Varnost niti v sočasnih zbirkah JavaScript: obvladovanje podatkovnih struktur, varnih za niti

Ker se aplikacije JavaScript povečujejo po kompleksnosti, je potreba po učinkovitem in zanesljivem upravljanju sočasnosti vse bolj ključna. Čeprav je JavaScript tradicionalno enoniten, sodobna okolja, kot sta Node.js in spletni brskalniki, ponujajo mehanizme za sočasnost prek spletnih delavcev in asinhronih operacij. To uvaja možnost tekmovalnih pogojev in poškodovanja podatkov, ko več niti ali asinhronih opravil dostopa do deljenih podatkov in jih spreminja. Ta objava raziskuje izzive varnosti niti v sočasnih zbirkah JavaScript in ponuja praktične strategije za ustvarjanje robustnih in zanesljivih aplikacij.

Razumevanje sočasnosti v JavaScriptu

Zanka dogodkov JavaScript omogoča asinhrono programiranje, ki omogoča izvajanje operacij brez blokiranja glavne niti. Čeprav to zagotavlja sočasnost, ne ponuja prirojene resnične vzporednosti, kot jo vidimo v večnitnih jezikih. Vendar pa spletni delavci omogočajo izvajanje kode JavaScript v ločenih nitih, kar omogoča resnično vzporedno obdelavo. Ta zmogljivost je še posebej dragocena za računalniško zahtevna opravila, ki bi sicer blokirala glavno nit in vodila do slabe uporabniške izkušnje.

Spletni delavci: Odgovor JavaScripta na večnitenje

Spletni delavci so skripti v ozadju, ki se izvajajo neodvisno od glavne niti. Komunicirajo z glavno nitjo s sistemom posredovanja sporočil. Ta izolacija zagotavlja, da napake ali dolgotrajna opravila v spletnem delavcu ne vplivajo na odzivnost glavne niti. Spletni delavci so idealni za opravila, kot so obdelava slik, kompleksni izračuni in analiza podatkov.

Asinhrono programiranje in zanka dogodkov

Asinhrone operacije, kot so omrežne zahteve in I/O datotek, obravnava zanka dogodkov. Ko se sproži asinhrona operacija, se prenese v brskalnik ali runtime Node.js. Ko se operacija konča, se povratna funkcija postavi v čakalno vrsto zanke dogodkov. Zanka dogodkov nato izvede povratno funkcijo, ko je glavna nit na voljo. Ta neblokirajoči pristop omogoča JavaScriptu, da hkrati obravnava več operacij, ne da bi zamrznil uporabniški vmesnik.

Izzivi varnosti niti

Varnost niti se nanaša na sposobnost programa, da se pravilno izvaja, tudi ko več niti hkrati dostopa do deljenih podatkov. V enonitnem okolju varnost niti na splošno ni zaskrbljujoča, ker se lahko hkrati zgodi samo ena operacija. Vendar pa lahko do tekmovalnih pogojev pride, ko več niti ali asinhronih opravil dostopa do deljenih podatkov in jih spreminja, kar vodi do nepredvidljivih in potencialno katastrofalnih rezultatov. Tekmovalni pogoji nastanejo, ko je rezultat izračuna odvisen od nepredvidljivega vrstnega reda, v katerem se izvajajo več niti.

Tekmovalni pogoji: Pogost vir napak

Tekmovalni pogoj se pojavi, ko več niti hkrati dostopa do deljenih podatkov in jih spreminja, končni rezultat pa je odvisen od specifičnega vrstnega reda, v katerem se niti izvajajo. Razmislite o preprostem primeru, kjer dve niti povečata deljeni števec:

            let counter = 0;

function incrementCounter() {
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    counter++;
  }
}

const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

worker1.postMessage('start');
worker2.postMessage('start');

worker1.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 1 finished');
};

worker2.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 2 finished');
  console.log('Final counter value:', counter);
};

// worker.js
self.onmessage = function(event) {
  if (event.data === 'start') {
    incrementCounter();
    self.postMessage('done');
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

Idealno bi morala biti končna vrednost `counter` 200000. Vendar pa je zaradi tekmovalnega pogoja dejanska vrednost pogosto znatno manjša. To je zato, ker obe niti hkrati bereta in pišeta v `counter`, posodobitve pa se lahko prepletajo na nepredvidljive načine, kar vodi do izgubljenih posodobitev.

Poškodba podatkov: Resna posledica

Tekmovalni pogoji lahko vodijo do poškodb podatkov, kjer postanejo deljeni podatki nedosledni ali neveljavni. To ima lahko resne posledice, zlasti v aplikacijah, ki se zanašajo na točne podatke, kot so finančni sistemi, medicinski pripomočki in nadzorni sistemi. Poškodbe podatkov je morda težko odkriti in odpraviti, saj so simptomi lahko občasni in nepredvidljivi.

Podatkovne strukture, varne za niti, v JavaScriptu

Za zmanjšanje tveganja tekmovalnih pogojev in poškodb podatkov je bistveno uporabljati podatkovne strukture, varne za niti, in vzorce sočasnosti. Podatkovne strukture, varne za niti, so zasnovane tako, da zagotavljajo sinhroniziran sočasni dostop do deljenih podatkov in ohranjajo celovitost podatkov. Čeprav JavaScript nima vgrajenih podatkovnih struktur, varnih za niti, na enak način kot nekateri drugi jeziki (kot je Java's `ConcurrentHashMap`), obstaja več strategij, ki jih lahko uporabite za doseganje varnosti niti.

Atomske operacije

Atomske operacije so operacije, za katere je zagotovljeno, da se izvedejo kot ena sama, nedeljiva enota. To pomeni, da nobena druga nit ne more prekiniti atomske operacije, medtem ko poteka. Atomske operacije so temeljni gradnik za podatkovne strukture, varne za niti, in nadzor sočasnosti. JavaScript ponuja omejeno podporo za atomske operacije prek objekta `Atomics`, ki je del API-ja SharedArrayBuffer.

SharedArrayBuffer

`SharedArrayBuffer` je podatkovna struktura, ki omogoča, da več spletnih delavcev dostopa in spreminja isti pomnilnik. To omogoča učinkovito deljenje podatkov med nitmi, vendar uvaja tudi možnost tekmovalnih pogojev. Objekt `Atomics` zagotavlja niz atomskih operacij, ki jih je mogoče uporabiti za varno manipulacijo podatkov v `SharedArrayBuffer`.

API Atomics

API `Atomics` ponuja različne atomske operacije, vključno z:

• `Atomics.add(typedArray, index, value)`: Atomsko doda vrednost elementu na določenem indeksu v tipiziranem polju.
• `Atomics.sub(typedArray, index, value)`: Atomsko odšteje vrednost od elementa na določenem indeksu v tipiziranem polju.
• `Atomics.and(typedArray, index, value)`: Atomsko izvede bitno operacijo AND na elementu na določenem indeksu v tipiziranem polju.
• `Atomics.or(typedArray, index, value)`: Atomsko izvede bitno operacijo OR na elementu na določenem indeksu v tipiziranem polju.
• `Atomics.xor(typedArray, index, value)`: Atomsko izvede bitno operacijo XOR na elementu na določenem indeksu v tipiziranem polju.
• `Atomics.exchange(typedArray, index, value)`: Atomsko nadomesti element na določenem indeksu v tipiziranem polju z novo vrednostjo in vrne staro vrednost.
• `Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, newValue)`: Atomsko primerja element na določenem indeksu v tipiziranem polju s pričakovano vrednostjo. Če sta enaka, se element nadomesti z novo vrednostjo. Vrne prvotno vrednost.
• `Atomics.load(typedArray, index)`: Atomsko naloži vrednost na določenem indeksu v tipiziranem polju.
• `Atomics.store(typedArray, index, value)`: Atomsko shrani vrednost na določenem indeksu v tipiziranem polju.
• `Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout)`: Blokira trenutno nit, dokler se vrednost na določenem indeksu v tipiziranem polju ne spremeni ali poteče časovna omejitev.
• `Atomics.notify(typedArray, index, count)`: Zbudi določeno število niti, ki čakajo na vrednost na določenem indeksu v tipiziranem polju.

Tukaj je primer uporabe `Atomics.add` za implementacijo števca, varnega za niti:

            const sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const counter = new Int32Array(sab);

function incrementCounter() {
  for (let i = 0; i < 100000; i++) {
    Atomics.add(counter, 0, 1);
  }
}

const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

worker1.postMessage('start');
worker2.postMessage('start');

worker1.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 1 finished');
};

worker2.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 2 finished');
  console.log('Final counter value:', Atomics.load(counter, 0));
};

// worker.js
self.onmessage = function(event) {
  if (event.data === 'start') {
    incrementCounter();
    self.postMessage('done');
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

V tem primeru je `counter` shranjen v `SharedArrayBuffer`, in `Atomics.add` se uporablja za atomsko povečanje števca. To zagotavlja, da je končna vrednost `counter` vedno 200000, tudi ko jo več niti hkrati povečujejo.

Ključavnice in semaforji

Ključavnice in semaforji so sinhronizacijski primitivi, ki se lahko uporabljajo za nadzor dostopa do deljenih virov. Ključavnica (znana tudi kot mutex) omogoča samo eni niti, da hkrati dostopa do deljenega vira, medtem ko semafor omogoča omejenemu številu niti, da hkrati dostopajo do deljenega vira.

Izvajanje ključavnic z Atomics

Ključavnice je mogoče implementirati z uporabo operacij `Atomics.compareExchange` in `Atomics.wait`/`Atomics.notify`. Tukaj je primer preproste implementacije ključavnice:

            class Lock {
  constructor() {
    this.sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
    this.lock = new Int32Array(this.sab);
    this.UNLOCKED = 0;
    this.LOCKED = 1;
  }

  lockAcquire() {
    while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, this.UNLOCKED, this.LOCKED) !== this.UNLOCKED) {
      Atomics.wait(this.lock, 0, this.LOCKED, Number.POSITIVE_INFINITY); // Wait until unlocked
    }
  }

  lockRelease() {
    Atomics.store(this.lock, 0, this.UNLOCKED);
    Atomics.notify(this.lock, 0, 1); // Wake up one waiting thread
  }
}

// Usage
const lock = new Lock();

function criticalSection() {
  lock.lockAcquire();
  try {
    // Access shared resources safely here
    console.log('Critical section entered');
    // Simulate some work
    for (let i = 0; i < 1000; i++) {}
  } finally {
    lock.lockRelease();
    console.log('Critical section exited');
  }
}

const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

worker1.postMessage({ action: 'start', lockSab: lock.sab });
worker2.postMessage({ action: 'start', lockSab: lock.sab });

// worker.js
let lock;

class Lock {
  constructor(sab) {
    this.sab = sab;
    this.lock = new Int32Array(this.sab);
    this.UNLOCKED = 0;
    this.LOCKED = 1;
  }

  lockAcquire() {
    while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, this.UNLOCKED, this.LOCKED) !== this.UNLOCKED) {
      Atomics.wait(this.lock, 0, this.LOCKED, Number.POSITIVE_INFINITY);
    }
  }

  lockRelease() {
    Atomics.store(this.lock, 0, this.UNLOCKED);
    Atomics.notify(this.lock, 0, 1);
  }
}

self.onmessage = function(event) {
  if (event.data.action === 'start') {
    lock = new Lock(event.data.lockSab);
    for (let i = 0; i < 5; i++) {
      criticalSection();
    }
  }

  function criticalSection() {
    lock.lockAcquire();
    try {
      console.log('Worker ' + self.name + ': Critical section entered');
    } finally {
      lock.lockRelease();
      console.log('Worker ' + self.name + ': Critical section exited');
    }
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

Ta primer prikazuje, kako uporabiti `Atomics` za implementacijo preproste ključavnice, ki jo je mogoče uporabiti za zaščito deljenih virov pred sočasnim dostopom. Metoda `lockAcquire` poskuša pridobiti ključavnico z uporabo `Atomics.compareExchange`. Če je ključavnica že pridržana, nit čaka z uporabo `Atomics.wait`, dokler se ključavnica ne sprosti. Metoda `lockRelease` sprosti ključavnico tako, da nastavi vrednost ključavnice na `UNLOCKED` in obvesti čakajočo nit z uporabo `Atomics.notify`.

Semaforji

Semafor je bolj splošen sinhronizacijski primitiv kot ključavnica. Ohranja števec, ki predstavlja število razpoložljivih virov. Niti lahko pridobijo vir tako, da zmanjšajo števec, in lahko sprostijo vir tako, da povečajo števec. Semaforji se lahko uporabljajo za nadzor dostopa do omejenega števila deljenih virov hkrati.

Nespremenljivost

Nespremenljivost je programski paradigm, ki poudarja ustvarjanje objektov, ki jih ni mogoče spreminjati po njihovem ustvarjanju. Ko so podatki nespremenljivi, ni nevarnosti tekmovalnih pogojev, ker lahko več niti varno dostopa do podatkov, ne da bi se bal poškodb. JavaScript podpira nespremenljivost z uporabo spremenljivk `const` in nespremenljivih podatkovnih struktur.

Nespremenljive podatkovne strukture

Knjižnice, kot je Immutable.js, zagotavljajo nespremenljive podatkovne strukture, kot so Seznami, Zemljevidi in Nizi. Te podatkovne strukture so zasnovane tako, da so učinkovite in zmogljive, hkrati pa zagotavljajo, da podatki nikoli niso spremenjeni na mestu. Namesto tega operacije na nespremenljivih podatkovnih strukturah vračajo nove primerke s posodobljenimi podatki.

            const { Map, List } = require('immutable');

let myMap = Map({ a: 1, b: 2, c: 3 });

// Modifying the map returns a new map
let updatedMap = myMap.set('b', 4);

console.log(myMap.toJS()); // { a: 1, b: 2, c: 3 }
console.log(updatedMap.toJS()); // { a: 1, b: 4, c: 3 }

let myList = List([1, 2, 3]);
let updatedList = myList.push(4);

console.log(myList.toJS()); // [ 1, 2, 3 ]
console.log(updatedList.toJS()); // [ 1, 2, 3, 4 ]

            

              
                Copy
              
            
          

Uporaba nespremenljivih podatkovnih struktur lahko znatno poenostavi upravljanje sočasnosti, ker vam ni treba skrbeti za sinhronizacijo dostopa do deljenih podatkov. Vendar je pomembno vedeti, da ima ustvarjanje novih nespremenljivih objektov lahko režijske stroške zmogljivosti, zlasti za velike podatkovne strukture. Zato je ključno, da pretehtate prednosti nespremenljivosti v primerjavi z morebitnimi stroški zmogljivosti.

Posredovanje sporočil

Posredovanje sporočil je vzorec sočasnosti, kjer niti komunicirajo med seboj s pošiljanjem sporočil. Namesto da bi neposredno delili podatke, si niti izmenjujejo informacije prek sporočil, ki so običajno kopirana ali serijska. To odpravlja potrebo po deljenem pomnilniku in sinhronizacijskih primitivih, kar olajša sklepanje o sočasnosti in izogibanje tekmovalnim pogojem. Spletni delavci v JavaScriptu se zanašajo na posredovanje sporočil za komunikacijo med glavno nitjo in nitmi delavcev.

Komunikacija spletnih delavcev

Kot je razvidno iz prejšnjih primerov, spletni delavci komunicirajo z glavno nitjo z uporabo metode `postMessage` in upravljalnika dogodkov `onmessage`. Ta mehanizem posredovanja sporočil zagotavlja čist in varen način izmenjave podatkov med nitmi brez tveganj, povezanih z deljenim pomnilnikom. Vendar je pomembno vedeti, da lahko posredovanje sporočil uvaja zakasnitev in režijske stroške, saj je treba podatke serijsko obdelati in deserializirati, ko se pošiljajo med nitmi.

Model igralcev

Model igralcev je model sočasnosti, kjer izračun izvajajo igralci, ki so neodvisni subjekti, ki med seboj komunicirajo prek asinhronih sporočil. Vsak igralec ima svoje stanje in lahko spreminja samo svoje stanje kot odgovor na dohodna sporočila. Ta izolacija stanja odpravlja potrebo po ključavnicah in drugih sinhronizacijskih primitivih, kar olajša izgradnjo sočasnih in porazdeljenih sistemov.

Knjižnice igralcev

Čeprav JavaScript nima vgrajene podpore za model igralcev, več knjižnic implementira ta vzorec. Te knjižnice zagotavljajo okvir za ustvarjanje in upravljanje igralcev, pošiljanje sporočil med igralci in obravnavanje asinhronih dogodkov. Model igralcev je lahko zmogljivo orodje za ustvarjanje visoko sočasnih in razširljivih aplikacij, vendar zahteva tudi drugačen način razmišljanja o zasnovi programa.

Najboljše prakse za varnost niti v JavaScriptu

Izdelava aplikacij JavaScript, varnih za niti, zahteva skrbno načrtovanje in pozornost do podrobnosti. Tukaj je nekaj najboljših praks, ki jih morate upoštevati:

• Zmanjšajte deljeno stanje: Manj deljenega stanja je, manjše je tveganje tekmovalnih pogojev. Poskusite inkapsulirati stanje znotraj posameznih niti ali igralcev in komunicirati prek posredovanja sporočil.
• Po potrebi uporabite atomske operacije: Kadar se deljenemu stanju ni mogoče izogniti, uporabite atomske operacije, da zagotovite varno spreminjanje podatkov.
• Upoštevajte nespremenljivost: Nespremenljivost lahko popolnoma odpravi potrebo po sinhronizacijskih primitivih, kar olajša sklepanje o sočasnosti.
• Uporabljajte ključavnice in semaforje redko: Ključavnice in semaforji lahko uvajajo režijske stroške zmogljivosti in kompleksnost. Uporabljajte jih samo, kadar je to potrebno, in se prepričajte, da se pravilno uporabljajo, da se izognete zastojem.
• Temeljito testirajte: Temeljito testirajte svojo sočasno kodo, da prepoznate in odpravite tekmovalne pogoje in druge napake, povezane s sočasnostjo. Uporabite orodja, kot so stresni testi sočasnosti, za simulacijo scenarijev z visokimi obremenitvami in razkrivanje morebitnih težav.
• Upoštevajte standarde kodiranja: Upoštevajte standarde kodiranja in najboljše prakse, da izboljšate berljivost in vzdržljivost svoje sočasne kode.
• Uporabite linterje in orodja za statično analizo: Uporabite linterje in orodja za statično analizo, da prepoznate morebitne težave s sočasnostjo že v zgodnji fazi razvoja.

Primeri iz resničnega sveta

Varnost niti je ključnega pomena v različnih aplikacijah JavaScript v resničnem svetu:

• Spletni strežniki: Spletni strežniki Node.js obravnavajo več sočasnih zahtev. Zagotavljanje varnosti niti je ključnega pomena za ohranjanje celovitosti podatkov in preprečevanje zrušitev. Na primer, če strežnik upravlja podatke o seji uporabnika, je treba sočasni dostop do shrambe sej skrbno sinhronizirati.
• Aplikacije v realnem času: Aplikacije, kot so klepetalni strežniki in spletne igre, zahtevajo nizko zakasnitev in visoko prepustnost. Varnost niti je bistvena za obravnavo sočasnih povezav in posodabljanje stanja igre.
• Obdelava podatkov: Aplikacije, ki izvajajo obdelavo podatkov, na primer urejanje slik ali kodiranje videa, imajo lahko koristi od sočasnosti. Varnost niti je potrebna za zagotavljanje pravilne obdelave podatkov in doslednosti rezultatov.
• Znanstveno računalništvo: Znanstvene aplikacije pogosto vključujejo kompleksne izračune, ki jih je mogoče vzporedno obdelati s spletnimi delavci. Varnost niti je ključnega pomena za zagotavljanje točnosti rezultatov teh izračunov.
• Finančni sistemi: Finančne aplikacije zahtevajo visoko natančnost in zanesljivost. Varnost niti je bistvena za preprečevanje poškodb podatkov in zagotavljanje pravilne obdelave transakcij. Na primer, razmislite o platformi za trgovanje z delnicami, kjer več uporabnikov hkrati oddaja naročila.

Sklep

Varnost niti je kritičen vidik izdelave robustnih in zanesljivih aplikacij JavaScript. Čeprav enonitna narava JavaScripta poenostavi številna vprašanja sočasnosti, uvedba spletnih delavcev in asinhrono programiranje zahteva skrbno pozornost do sinhronizacije in celovitosti podatkov. Z razumevanjem izzivov varnosti niti in uporabo ustreznih vzorcev sočasnosti in podatkovnih struktur lahko razvijalci ustvarijo visoko sočasne in razširljive aplikacije, ki so odporne na tekmovalne pogoje in poškodbe podatkov. Uvajanje nespremenljivosti, uporaba atomskih operacij in skrbno upravljanje deljenega stanja so ključne strategije za obvladovanje varnosti niti v JavaScriptu.

Ker se JavaScript še naprej razvija in sprejema več funkcij sočasnosti, se bo pomen varnosti niti samo povečal. Z obveščenostjo o najnovejših tehnikah in najboljših praksah lahko razvijalci zagotovijo, da njihove aplikacije ostanejo robustne, zanesljive in zmogljive v času vse večje kompleksnosti.