WebAssembly WASI pavedienu modelis: dziļa iedziļināšanās daudzpavedienu saskarnes dizainā

WebAssembly (Wasm) ir revolucionizējis tīmekļa izstrādi, nodrošinot pārnēsājamu, efektīvu un drošu izpildes vidi. Tā spēja darbināt kodu gandrīz dzimtā ātrumā pārlūkprogrammā un citās vidēs ir padarījusi to par populāru izvēli dažādām lietojumprogrammām. Tomēr līdz nesenam laikam WebAssembly trūka standartizēta pavedienu modeļa, kas ierobežoja tā spēju pilnībā izmantot moderno daudzkodolu procesoru potenciālu. WebAssembly System Interface (WASI) risina šo ierobežojumu, ieviešot standartizētu veidu, kā piekļūt sistēmas resursiem, tostarp pavedieniem, no WebAssembly moduļiem. Šis raksts pēta WASI pavedienu modeli, tā daudzpavedienu saskarnes dizainu, tā sniegtās priekšrocības, izaicinājumus un tā ietekmi uz starpplatformu izstrādi.

Izpratne par WebAssembly un WASI

Pirms iedziļināties WASI pavedienu modeļa specifikā, ir svarīgi izprast WebAssembly un WASI pamatjēdzienus.

Kas ir WebAssembly?

WebAssembly (Wasm) ir binārs instrukciju formāts, kas izstrādāts kā pārnēsājams kompilācijas mērķis programmēšanas valodām, ļaujot to izvietot tīmeklī klientu un serveru lietojumprogrammām. Tas ir paredzēts, lai darbotos gandrīz dzimtā ātrumā, izmantojot kopējās aparatūras iespējas, kas pieejamas plašā platformu klāstā. Galvenās WebAssembly iezīmes ir:

• Pārnesamība: WebAssembly moduļi var darboties jebkurā vidē, kas atbalsta WebAssembly standartu, tostarp tīmekļa pārlūkprogrammās, servera puses izpildlaikos un iegultās sistēmās.
• Veiktspēja: WebAssembly ir izstrādāts augstai veiktspējai, ļaujot lietojumprogrammām darboties ar ātrumu, kas salīdzināms ar dzimto kodu.
• Drošība: WebAssembly nodrošina izolētu (sandboxed) izpildes vidi, neļaujot ļaunprātīgam kodam piekļūt sistēmas resursiem bez skaidras atļaujas.
• Efektivitāte: WebAssembly moduļi parasti ir mazāki nekā ekvivalents JavaScript kods, kas nodrošina ātrāku lejupielādes un startēšanas laiku.

Kas ir WASI?

WebAssembly System Interface (WASI) ir modulāra sistēmas saskarne WebAssembly. Tā nodrošina standartizētu veidu, kā WebAssembly moduļi var piekļūt sistēmas resursiem, piemēram, failiem, tīkla ligzdām un tagad arī pavedieniem. WASI mērķis ir atrisināt problēmu, kas saistīta ar WebAssembly ierobežoto piekļuvi resursdatora videi, definējot sistēmas izsaukumu kopu, ko WebAssembly moduļi var izmantot, lai mijiedarbotos ar ārpasauli. Galvenie WASI aspekti ir:

• Standardizācija: WASI nodrošina standartizētu saskarni piekļuvei sistēmas resursiem, nodrošinot, ka WebAssembly moduļi var darboties konsekventi dažādās platformās.
• Drošība: WASI īsteno uz spējām balstītu drošības modeli, ļaujot lietojumprogrammām piekļūt tikai tiem resursiem, kas tām ir nepārprotami nepieciešami.
• Modularitāte: WASI ir izstrādāts kā modulārs, ļaujot izstrādātājiem izvēlēties, kuras sistēmas saskarnes nepieciešamas viņu lietojumprogrammām, samazinot WebAssembly moduļa kopējo izmēru un sarežģītību.
• Starpplatformu saderība: WASI mērķis ir nodrošināt konsekventu saskarni dažādās operētājsistēmās, veicinot starpplatformu izstrādi.

Nepieciešamība pēc pavedienu modeļa WebAssembly

Tradicionāli WebAssembly darbojās vienpavediena vidē. Lai gan šis modelis nodrošināja vienkāršību un drošību, tas ierobežoja spēju pilnībā izmantot modernos daudzkodolu procesorus. Daudzas lietojumprogrammas, piemēram, attēlu apstrāde, zinātniskās simulācijas un spēļu izstrāde, var gūt ievērojamu labumu no paralēlās apstrādes, izmantojot vairākus pavedienus. Bez standartizēta pavedienu modeļa izstrādātājiem bija jāpaļaujas uz pagaidu risinājumiem, piemēram:

• Web Workers: Tīmekļa pārlūkprogrammās Web Workers var izmantot, lai pārvietotu uzdevumus uz atsevišķiem pavedieniem. Tomēr šai pieejai ir ierobežojumi attiecībā uz saziņu un datu koplietošanu starp galveno pavedienu un darbiniekiem (workers).
• Asinhronās operācijas: Asinhronās operācijas var uzlabot atsaucību, bet tās nenodrošina patiesu paralēlo apstrādi.
• Pielāgoti risinājumi: Izstrādātāji ir radījuši pielāgotus risinājumus konkrētām platformām, bet tiem trūkst standartizācijas un pārnesamības.

WASI pavedienu modeļa ieviešana risina šos ierobežojumus, nodrošinot standartizētu un efektīvu veidu, kā izveidot un pārvaldīt pavedienus WebAssembly moduļos. Tas ļauj izstrādātājiem rakstīt lietojumprogrammas, kas var pilnībā izmantot pieejamos aparatūras resursus, tādējādi uzlabojot veiktspēju un mērogojamību.

WASI pavedienu modelis: dizains un ieviešana

WASI pavedienu modelis ir izstrādāts, lai nodrošinātu zema līmeņa saskarni pavedienu izveidei un pārvaldībai WebAssembly moduļos. Tas balstās uz esošo WASI API un ievieš jaunus sistēmas izsaukumus pavedienu izveidei, sinhronizācijai un saziņai. Galvenie WASI pavedienu modeļa komponenti ir:

Koplietojamā atmiņa

Koplietojamā atmiņa ir daudzpavedienošanas pamatjēdziens. Tā ļauj vairākiem pavedieniem piekļūt vienam un tam pašam atmiņas apgabalam, nodrošinot efektīvu datu koplietošanu un saziņu. WASI pavedienu modelis paļaujas uz koplietojamo atmiņu, lai veicinātu saziņu starp pavedieniem. Tas nozīmē, ka vairākas WebAssembly instances var piekļūt tai pašai lineārajai atmiņai, kas ļauj pavedieniem šajās instancēs koplietot datus.

Koplietojamās atmiņas funkcija tiek iespējota, izmantojot memory.atomic.enable priekšlikumu, kas ievieš jaunas instrukcijas atomārām atmiņas operācijām. Atomārās operācijas nodrošina, ka atmiņas piekļuves tiek sinhronizētas, novēršot sacensību stāvokļus (race conditions) un datu bojājumus. Atomāro operāciju piemēri ir:

• Atomārās ielādes un saglabāšanas: Šīs operācijas ļauj pavedieniem atomāri lasīt un rakstīt atmiņas vietās.
• Atomārā salīdzināšana un apmaiņa: Šī operācija ļauj pavedienam atomāri salīdzināt atmiņas vietu ar norādīto vērtību un, ja tās ir vienādas, aizstāt vērtību ar jaunu vērtību.
• Atomārā saskaitīšana, atņemšana, And, Or, Xor: Šīs operācijas ļauj pavedieniem atomāri veikt aritmētiskas un bitu operācijas ar atmiņas vietām.

Atomāro operāciju izmantošana ir izšķiroša, lai nodrošinātu daudzpavedienu lietojumprogrammu pareizību un uzticamību.

Pavedienu izveide un pārvaldība

WASI pavedienu modelis nodrošina sistēmas izsaukumus pavedienu izveidei un pārvaldībai. Šie sistēmas izsaukumi ļauj WebAssembly moduļiem izveidot jaunus pavedienus, iestatīt to steka izmēru un sākt to izpildi. Galvenie sistēmas izsaukumi pavedienu izveidei un pārvaldībai ir:

• thread.spawn: Šis sistēmas izsaukums izveido jaunu pavedienu. Tas kā argumentu pieņem funkcijas rādītāju, kas norāda jaunā pavediena ieejas punktu.
• thread.exit: Šis sistēmas izsaukums pārtrauc pašreizējo pavedienu.
• thread.join: Šis sistēmas izsaukums gaida, kamēr pavediens beigs darbu. Tas kā argumentu pieņem pavediena ID un bloķējas, līdz norādītais pavediens ir beidzis darbu.
• thread.id: Šis sistēmas izsaukums atgriež pašreizējā pavediena ID.

Šie sistēmas izsaukumi nodrošina pamata, bet būtisku rīku kopumu pavedienu pārvaldībai WebAssembly moduļos.

Sinhronizācijas primitīvi

Sinhronizācijas primitīvi ir būtiski, lai koordinētu vairāku pavedienu izpildi un novērstu sacensību stāvokļus. WASI pavedienu modelis ietver vairākus sinhronizācijas primitīvus, piemēram:

• Muteksi: Muteksi (savstarpējās izslēgšanas bloķētāji) tiek izmantoti, lai aizsargātu koplietojamos resursus no vienlaicīgas piekļuves. Pavedienam ir jāiegūst mutekss pirms piekļuves aizsargātam resursam un jāatbrīvo mutekss, kad tas ir pabeidzis. WASI pavedienu modelis nodrošina sistēmas izsaukumus muteksu izveidei, bloķēšanai un atbloķēšanai.
• Nosacījuma mainīgie: Nosacījuma mainīgie tiek izmantoti, lai signalizētu pavedieniem, kad ir izpildījies noteikts nosacījums. Pavediens var gaidīt uz nosacījuma mainīgo, līdz cits pavediens to signalizē. WASI pavedienu modelis nodrošina sistēmas izsaukumus nosacījuma mainīgo izveidei, gaidīšanai un signalizēšanai.
• Semafori: Semafori tiek izmantoti, lai kontrolētu piekļuvi ierobežotam resursu skaitam. Semafors uztur skaitītāju, kas attēlo pieejamo resursu skaitu. Pavedieni var samazināt skaitītāju, lai iegūtu resursu, un palielināt skaitītāju, lai atbrīvotu resursu. WASI pavedienu modelis nodrošina sistēmas izsaukumus semaforu izveidei, gaidīšanai un publicēšanai.

Šie sinhronizācijas primitīvi ļauj izstrādātājiem rakstīt sarežģītas daudzpavedienu lietojumprogrammas, kas var droši un efektīvi koplietot resursus.

Atomārās operācijas

Kā minēts iepriekš, atomārās operācijas ir izšķirošas, lai nodrošinātu daudzpavedienu lietojumprogrammu pareizību. WASI pavedienu modelis paļaujas uz memory.atomic.enable priekšlikumu, lai nodrošinātu atomārās atmiņas operācijas. Šīs operācijas ļauj pavedieniem atomāri lasīt un rakstīt atmiņas vietās, novēršot sacensību stāvokļus un datu bojājumus.

WASI pavedienu modeļa priekšrocības

WASI pavedienu modelis piedāvā vairākas būtiskas priekšrocības WebAssembly izstrādātājiem:

• Uzlabota veiktspēja: Iespējojot paralēlo apstrādi, WASI pavedienu modelis ļauj lietojumprogrammām pilnībā izmantot modernos daudzkodolu procesorus, tādējādi uzlabojot veiktspēju un mērogojamību.
• Standardizācija: WASI pavedienu modelis nodrošina standartizētu veidu, kā izveidot un pārvaldīt pavedienus, nodrošinot, ka lietojumprogrammas var darboties konsekventi dažādās platformās.
• Pārnesamība: WebAssembly moduļus, kas izmanto WASI pavedienu modeli, var viegli pārnest uz dažādām vidēm, tostarp tīmekļa pārlūkprogrammām, servera puses izpildlaikiem un iegultām sistēmām.
• Vienkāršota izstrāde: WASI pavedienu modelis nodrošina zema līmeņa saskarni pavedienu pārvaldībai, vienkāršojot daudzpavedienu lietojumprogrammu izstrādi.
• Uzlabota drošība: WASI pavedienu modelis ir izstrādāts, domājot par drošību, īstenojot uz spējām balstītu drošības modeli un nodrošinot atomārās operācijas, lai novērstu sacensību stāvokļus.

WASI pavedienu modeļa izaicinājumi

Lai gan WASI pavedienu modelis piedāvā daudzas priekšrocības, tas rada arī vairākus izaicinājumus:

• Sarežģītība: Daudzpavedienu programmēšana pēc būtības ir sarežģīta, un tai nepieciešama rūpīga uzmanība sinhronizācijai un datu koplietošanai. Izstrādātājiem ir jāizprot WASI pavedienu modeļa smalkumi, lai rakstītu pareizas un efektīvas daudzpavedienu lietojumprogrammas.
• Atkļūdošana: Daudzpavedienu lietojumprogrammu atkļūdošana var būt sarežģīta, jo sacensību stāvokļus un strupceļus (deadlocks) var būt grūti reproducēt un diagnosticēt. Izstrādātājiem ir jāizmanto specializēti atkļūdošanas rīki, lai identificētu un novērstu šīs problēmas.
• Veiktspējas pieskaitāmās izmaksas: Pavedienu izveide un sinhronizācija var radīt veiktspējas pieskaitāmās izmaksas, īpaši, ja tās netiek izmantotas apdomīgi. Izstrādātājiem ir rūpīgi jāoptimizē savas daudzpavedienu lietojumprogrammas, lai samazinātu šīs pieskaitāmās izmaksas.
• Drošības riski: Nepareiza koplietojamās atmiņas un sinhronizācijas primitīvu izmantošana var radīt drošības riskus, piemēram, sacensību stāvokļus un datu bojājumus. Lai mazinātu šos riskus, izstrādātājiem ir jāievēro labākās prakses drošai daudzpavedienu programmēšanai.
• Saderība: WASI pavedienu modelis joprojām ir salīdzinoši jauns, un ne visi WebAssembly izpildlaiki to pilnībā atbalsta. Pirms tā izmantošanas lietojumprogrammās izstrādātājiem ir jāpārliecinās, ka viņu mērķa izpildlaiks atbalsta WASI pavedienu modeli.

WASI pavedienu modeļa pielietojuma gadījumi

WASI pavedienu modelis paver jaunas iespējas WebAssembly lietojumprogrammām dažādās jomās. Daži potenciālie pielietojuma gadījumi ir:

• Attēlu un video apstrāde: Attēlu un video apstrādes uzdevumus, piemēram, kodēšanu, dekodēšanu un filtrēšanu, var paralelizēt, izmantojot vairākus pavedienus, tādējādi ievērojami uzlabojot veiktspēju.
• Zinātniskās simulācijas: Zinātniskās simulācijas, piemēram, laika prognozēšana un molekulārā dinamika, bieži ietver skaitļošanas ziņā intensīvus aprēķinus, kurus var paralelizēt, izmantojot vairākus pavedienus.
• Spēļu izstrāde: Spēļu izstrādes uzdevumi, piemēram, fizikas simulācija, mākslīgā intelekta apstrāde un renderēšana, var gūt labumu no paralēlās apstrādes, izmantojot vairākus pavedienus.
• Datu analīze: Datu analīzes uzdevumus, piemēram, datu ieguvi un mašīnmācīšanos, var paātrināt, izmantojot paralēlo apstrādi ar vairākiem pavedieniem.
• Servera puses lietojumprogrammas: Servera puses lietojumprogrammas, piemēram, tīmekļa serveri un datu bāzu serveri, var apstrādāt vairākus vienlaicīgus pieprasījumus, izmantojot vairākus pavedienus.

Praktiski piemēri

Lai ilustrētu WASI pavedienu modeļa izmantošanu, apsveriet vienkāršu piemēru, kurā tiek aprēķināta masīva summa, izmantojot vairākus pavedienus. Masīvs tiek sadalīts gabalos, un katrs pavediens aprēķina tam piešķirtā gabala summu. Galīgā summa tiek aprēķināta, saskaitot katra pavediena daļējās summas.

Šeit ir konceptuāls koda izklāsts:

1. Inicializēt koplietojamo atmiņu: Piešķirt koplietojamās atmiņas apgabalu, kuram var piekļūt visi pavedieni.
2. Izveidot pavedienus: Izveidot vairākus pavedienus, izmantojot thread.spawn. Katrs pavediens saņem apstrādei masīva daļu.
3. Aprēķināt daļējās summas: Katrs pavediens aprēķina tam piešķirtās daļas summu un saglabā rezultātu koplietojamās atmiņas vietā.
4. Sinhronizācija: Izmantot muteksu, lai aizsargātu koplietojamās atmiņas vietu, kur tiek glabātas daļējās summas. Izmantot nosacījuma mainīgo, lai signalizētu, kad visi pavedieni ir pabeiguši savus aprēķinus.
5. Aprēķināt galīgo summu: Pēc tam, kad visi pavedieni ir pabeigti, galvenais pavediens nolasa daļējās summas no koplietojamās atmiņas vietas un aprēķina galīgo summu.

Lai gan faktiskā ieviešana ietver zemāka līmeņa detaļas tādās valodās kā C/C++, kas kompilētas uz WebAssembly, šis piemērs parāda, kā var izveidot pavedienus, koplietot datus un panākt sinhronizāciju, izmantojot WASI-threads.

Vēl viens piemērs varētu būt attēlu apstrāde. Iedomājieties, ka lielam attēlam tiek piemērots filtrs. Katrs pavediens varētu būt atbildīgs par filtra piemērošanu attēla daļai. Tas ir klasisks piemērs apkaunojoši paralēlai skaitļošanai (embarrassingly parallel computation).

Ietekme uz starpplatformu izstrādi

WASI pavedienu modelim ir būtiska ietekme uz starpplatformu izstrādi. Nodrošinot standartizētu veidu, kā piekļūt pavedieniem, tas ļauj izstrādātājiem rakstīt lietojumprogrammas, kas var darboties konsekventi dažādās platformās bez izmaiņām. Tas samazina pūles, kas nepieciešamas, lai pārnestu lietojumprogrammas uz dažādām vidēm, un ļauj izstrādātājiem koncentrēties uz savu lietojumprogrammu pamatloģiku, nevis uz platformai specifiskām detaļām.

Tomēr ir svarīgi atzīmēt, ka WASI pavedienu modelis joprojām attīstās, un ne visas platformas to pilnībā atbalsta. Izstrādātājiem ir rūpīgi jāpārbauda savas lietojumprogrammas dažādās platformās, lai nodrošinātu to pareizu darbību. Turklāt izstrādātājiem ir jābūt informētiem par platformai specifiskām veiktspējas īpašībām un attiecīgi jāoptimizē savas lietojumprogrammas.

WASI pavedienošanas nākotne

WASI pavedienu modelis ir nozīmīgs solis uz priekšu WebAssembly izstrādē. Paredzams, ka, modelim nobriestot un kļūstot plašāk pieņemtam, tam būs dziļa ietekme uz starpplatformu izstrādes nākotni. Nākotnes attīstība var ietvert:

• Uzlabota veiktspēja: Pastāvīgie centieni optimizēt WASI pavedienu modeļa veiktspēju radīs ātrākas un efektīvākas daudzpavedienu lietojumprogrammas.
• Uzlabota drošība: Turpmākie pētījumi un izstrāde koncentrēsies uz WASI pavedienu modeļa drošības uzlabošanu, mazinot iespējamos riskus un nodrošinot daudzpavedienu lietojumprogrammu integritāti.
• Paplašināta funkcionalitāte: Nākamajās WASI pavedienu modeļa versijās varētu būt iekļauti papildu sistēmas izsaukumi un sinhronizācijas primitīvi, nodrošinot izstrādātājiem vairāk rīku sarežģītu daudzpavedienu lietojumprogrammu izveidei.
• Plašāka pieņemšana: Tā kā WASI pavedienu modelis kļūs arvien plašāk atbalstīts WebAssembly izpildlaikos, tas kļūs par arvien pievilcīgāku iespēju izstrādātājiem, kas veido starpplatformu lietojumprogrammas.

Noslēgums

WASI pavedienu modelis ir nozīmīgs sasniegums WebAssembly tehnoloģijā, kas ļauj izstrādātājiem izmantot daudzkodolu procesoru jaudu plašam lietojumprogrammu klāstam. Nodrošinot standartizētu, pārnēsājamu un drošu pavedienu saskarni, WASI dod izstrādātājiem iespēju rakstīt augstas veiktspējas lietojumprogrammas, kas var darboties konsekventi dažādās platformās. Lai gan joprojām pastāv izaicinājumi saistībā ar sarežģītību, atkļūdošanu un saderību, WASI pavedienu modeļa priekšrocības ir nenoliedzamas. Tā kā modelis turpina attīstīties un nobriest, tas sola spēlēt arvien svarīgāku lomu WebAssembly izstrādes un starpplatformu skaitļošanas nākotnē. Šīs tehnoloģijas pieņemšana ļaus izstrādātājiem visā pasaulē radīt jaudīgākas un efektīvākas lietojumprogrammas, paplašinot WebAssembly iespēju robežas.

Paredzams, ka WebAssembly un WASI globālā ietekme pieaugs, jo arvien vairāk organizāciju un izstrādātāju pieņems šīs tehnoloģijas. No tīmekļa lietojumprogrammu veiktspējas uzlabošanas līdz jaunu servera puses un iegulto lietojumprogrammu iespējošanai, WebAssembly piedāvā daudzpusīgu un efektīvu risinājumu plašam lietojuma gadījumu klāstam. Tā kā WASI pavedienu modelis nobriest, tas vēl vairāk atraisīs WebAssembly potenciālu, bruģējot ceļu veiktspējīgākai, drošākai un pārnēsājamākai programmatūras izstrādes nākotnei visā pasaulē.