Web Workers: Fona apstrādes jaudas atraisīšana pārlūkā

Mūsdienu dinamiskajā tīmekļa vidē lietotāji sagaida nevainojamas un atsaucīgas lietojumprogrammas. Tomēr JavaScript viena pavediena daba var radīt veiktspējas problēmas, īpaši, strādājot ar skaitļošanas ziņā intensīviem uzdevumiem. Web Workers piedāvā risinājumu, nodrošinot patiesu paralēlo apstrādi pārlūkprogrammā. Šis visaptverošais ceļvedis pēta Web Workers, to arhitektūru, priekšrocības, ierobežojumus un praktiskās ieviešanas stratēģijas, lai palīdzētu jums izveidot efektīvākas un atsaucīgākas tīmekļa lietojumprogrammas.

Kas ir Web Workers?

Web Workers ir JavaScript API, kas ļauj palaist skriptus fona režīmā, neatkarīgi no pārlūkprogrammas galvenā pavediena. Iztēlojieties tos kā atsevišķus procesus, kas darbojas paralēli jūsu galvenajai tīmekļa lapai. Šī nodalīšana ir ļoti svarīga, jo tā novērš ilgstošu vai resursietilpīgu operāciju bloķēšanu galvenajā pavedienā, kas ir atbildīgs par lietotāja saskarnes atjaunināšanu. Pārvirzot uzdevumus uz Web Workers, jūs varat uzturēt vienmērīgu un atsaucīgu lietotāja pieredzi, pat tad, ja tiek veiktas sarežģītas aprēķināšanas.

Web Workers galvenās iezīmes:

• Paralēlā izpilde: Web Workers darbojas atsevišķos pavedienos, nodrošinot patiesu paralēlo apstrādi.
• Nebloķējoši: Web Workers veiktie uzdevumi nebloķē galveno pavedienu, nodrošinot lietotāja saskarnes atsaucību.
• Ziņojumu nodošana: Saziņa starp galveno pavedienu un Web Workers notiek, izmantojot ziņojumu nodošanu, pielietojot postMessage() API un onmessage notikumu apstrādātāju.
• Dedicēta darbības joma: Web Workers ir sava veltīta globālā darbības joma, kas ir atdalīta no galvenā loga darbības jomas. Šī izolācija uzlabo drošību un novērš neparedzētas blakusparādības.
• Nav piekļuves DOM: Web Workers nevar tieši piekļūt DOM (Document Object Model). Tie darbojas ar datiem un loģiku, un paziņo rezultātus atpakaļ galvenajam pavedienam, lai atjauninātu lietotāja saskarni.

Kāpēc izmantot Web Workers?

Galvenā motivācija izmantot Web Workers ir uzlabot tīmekļa lietojumprogrammu veiktspēju un atsaucību. Šeit ir galveno priekšrocību sadalījums:

• Uzlabota lietotāja saskarnes atsaucība: Pārvirzot skaitļošanas ziņā intensīvus uzdevumus, piemēram, attēlu apstrādi, sarežģītus aprēķinus vai datu analīzi, uz Web Workers, jūs novēršat galvenā pavediena bloķēšanu. Tas nodrošina, ka lietotāja saskarne paliek atsaucīga un interaktīva pat intensīvas apstrādes laikā. Iedomājieties vietni, kas analizē lielas datu kopas. Bez Web Workers visa pārlūkprogrammas cilne varētu sastingt, kamēr notiek analīze. Ar Web Workers analīze notiek fonā, ļaujot lietotājiem turpināt mijiedarboties ar lapu.
• Uzlabota veiktspēja: Paralēlā apstrāde var ievērojami samazināt kopējo izpildes laiku noteiktiem uzdevumiem. Sadalot darbu starp vairākiem pavedieniem, jūs varat izmantot moderno procesoru daudzkodolu apstrādes iespējas. Tas nodrošina ātrāku uzdevumu pabeigšanu un efektīvāku sistēmas resursu izmantošanu.
• Fona sinhronizācija: Web Workers ir noderīgi uzdevumiem, kas jāveic fonā, piemēram, periodiska datu sinhronizācija ar serveri. Tas ļauj galvenajam pavedienam koncentrēties uz lietotāja mijiedarbību, kamēr Web Worker apstrādā fona procesus, nodrošinot, ka dati vienmēr ir aktuāli, neietekmējot veiktspēju.
• Lielu datu apstrāde: Web Workers lieliski tiek galā ar lielu datu kopu apstrādi, neietekmējot lietotāja pieredzi. Piemēram, lielu attēlu failu apstrādi, finanšu datu analīzi vai sarežģītu simulāciju veikšanu var pārvirzīt uz Web Workers.

Web Workers pielietojuma gadījumi

Web Workers ir īpaši piemēroti dažādiem uzdevumiem, tostarp:

• Attēlu un video apstrāde: Filtru lietošana, attēlu izmēru maiņa vai video formātu pārkodēšana var būt skaitļošanas ziņā intensīva. Web Workers var veikt šos uzdevumus fonā, novēršot lietotāja saskarnes sastingšanu.
• Datu analīze un vizualizācija: Sarežģītu aprēķinu veikšanu, lielu datu kopu analīzi vai diagrammu un grafiku ģenerēšanu var pārvirzīt uz Web Workers.
• Kriptogrāfiskās operācijas: Šifrēšana un atšifrēšana var būt resursietilpīga. Web Workers var apstrādāt šīs operācijas fonā, uzlabojot drošību, neietekmējot veiktspēju.
• Spēļu izstrāde: Spēļu fizikas aprēķināšanu, sarežģītu ainu renderēšanu vai mākslīgā intelekta apstrādi var pārvirzīt uz Web Workers.
• Fona datu sinhronizācija: Regulāru datu sinhronizāciju ar serveri var veikt fonā, izmantojot Web Workers.
• Pareizrakstības pārbaude: Pareizrakstības pārbaudītājs var izmantot Web Workers, lai asinhroni pārbaudītu tekstu, atjauninot lietotāja saskarni tikai tad, kad tas ir nepieciešams.
• Staru trasēšana (Ray Tracing): Staru trasēšanu, sarežģītu renderēšanas tehniku, var veikt Web Worker, nodrošinot vienmērīgāku pieredzi pat grafiski intensīvām tīmekļa lietojumprogrammām.

Apsveriet reālu piemēru: tīmekļa fotoattēlu redaktors. Sarežģīta filtra lietošana augstas izšķirtspējas attēlam varētu aizņemt vairākas sekundes un pilnībā iesaldēt lietotāja saskarni bez Web Workers. Pārvirzot filtra lietošanu uz Web Worker, lietotājs var turpināt mijiedarboties ar redaktoru, kamēr filtrs tiek lietots fonā, nodrošinot ievērojami labāku lietotāja pieredzi.

Web Workers ieviešana

Web Workers ieviešana ietver atsevišķa JavaScript faila izveidi priekš worker koda, Web Worker objekta izveidi galvenajā skriptā un ziņojumu nodošanas izmantošanu saziņai.

1. Web Worker skripta izveide (worker.js):

Web Worker skripts satur kodu, kas tiks izpildīts fonā. Šim skriptam nav piekļuves DOM. Šeit ir vienkāršs piemērs, kas aprēķina n-to Fibonači skaitli:

// 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);
});

Paskaidrojums:

• Funkcija fibonacci(n) rekursīvi aprēķina n-to Fibonači skaitli.
• self.addEventListener('message', function(e) { ... }) iestata notikumu klausītāju, lai apstrādātu ziņojumus, kas saņemti no galvenā pavediena. Īpašība e.data satur datus, kas nosūtīti no galvenā pavediena.
• self.postMessage(result) nosūta aprēķināto rezultātu atpakaļ uz galveno pavedienu.

2. Web Worker izveide un izmantošana galvenajā skriptā:

Galvenajā JavaScript failā jums ir jāizveido Web Worker objekts, jānosūta tam ziņojumi un jāapstrādā no tā saņemtie ziņojumi.

// main.js

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

worker.addEventListener('message', function(e) {
  const result = e.data;
  console.log('Fibonači rezultāts:', result);
  // Atjauniniet lietotāja saskarni ar rezultātu
  document.getElementById('result').textContent = result;
});

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

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

Paskaidrojums:

• const worker = new Worker('worker.js'); izveido jaunu Web Worker objektu, norādot ceļu uz worker skriptu.
• worker.addEventListener('message', function(e) { ... }) iestata notikumu klausītāju, lai apstrādātu ziņojumus, kas saņemti no Web Worker. Īpašība e.data satur datus, kas nosūtīti no worker.
• worker.addEventListener('error', function(e) { ... }) iestata notikumu klausītāju, lai apstrādātu jebkādas kļūdas, kas rodas Web Worker.
• worker.postMessage(parseInt(n)) nosūta ziņojumu uz Web Worker, nododot n vērtību kā datus.

3. HTML struktūra:

HTML failam jāsatur elementi lietotāja ievadei un rezultāta attēlošanai.

  


  Ievadiet skaitli:
  
  Aprēķināt Fibonači
  
Rezultāts: 

  

Šis vienkāršais piemērs demonstrē, kā izveidot Web Worker, nosūtīt tam datus un saņemt rezultātus. Fibonači aprēķināšana ir skaitļošanas ziņā intensīvs uzdevums, kas var bloķēt galveno pavedienu, ja to veic tieši. Pārvirzot to uz Web Worker, lietotāja saskarne paliek atsaucīga.

Ierobežojumu izpratne

Lai gan Web Workers piedāvā ievērojamas priekšrocības, ir svarīgi apzināties to ierobežojumus:

• Nav piekļuves DOM: Web Workers nevar tieši piekļūt DOM. Tas ir fundamentāls ierobežojums, kas nodrošina atbildības sadalījumu starp worker pavedienu un galveno pavedienu. Visi lietotāja saskarnes atjauninājumi jāveic galvenajam pavedienam, pamatojoties uz datiem, kas saņemti no Web Worker.
• Ierobežota API piekļuve: Web Workers ir ierobežota piekļuve noteiktām pārlūkprogrammas API. Piemēram, tie nevar tieši piekļūt window objektam vai document objektam. Tomēr tiem ir piekļuve tādām API kā XMLHttpRequest, setTimeout un setInterval.
• Ziņojumu nodošanas papildu slodze: Saziņa starp galveno pavedienu un Web Workers notiek, izmantojot ziņojumu nodošanu. Datu serializācija un deserializācija ziņojumu nodošanai var radīt zināmu papildu slodzi, īpaši lielām datu struktūrām. Rūpīgi apsveriet pārsūtāmo datu apjomu un, ja nepieciešams, optimizējiet datu struktūras.
• Atkļūdošanas izaicinājumi: Web Workers atkļūdošana var būt sarežģītāka nekā parasta JavaScript koda atkļūdošana. Parasti ir jāizmanto pārlūkprogrammas izstrādātāju rīki, lai pārbaudītu worker izpildes vidi un ziņojumus.
• Pārlūkprogrammu saderība: Lai gan Web Workers plaši atbalsta modernas pārlūkprogrammas, vecākas pārlūkprogrammas var tos pilnībā neatbalstīt. Ir būtiski nodrošināt rezerves mehānismus vai polyfills vecākām pārlūkprogrammām, lai nodrošinātu jūsu lietojumprogrammas pareizu darbību.

Labākās prakses Web Worker izstrādē

Lai maksimāli izmantotu Web Workers priekšrocības un izvairītos no iespējamām problēmām, apsveriet šīs labākās prakses:

• Minimizējiet datu pārsūtīšanu: Samaziniet datu apjomu, kas tiek pārsūtīts starp galveno pavedienu un Web Worker. Pārsūtiet tikai tos datus, kas ir absolūti nepieciešami. Apsveriet iespēju izmantot tādas metodes kā koplietojamā atmiņa (piemēram, SharedArrayBuffer, bet apzinieties drošības sekas un Spectre/Meltdown ievainojamības), lai koplietotu datus bez kopēšanas.
• Optimizējiet datu serializāciju: Izmantojiet efektīvus datu serializācijas formātus, piemēram, JSON vai Protocol Buffers, lai minimizētu ziņojumu nodošanas papildu slodzi.
• Izmantojiet pārnesamus objektus (Transferable Objects): Noteiktiem datu tipiem, piemēram, ArrayBuffer, MessagePort un ImageBitmap, varat izmantot pārnesamus objektus. Pārnesami objekti ļauj pārsūtīt īpašumtiesības uz pamatā esošo atmiņas buferi uz Web Worker, izvairoties no kopēšanas nepieciešamības. Tas var ievērojami uzlabot veiktspēju lielām datu struktūrām.
• Apstrādājiet kļūdas eleganti: Ieviesiet robustu kļūdu apstrādi gan galvenajā pavedienā, gan Web Worker, lai notvertu un apstrādātu jebkādus izņēmumus, kas var rasties. Izmantojiet error notikumu klausītāju, lai notvertu kļūdas Web Worker.
• Izmantojiet moduļus koda organizēšanai: Organizējiet savu Web Worker kodu moduļos, lai uzlabotu uzturējamību un atkārtotu izmantojamību. Jūs varat izmantot ES moduļus ar Web Workers, norādot {type: "module"} Worker konstruktorā (piem., new Worker('worker.js', {type: "module"});).
• Pārraugiet veiktspēju: Izmantojiet pārlūkprogrammas izstrādātāju rīkus, lai pārraudzītu savu Web Workers veiktspēju. Pievērsiet uzmanību CPU lietojumam, atmiņas patēriņam un ziņojumu nodošanas papildu slodzei.
• Apsveriet pavedienu kopas (Thread Pools): Sarežģītām lietojumprogrammām, kurām nepieciešami vairāki Web Workers, apsveriet pavedienu kopas izmantošanu, lai efektīvi pārvaldītu workerus. Pavedienu kopa var palīdzēt atkārtoti izmantot esošos workerus un izvairīties no papildu slodzes, kas rodas, veidojot jaunus workerus katram uzdevumam.

Padziļinātas Web Worker tehnikas

Papildus pamatiem ir vairākas padziļinātas tehnikas, ko varat izmantot, lai vēl vairāk uzlabotu savu Web Worker lietojumprogrammu veiktspēju un iespējas:

1. SharedArrayBuffer:

SharedArrayBuffer ļauj izveidot koplietojamus atmiņas reģionus, kuriem var piekļūt gan galvenais pavediens, gan Web Workers. Tas novērš nepieciešamību pēc ziņojumu nodošanas noteiktiem datu tipiem, ievērojami uzlabojot veiktspēju. Tomēr apzinieties drošības apsvērumus, īpaši saistībā ar Spectre un Meltdown ievainojamībām. SharedArrayBuffer izmantošana parasti prasa atbilstošu HTTP galveņu iestatīšanu (piem., Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin un Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp).

2. Atomics:

Atomics nodrošina atomāras operācijas darbam ar SharedArrayBuffer. Šīs operācijas nodrošina, ka datiem tiek piekļūts un tie tiek modificēti pavediendrošā veidā, novēršot sacensību apstākļus (race conditions) un datu bojājumus. Atomics ir būtiski, veidojot vienlaicīgas lietojumprogrammas, kas izmanto koplietojamo atmiņu.

3. WebAssembly (Wasm):

WebAssembly ir zema līmeņa bināro instrukciju formāts, kas ļauj palaist kodu, kas rakstīts tādās valodās kā C, C++ un Rust, pārlūkprogrammā ar gandrīz dabīgu ātrumu. Jūs varat izmantot WebAssembly Web Workers, lai veiktu skaitļošanas ziņā intensīvus uzdevumus ar ievērojami labāku veiktspēju nekā JavaScript. WebAssembly kodu var ielādēt un izpildīt Web Worker ietvaros, ļaujot jums izmantot WebAssembly jaudu, nebloķējot galveno pavedienu.

4. Comlink:

Comlink ir bibliotēka, kas vienkāršo saziņu starp galveno pavedienu un Web Workers. Tā ļauj atklāt funkcijas un objektus no Web Worker galvenajam pavedienam tā, it kā tie būtu lokāli objekti. Comlink automātiski apstrādā datu serializāciju un deserializāciju, atvieglojot sarežģītu Web Worker lietojumprogrammu izveidi. Comlink var ievērojami samazināt standarta kodu, kas nepieciešams ziņojumu nodošanai.

Drošības apsvērumi

Strādājot ar Web Workers, ir svarīgi apzināties drošības apsvērumus:

• Starp-izcelsmes (Cross-Origin) ierobežojumi: Uz Web Workers attiecas tie paši starp-izcelsmes ierobežojumi kā uz citiem tīmekļa resursiem. Jūs varat ielādēt Web Worker skriptus tikai no tās pašas izcelsmes (protokols, domēns un ports) kā galvenā lapa, vai no izcelsmēm, kas skaidri atļauj starp-izcelsmes piekļuvi, izmantojot CORS (Cross-Origin Resource Sharing) galvenes.
• Satura drošības politika (CSP): Satura drošības politiku (CSP) var izmantot, lai ierobežotu avotus, no kuriem var ielādēt Web Worker skriptus. Pārliecinieties, ka jūsu CSP politika atļauj Web Worker skriptu ielādi no uzticamiem avotiem.
• Datu drošība: Esiet uzmanīgi ar datiem, ko nododat Web Workers, īpaši, ja tie satur sensitīvu informāciju. Izvairieties no sensitīvu datu nodošanas tieši ziņojumos. Apsveriet datu šifrēšanu pirms to nosūtīšanas uz Web Worker, īpaši, ja Web Worker tiek ielādēts no citas izcelsmes.
• Spectre un Meltdown ievainojamības: Kā minēts iepriekš, SharedArrayBuffer izmantošana var pakļaut jūsu lietojumprogrammu Spectre un Meltdown ievainojamībām. Mazināšanas stratēģijas parasti ietver atbilstošu HTTP galveņu iestatīšanu (piem., Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin un Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp) un rūpīgu koda pārskatīšanu, meklējot potenciālās ievainojamības.

Web Workers un modernie ietvari

Daudzi modernie JavaScript ietvari, piemēram, React, Angular un Vue.js, nodrošina abstrakcijas un rīkus, kas vienkāršo Web Workers izmantošanu.

React:

React vidē jūs varat izmantot Web Workers, lai veiktu skaitļošanas ziņā intensīvus uzdevumus komponentu ietvaros. Bibliotēkas, piemēram, react-hooks-worker, var vienkāršot Web Workers izveides un pārvaldības procesu React funkcionālajos komponentos. Varat arī izmantot pielāgotus "hooks", lai iekapsulētu loģiku Web Workers izveidei un saziņai ar tiem.

Angular:

Angular nodrošina robustu moduļu sistēmu, ko var izmantot Web Worker koda organizēšanai. Jūs varat izveidot Angular servisus, kas iekapsulē loģiku Web Workers izveidei un saziņai ar tiem. Angular CLI nodrošina arī rīkus Web Worker skriptu ģenerēšanai un to integrēšanai jūsu lietojumprogrammā.

Vue.js:

Vue.js vidē jūs varat izmantot Web Workers komponentu ietvaros, lai veiktu fona uzdevumus. Vuex, Vue stāvokļa pārvaldības bibliotēka, var tikt izmantota, lai pārvaldītu Web Workers stāvokli un sinhronizētu datus starp galveno pavedienu un Web Workers. Varat arī izmantot pielāgotas direktīvas, lai iekapsulētu loģiku Web Workers izveidei un pārvaldībai.

Noslēgums

Web Workers ir spēcīgs rīks tīmekļa lietojumprogrammu veiktspējas un atsaucības uzlabošanai. Pārvirzot skaitļošanas ziņā intensīvus uzdevumus uz fona pavedieniem, jūs varat novērst galvenā pavediena bloķēšanu un nodrošināt vienmērīgu un interaktīvu lietotāja pieredzi. Lai gan Web Workers ir daži ierobežojumi, piemēram, nespēja tieši piekļūt DOM, šos ierobežojumus var pārvarēt ar rūpīgu plānošanu un ieviešanu. Ievērojot šajā ceļvedī izklāstītās labākās prakses, jūs varat efektīvi izmantot Web Workers, lai izveidotu efektīvākas un atsaucīgākas tīmekļa lietojumprogrammas, kas atbilst mūsdienu lietotāju prasībām.

Neatkarīgi no tā, vai jūs veidojat sarežģītu datu vizualizācijas lietojumprogrammu, augstas veiktspējas spēli vai atsaucīgu e-komercijas vietni, Web Workers var palīdzēt jums nodrošināt labāku lietotāja pieredzi. Pieņemiet paralēlās apstrādes spēku un atraisiet pilnu savu tīmekļa lietojumprogrammu potenciālu ar Web Workers.