WebAssembly pavedieni: padziļināta iedziļināšanās daudzpavedienu darbībā ar kopīgo atmiņu

WebAssembly (Wasm) ir revolucionizējis tīmekļa izstrādi, nodrošinot augstas veiktspējas, gandrīz natīvu izpildes vidi kodam, kas darbojas pārlūkprogrammā. Viens no nozīmīgākajiem sasniegumiem WebAssembly iespējās ir pavedienu un kopīgās atmiņas ieviešana. Tas paver pilnīgi jaunu iespēju pasauli sarežģītu, skaitļošanas ziņā intensīvu tīmekļa lietojumprogrammu veidošanai, kuras iepriekš bija ierobežotas ar JavaScript viena pavediena dabu.

Izpratne par nepieciešamību pēc daudzpavedienu darbības WebAssembly

Tradicionāli JavaScript ir bijusi dominējošā valoda klienta puses tīmekļa izstrādē. Tomēr JavaScript viena pavediena izpildes modelis var kļūt par šķēršli, strādājot ar prasīgiem uzdevumiem, piemēram:

• Attēlu un video apstrāde: Mediju failu kodēšana, atkodēšana un manipulācijas.
• Sarežģīti aprēķini: Zinātniskās simulācijas, finanšu modelēšana un datu analīze.
• Spēļu izstrāde: Grafikas renderēšana, fizikas apstrāde un spēles loģikas pārvaldība.
• Lielu datu apstrāde: Lielu datu kopu filtrēšana, kārtošana un analīze.

Šie uzdevumi var izraisīt lietotāja interfeisa nereaģēšanu, kas noved pie sliktas lietotāja pieredzes. Web darbinieki piedāvāja daļēju risinājumu, ļaujot veikt fona uzdevumus, taču tie darbojas atsevišķās atmiņas telpās, padarot datu koplietošanu apgrūtinošu un neefektīvu. Tieši šeit noder WebAssembly pavedieni un kopīgā atmiņa.

Kas ir WebAssembly pavedieni?

WebAssembly pavedieni ļauj vienā WebAssembly modulī vienlaikus izpildīt vairākus koda fragmentus. Tas nozīmē, ka jūs varat sadalīt lielu uzdevumu mazākos apakšuzdevumos un izplatīt tos vairākos pavedienos, efektīvi izmantojot pieejamos CPU kodolus lietotāja datorā. Šī paralēlā izpilde var ievērojami samazināt skaitļošanas ziņā intensīvu operāciju izpildes laiku.

Padomājiet par to kā par restorāna virtuvi. Ar tikai vienu šefpavāru (viena pavediena JavaScript) sarežģītas maltītes sagatavošana prasa ilgu laiku. Ar vairākiem šefpavāriem (WebAssembly pavedieni), no kuriem katrs ir atbildīgs par konkrētu uzdevumu (dārzeņu griešana, mērces gatavošana, gaļas grilēšana), maltīti var pagatavot daudz ātrāk.

Kopīgās atmiņas loma

Kopīgā atmiņa ir būtiska WebAssembly pavedienu sastāvdaļa. Tas ļauj vairākiem pavedieniem piekļūt un modificēt vienu un to pašu atmiņas apgabalu. Tas novērš nepieciešamību pēc dārgas datu kopēšanas starp pavedieniem, padarot komunikāciju un datu koplietošanu daudz efektīvāku. Kopīgā atmiņa parasti tiek ieviesta, izmantojot `SharedArrayBuffer` programmā JavaScript, kuru var nodot WebAssembly modulim.

Iedomājieties tāfeli restorāna virtuvē (kopīgā atmiņa). Visi šefpavāri var redzēt pasūtījumus un pierakstīt piezīmes, receptes un instrukcijas uz tāfeles. Šī kopīgā informācija ļauj viņiem efektīvi koordinēt savu darbu, nerunājot nepārtraukti.

Kā WebAssembly pavedieni un kopīgā atmiņa darbojas kopā

WebAssembly pavedienu un kopīgās atmiņas kombinācija nodrošina jaudīgu vienlaicības modeli. Šeit ir sadalījums par to, kā tie darbojas kopā:

1. Pavedienu veidošana: Galvenais pavediens (parasti JavaScript pavediens) var veidot jaunus WebAssembly pavedienus.
2. Kopīgās atmiņas piešķiršana: `SharedArrayBuffer` tiek izveidots programmā JavaScript un nodots WebAssembly modulim.
3. Pavediena piekļuve: Katrs pavediens WebAssembly modulī var piekļūt datiem kopīgajā atmiņā un tos modificēt.
4. Sinhronizācija: Lai novērstu sacīkšu apstākļus un nodrošinātu datu konsekvenci, tiek izmantoti sinhronizācijas primitīvi, piemēram, atomi, mutexi un nosacījuma mainīgie.
5. Komunikācija: Pavedieni var sazināties savā starpā, izmantojot kopīgo atmiņu, signalizējot notikumus vai nododot datus.

Ieviešanas detaļas un tehnoloģijas

Lai izmantotu WebAssembly pavedienus un kopīgo atmiņu, jums parasti būs jāizmanto tehnoloģiju kombinācija:

• Programmēšanas valodas: Valodas, piemēram, C, C++, Rust un AssemblyScript, var tikt kompilētas WebAssembly. Šīs valodas piedāvā stabilu atbalstu pavedieniem un atmiņas pārvaldībai. Īpaši Rust nodrošina lieliskas drošības funkcijas, lai novērstu datu sacīkstes.
• Emscripten/WASI-SDK: Emscripten ir rīku ķēde, kas ļauj kompilēt C un C++ kodu WebAssembly. WASI-SDK ir vēl viena rīku ķēde ar līdzīgām iespējām, kas koncentrējas uz standartizēta sistēmas interfeisa nodrošināšanu WebAssembly, uzlabojot tā pārnesamību.
• WebAssembly API: WebAssembly JavaScript API nodrošina nepieciešamās funkcijas WebAssembly instanču izveidei, piekļuvei atmiņai un pavedienu pārvaldībai.
• JavaScript Atomics: JavaScript objekts `Atomics` nodrošina atomu darbības, kas nodrošina pavedieniem drošu piekļuvi kopīgai atmiņai. Šīs darbības ir būtiskas sinhronizācijai.
• Pārlūkprogrammas atbalsts: Mūsdienu pārlūkprogrammas (Chrome, Firefox, Safari, Edge) nodrošina labu atbalstu WebAssembly pavedieniem un kopīgai atmiņai. Tomēr ir ļoti svarīgi pārbaudīt pārlūkprogrammas saderību un nodrošināt atgriešanos vecākām pārlūkprogrammām. Drošības nolūkos parasti ir nepieciešami Cross-Origin Isolation galvenes, lai iespējotu SharedArrayBuffer lietošanu.

Piemērs: Paralēlā attēlu apstrāde

Apsveriet praktisku piemēru: paralēlu attēlu apstrādi. Pieņemsim, ka vēlaties lietot filtru lielam attēlam. Tā vietā, lai apstrādātu visu attēlu vienā pavedienā, jūs varat to sadalīt mazākos blokos un apstrādāt katru bloku atsevišķā pavedienā.

1. Sadalīt attēlu: Sadaliet attēlu vairākos taisnstūra reģionos.
2. Piešķirt kopīgo atmiņu: Izveidojiet `SharedArrayBuffer`, lai glabātu attēla datus.
3. Izveidot pavedienus: Izveidojiet WebAssembly instanci un izveidojiet vairākus darbinieku pavedienus.
4. Piešķirt uzdevumus: Piešķiriet katram pavedienam konkrētu attēla apgabalu apstrādei.
5. Lietot filtru: Katrs pavediens lieto filtru savam piešķirtajam attēla apgabalā.
6. Apvienot rezultātus: Kad visi pavedieni ir pabeiguši apstrādi, apvienojiet apstrādātos reģionus, lai izveidotu galīgo attēlu.

Šī paralēlā apstrāde var ievērojami samazināt laiku, kas nepieciešams filtra lietošanai, īpaši lieliem attēliem. Valodas, piemēram, Rust ar tādām bibliotēku kā `image` un atbilstošiem vienlaicības primitīviem, ir labi piemērotas šim uzdevumam.

Koda piemērs (konceptuāls - Rust):

Šis piemērs ir vienkāršots un parāda vispārējo ideju. Faktiskā ieviešana prasītu detalizētāku kļūdu apstrādi un atmiņas pārvaldību.

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

fn process_image_region(region: &mut [u8]) {
    // Lietot attēla filtru apgabalam
    for pixel in region.iter_mut() {
        *pixel = *pixel / 2; // Piemēra filtrs: uz pusi samazināt pikseļa vērtību
    }
}

fn main() {
    let image_data: Vec = vec![255; 1024 * 1024]; // Piemēra attēla dati
    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` tagad satur apstrādāto attēlu
}

Šis vienkāršotais Rust piemērs demonstrē pamatprincipu, kā sadalīt attēlu reģionos un apstrādāt katru reģionu atsevišķā pavedienā, izmantojot kopīgo atmiņu (izmantojot `Arc` un `Mutex` drošai piekļuvei šajā piemērā). Kompilēts wasm modulis kopā ar nepieciešamajiem JS sastatnēm tiktu izmantots pārlūkprogrammā.

WebAssembly pavedienu izmantošanas priekšrocības

WebAssembly pavedienu un kopīgās atmiņas izmantošanas priekšrocības ir daudzas:

• Uzlabota veiktspēja: Paralēlā izpilde var ievērojami samazināt skaitļošanas ziņā intensīvu uzdevumu izpildes laiku.
• Paaugstināta reaģētspēja: Pārsūtot uzdevumus uz fona pavedieniem, galvenais pavediens paliek brīvs lietotāju mijiedarbībai, kā rezultātā lietotāja interfeiss ir reaģētspējīgāks.
• Labāka resursu izmantošana: Pavedieni ļauj efektīvi izmantot vairākus CPU kodolus.
• Koda atkārtota izmantošana: Esošo kodu, kas rakstīts tādās valodās kā C, C++ un Rust, var kompilēt WebAssembly un atkārtoti izmantot tīmekļa lietojumprogrammās.

Izaicinājumi un apsvērumi

Lai gan WebAssembly pavedieni piedāvā ievērojamas priekšrocības, ir arī daži izaicinājumi un apsvērumi, kas jāpatur prātā:

• Sarežģītība: Daudzpavedienu programmēšana ievieš sarežģītību attiecībā uz sinhronizāciju, datu sacīkstēm un strupceļiem.
• Atkļūdošana: Daudzpavedienu lietojumprogrammu atkļūdošana var būt sarežģīta pavedienu izpildes nenoteiktā rakstura dēļ.
• Pārlūkprogrammas saderība: Nodrošiniet labu pārlūkprogrammu atbalstu WebAssembly pavedieniem un kopīgai atmiņai. Izmantojiet funkciju noteikšanu un nodrošiniet atbilstošas atgriešanās vecākām pārlūkprogrammām. Konkrēti, pievērsiet uzmanību Cross-Origin Isolation prasībām.
• Drošība: Pareizi sinhronizējiet piekļuvi kopīgai atmiņai, lai novērstu sacīkšu apstākļus un drošības ievainojamības.
• Atmiņas pārvaldība: Rūpīga atmiņas pārvaldība ir ļoti svarīga, lai izvairītos no atmiņas noplūdēm un citām ar atmiņu saistītām problēmām.
• Rīki un bibliotēkas: Izmantojiet esošos rīkus un bibliotēkas, lai vienkāršotu izstrādes procesu. Piemēram, izmantojiet vienlaicības bibliotēkas programmā Rust vai C++, lai pārvaldītu pavedienus un sinhronizāciju.

Lietošanas gadījumi

WebAssembly pavedieni un kopīgā atmiņa ir īpaši piemēroti lietojumprogrammām, kurām nepieciešama augsta veiktspēja un reaģētspēja:

• Spēles: Sarežģītas grafikas renderēšana, fizikas simulāciju apstrāde un spēles loģikas pārvaldība. AAA spēles no tā var gūt milzīgu labumu.
• Attēlu un video rediģēšana: Filtru lietošana, mediju failu kodēšana un atkodēšana, kā arī citu attēlu un video apstrādes uzdevumu veikšana.
• Zinātniskās simulācijas: Sarežģītu simulāciju palaidšana tādās jomās kā fizika, ķīmija un bioloģija.
• Finanšu modelēšana: Sarežģītu finanšu aprēķinu un datu analīzes veikšana. Piemēram, opciju cenu noteikšanas algoritmi.
• Mašīnmācīšanās: Mašīnmācīšanās modeļu apmācība un palaišana.
• CAD un inženierijas lietojumprogrammas: 3D modeļu renderēšana un inženierijas simulāciju veikšana.
• Audio apstrāde: Reāllaika audio analīze un sintēze. Piemēram, digitālo audio darbstaciju (DAW) ieviešana pārlūkprogrammā.

Labākā prakse WebAssembly pavedienu izmantošanai

Lai efektīvi izmantotu WebAssembly pavedienus un kopīgo atmiņu, ievērojiet šo labāko praksi:

• Identificējiet paralēli apstrādājamus uzdevumus: Rūpīgi analizējiet savu lietojumprogrammu, lai identificētu uzdevumus, kurus var efektīvi paralēlā veidā apstrādāt.
• Samaziniet piekļuvi kopīgai atmiņai: Samaziniet datu apjomu, kas jākoplieto starp pavedieniem, lai samazinātu sinhronizācijas režiju.
• Izmantojiet sinhronizācijas primitīvus: Izmantojiet atbilstošus sinhronizācijas primitīvus (atomi, mutexi, nosacījuma mainīgie), lai novērstu sacīkšu apstākļus un nodrošinātu datu konsekvenci.
• Izvairieties no strupceļiem: Rūpīgi izstrādājiet savu kodu, lai izvairītos no strupceļiem. Izveidojiet skaidru bloķēšanas iegādes un atbrīvošanas kārtību.
• Pārbaudiet rūpīgi: Rūpīgi pārbaudiet savu daudzpavedienu kodu, lai identificētu un novērstu kļūdas. Izmantojiet atkļūdošanas rīkus, lai pārbaudītu pavedienu izpildi un piekļuvi atmiņai.
• Profilējiet savu kodu: Profilējiet savu kodu, lai identificētu veiktspējas šķēršļus un optimizētu pavedienu izpildi.
• Apsveriet augstāka līmeņa abstrakciju izmantošanu: Izpētiet augstāka līmeņa vienlaicības abstrakciju izmantošanu, ko nodrošina tādas valodas kā Rust vai tādas bibliotēkas kā Intel TBB (Threading Building Blocks), lai vienkāršotu pavedienu pārvaldību.
• Sāciet no maziem: Sāciet ar pavedienu ieviešanu mazos, labi definētos jūsu lietojumprogrammas sadaļās. Tas ļauj jums iemācīties WebAssembly pavedienu darbības sarežģītību, neuztraucoties par sarežģītību.
• Koda pārskatīšana: Veiciet rūpīgus koda pārskatus, īpaši koncentrējoties uz pavedienu drošību un sinhronizāciju, lai agri atklātu iespējamās problēmas.
• Dokumentējiet savu kodu: Skaidri dokumentējiet savu pavedienu modeli, sinhronizācijas mehānismus un visas iespējamās vienlaicības problēmas, lai atvieglotu uzturēšanu un sadarbību.

WebAssembly pavedienu nākotne

WebAssembly pavedieni joprojām ir salīdzinoši jauna tehnoloģija, un tiek gaidīta nepārtraukta attīstība un uzlabojumi. Turpmāka attīstība var ietvert:

• Uzlaboti rīki: Labāki atkļūdošanas rīki un IDE atbalsts daudzpavedienu WebAssembly lietojumprogrammām.
• Standartizēti API: Standartizētāki API pavedienu pārvaldībai un sinhronizācijai. WASI (WebAssembly System Interface) ir galvenā attīstības joma.
• Veiktspējas optimizācijas: Turpmāka veiktspējas optimizācija, lai samazinātu pavedienu režiju un uzlabotu piekļuvi atmiņai.
• Valodu atbalsts: Uzlabots atbalsts WebAssembly pavedieniem vairāk programmēšanas valodās.

Secinājums

WebAssembly pavedieni un kopīgā atmiņa ir jaudīgas funkcijas, kas paver jaunas iespējas augstas veiktspējas, reaģētspējīgu tīmekļa lietojumprogrammu veidošanai. Izmantojot daudzpavedienu darbības spēku, jūs varat pārvarēt JavaScript viena pavediena dabas ierobežojumus un izveidot tīmekļa pieredzi, kas iepriekš nebija iespējama. Lai gan ir problēmas, kas saistītas ar daudzpavedienu programmēšanu, ieguvumi veiktspējas un reaģētspējas ziņā padara to par vērtīgu ieguldījumu izstrādātājiem, kas veido sarežģītas tīmekļa lietojumprogrammas.

Tā kā WebAssembly turpina attīstīties, pavedieniem neapšaubāmi būs arvien svarīgāka loma tīmekļa izstrādes nākotnē. Izmantojiet šo tehnoloģiju un izpētiet tās potenciālu, lai radītu pārsteidzošu tīmekļa pieredzi.