc tam izveidojiet Web Worker un pārsūtiet buferi:

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

Failā worker.js piekļūstiet buferim:

self.onmessage = function(event) {
  const sharedBuffer = event.data; // Saņemts SharedArrayBuffer
  const uint8Array = new Uint8Array(sharedBuffer); // Izveidojiet tipizētu masīva skatu
  // Tagad varat lasīt/rakstīt uint8Array, kas modificē koplietojamo atmiņu
  uint8Array[0] = 42; // Piemērs: Rakstīt pirmajā baitā
};

Svarīgi apsvērumi:

• Tipizēti masīvi: Lai gan SharedArrayBuffer attēlo neapstrādātu atmiņu, jūs parasti mijiedarbojaties ar to, izmantojot tipizētus masīvus (piemēram, Uint8Array, Int32Array, Float64Array). Tipizēti masīvi nodrošina strukturētu skatu uz pamatā esošo atmiņu, ļaujot lasīt un rakstīt noteiktus datu tipus.
• Drošība: Atmiņas koplietošana rada drošības problēmas. Pārliecinieties, vai jūsu kods pareizi validē datus, kas saņemti no Web Workers, un neļauj ļaunprātīgiem dalībniekiem izmantot koplietojamas atmiņas ievainojamības. Cross-Origin-Opener-Policy un Cross-Origin-Embedder-Policy galvenes ir ļoti svarīgas, lai mazinātu Spectre un Meltdown ievainojamības. Šīs galvenes izolē jūsu izcelsmi no citām izcelsmēm, neļaujot tām piekļūt jūsu procesa atmiņai.

Kas ir Atomics?

Atomics ir statiska klase JavaScript, kas nodrošina atomiskās darbības lasīšanas-modificēšanas-rakstīšanas darbību veikšanai koplietojamās atmiņas vietās. Garantēts, ka atomiskās darbības ir nedalāmas; tās tiek izpildītas kā viens, nepārtraucams solis. Tas nodrošina, ka neviens cits pavediens nevar iejaukties darbībā, kamēr tā ir procesā, novēršot sacensību apstākļus.

Galvenās atomiskās darbības:

• Atomics.load(typedArray, index): Atomiski nolasa vērtību no norādītā indeksa tipizētajā masīvā.
• Atomics.store(typedArray, index, value): Atomiski ieraksta vērtību norādītajā indeksā tipizētajā masīvā.
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue): Atomiski salīdzina vērtību norādītajā indeksā ar expectedValue. Ja tās ir vienādas, vērtība tiek aizstāta ar replacementValue. Atgriež sākotnējo vērtību indeksā.
• Atomics.add(typedArray, index, value): Atomiski pieskaita value vērtībai norādītajā indeksā un atgriež jauno vērtību.
• Atomics.sub(typedArray, index, value): Atomiski atņem value no vērtības norādītajā indeksā un atgriež jauno vērtību.
• Atomics.and(typedArray, index, value): Atomiski veic bitu pa bitam AND operāciju ar vērtību norādītajā indeksā ar value un atgriež jauno vērtību.
• Atomics.or(typedArray, index, value): Atomiski veic bitu pa bitam OR operāciju ar vērtību norādītajā indeksā ar value un atgriež jauno vērtību.
• Atomics.xor(typedArray, index, value): Atomiski veic bitu pa bitam XOR operāciju ar vērtību norādītajā indeksā ar value un atgriež jauno vērtību.
• Atomics.exchange(typedArray, index, value): Atomiski aizstāj vērtību norādītajā indeksā ar value un atgriež veco vērtību.
• Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout): Bloķē pašreizējo pavedienu, līdz vērtība norādītajā indeksā atšķiras no value, vai līdz beidzas taimauts. Šī ir daļa no gaidīšanas/paziņošanas mehānisma.
• Atomics.notify(typedArray, index, count): Pamodina count skaitu gaidošo pavedienu norādītajā indeksā.

Praktiski piemēri un lietošanas gadījumi

Izpētīsim dažus praktiskus piemērus, lai ilustrētu, kā SharedArrayBuffer un Atomics var izmantot, lai atrisinātu reālās pasaules problēmas:

1. Paralēla skaitļošana: Attēlu apstrāde

Iedomājieties, ka pārlūkprogrammā jāpielieto filtrs lielam attēlam. Jūs varat sadalīt attēlu gabalos un katru gabalu piešķirt citam Web Worker apstrādei. Izmantojot SharedArrayBuffer, visu attēlu var saglabāt koplietojamā atmiņā, novēršot nepieciešamību kopēt attēlu datus starp darbiniekiem.

Īstenošanas skice:

1. Ielādējiet attēlu datus SharedArrayBuffer.
2. Sadalīt attēlu taisnstūra apgabalos.
3. Izveidojiet Web Workers kopumu.
4. Piešķiriet katru apgabalu darbiniekam apstrādei. Pārsūtiet apgabala koordinātas un izmērus darbiniekam.
5. Katrs darbinieks pielieto filtru savam piešķirtajam apgabalam koplietojamā SharedArrayBuffer.
6. Kad visi darbinieki ir pabeiguši darbu, apstrādātais attēls ir pieejams koplietojamā atmiņā.

Sinhronizācija ar Atomics:

Lai nodrošinātu, ka galvenais pavediens zina, kad visi darbinieki ir pabeiguši savu apgabalu apstrādi, varat izmantot atomisko skaitītāju. Katrs darbinieks, pabeidzot savu uzdevumu, atomiski palielina skaitītāju. Galvenais pavediens periodiski pārbauda skaitītāju, izmantojot Atomics.load. Kad skaitītājs sasniedz paredzamo vērtību (vienādu ar apgabalu skaitu), galvenais pavediens zina, ka visa attēlu apstrāde ir pabeigta.

// Galvenajā pavedienā:
const numRegions = 4; // Piemērs: Sadalīt attēlu 4 apgabalos
const completedRegions = new Int32Array(sharedBuffer, offset, 1); // Atomiskais skaitītājs
Atomics.store(completedRegions, 0, 0); // Inicializēt skaitītāju uz 0

// Katrā darbiniekā:
// ... apstrādāt apgabalu ...
Atomics.add(completedRegions, 0, 1); // Palielināt skaitītāju

// Galvenajā pavedienā (periodiski pārbaudīt):
let count = Atomics.load(completedRegions, 0);
if (count === numRegions) {
  // Visi apgabali ir apstrādāti
  console.log('Attēlu apstrāde pabeigta!');
}

2. Vienlaicīgas datu struktūras: Bezbloķēšanas rindas izveide

SharedArrayBuffer un Atomics var izmantot, lai ieviestu bezbloķēšanas datu struktūras, piemēram, rindas. Bezbloķēšanas datu struktūras ļauj vairākiem pavedieniem piekļūt un modificēt datu struktūru vienlaikus bez tradicionālo bloķējumu papildu izmaksām.

Bezbloķēšanas rindu izaicinājumi:

• Sacensību apstākļi: Vienlaicīga piekļuve rindas sākuma un beigu rādītājiem var izraisīt sacensību apstākļus.
• Atmiņas pārvaldība: Nodrošiniet pareizu atmiņas pārvaldību un izvairieties no atmiņas noplūdēm, ievietojot un izņemot elementus no rindas.

Atomiskās darbības sinhronizācijai:

Atomiskās darbības tiek izmantotas, lai nodrošinātu, ka sākuma un beigu rādītāji tiek atjaunināti atomiski, novēršot sacensību apstākļus. Piemēram, Atomics.compareExchange var izmantot, lai atomiski atjauninātu beigu rādītāju, ievietojot elementu rindā.

3. Augstas veiktspējas skaitliskie aprēķini

Lietojumprogrammas, kas ietver intensīvus skaitliskos aprēķinus, piemēram, zinātniskās simulācijas vai finanšu modelēšanu, var gūt ievērojamu labumu no paralēlās apstrādes, izmantojot SharedArrayBuffer un Atomics. Lielus skaitlisko datu masīvus var saglabāt koplietojamā atmiņā un vienlaikus apstrādāt vairāki darbinieki.

Biežākie trūkumi un labākā prakse

Lai gan SharedArrayBuffer un Atomics piedāvā jaudīgas iespējas, tie arī ievieš sarežģītību, kas prasa rūpīgu apsvēršanu. Šeit ir daži biežākie trūkumi un labākā prakse, kas jāievēro:

• Datu sacensības: Vienmēr izmantojiet atomiskās darbības, lai aizsargātu koplietojamas atmiņas vietas no datu sacensībām. Rūpīgi analizējiet savu kodu, lai identificētu iespējamos sacensību apstākļus un nodrošinātu, ka visi koplietojamie dati ir pareizi sinhronizēti.
• Viltus koplietošana: Viltus koplietošana notiek, kad vairāki pavedieni piekļūst dažādām atmiņas vietām vienā un tajā pašā kešatmiņas rindā. Tas var izraisīt veiktspējas pasliktināšanos, jo kešatmiņas rinda tiek pastāvīgi anulēta un atkārtoti ielādēta starp pavedieniem. Lai izvairītos no viltus koplietošanas, papildiniet koplietojamās datu struktūras, lai nodrošinātu, ka katrs pavediens piekļūst savai kešatmiņas rindai.
• Atmiņas secība: Izprotiet atomisko darbību nodrošinātās atmiņas secības garantijas. JavaScript atmiņas modelis ir salīdzinoši relaksēts, tāpēc, iespējams, būs jāizmanto atmiņas barjeras (žogi), lai nodrošinātu, ka darbības tiek izpildītas vēlamajā secībā. Tomēr JavaScript Atomics jau nodrošina secīgi konsekventu secību, kas vienkāršo spriešanu par vienlaicīgumu.
• Veiktspējas papildu izmaksas: Atomiskām darbībām var būt veiktspējas papildu izmaksas salīdzinājumā ar neatomiskām darbībām. Izmantojiet tos apdomīgi tikai tad, kad tas ir nepieciešams, lai aizsargātu koplietojamos datus. Apsveriet kompromisu starp vienlaicīgumu un sinhronizācijas papildu izmaksām.
• Atkļūdošana: Vienlaicīga koda atkļūdošana var būt sarežģīta. Izmantojiet reģistrēšanas un atkļūdošanas rīkus, lai identificētu sacensību apstākļus un citas vienlaicīguma problēmas. Apsveriet iespēju izmantot specializētus atkļūdošanas rīkus, kas paredzēti vienlaicīgai programmēšanai.
• Drošības sekas: Atcerieties par drošības sekām, koplietojot atmiņu starp pavedieniem. Pareizi apstrādājiet un validējiet visu ievadi, lai novērstu ļaunprātīga koda izmantošanu koplietojamās atmiņas ievainojamībās. Pārliecinieties, vai ir iestatītas pareizas Cross-Origin-Opener-Policy un Cross-Origin-Embedder-Policy galvenes.
• Izmantojiet bibliotēku: Apsveriet iespēju izmantot esošās bibliotēkas, kas nodrošina augstāka līmeņa abstrakcijas vienlaicīgai programmēšanai. Šīs bibliotēkas var palīdzēt izvairīties no biežākajiem trūkumiem un vienkāršot vienlaicīgu lietojumprogrammu izstrādi. Piemēri ietver bibliotēkas, kas nodrošina bezbloķēšanas datu struktūras vai uzdevumu plānošanas mehānismus.

Alternatīvas SharedArrayBuffer un Atomics

Lai gan SharedArrayBuffer un Atomics ir jaudīgi rīki, tie ne vienmēr ir labākais risinājums katrai problēmai. Šeit ir dažas alternatīvas, kas jāapsver:

• Ziņojumu pārsūtīšana: Izmantojiet postMessage, lai nosūtītu datus starp Web Workers. Šī pieeja izvairās no koplietojamas atmiņas un novērš sacensību apstākļu risku. Tomēr tas ietver datu kopēšanu, kas var būt neefektīva lielām datu struktūrām.
• WebAssembly Threads: WebAssembly atbalsta pavedienus un koplietojamu atmiņu, nodrošinot zemāka līmeņa alternatīvu SharedArrayBuffer un Atomics. WebAssembly ļauj rakstīt augstas veiktspējas vienlaicīgu kodu, izmantojot tādas valodas kā C++ vai Rust.
• Pārsūtīšana uz serveri: Uzdevumiem, kas prasa intensīvu skaitļošanu, apsveriet iespēju pārsūtīt darbu uz serveri. Tas var atbrīvot pārlūkprogrammas resursus un uzlabot lietotāja pieredzi.

Pārlūkprogrammas atbalsts un pieejamība

SharedArrayBuffer un Atomics ir plaši atbalstīti modernās pārlūkprogrammās, tostarp Chrome, Firefox, Safari un Edge. Tomēr ir svarīgi pārbaudīt pārlūkprogrammas saderības tabulu, lai nodrošinātu, ka jūsu mērķa pārlūkprogrammas atbalsta šīs funkcijas. Turklāt drošības apsvērumu dēļ ir jākonfigurē pareizas HTTP galvenes (COOP/COEP). Ja nepieciešamās galvenes nav norādītas, pārlūkprogramma var atspējot SharedArrayBuffer.

Secinājums

SharedArrayBuffer un Atomics ir nozīmīgs JavaScript iespēju uzlabojums, kas ļauj izstrādātājiem izveidot augstas veiktspējas vienlaicīgas lietojumprogrammas, kas iepriekš nebija iespējamas. Izprotot koplietojamas atmiņas, atomisko darbību un vienlaicīgas programmēšanas iespējamos trūkumus, varat izmantot šīs funkcijas, lai izveidotu novatoriskas un efektīvas tīmekļa lietojumprogrammas. Tomēr esiet piesardzīgs, piešķiriet prioritāti drošībai un rūpīgi apsveriet kompromisus pirms SharedArrayBuffer un Atomics pieņemšanas savos projektos. Tā kā tīmekļa platforma turpina attīstīties, šīm tehnoloģijām būs arvien nozīmīgāka loma, paplašinot iespējamā robežas pārlūkprogrammā. Pirms to lietošanas pārliecinieties, vai esat novērsis drošības problēmas, ko tās var radīt, galvenokārt, izmantojot pareizas COOP/COEP galvenes konfigurācijas.