Sinhronizacija sočasnih podatkovnih struktur v JavaScriptu: Niti-varne zbirke

JavaScript, tradicionalno znan kot enonitni jezik, se vse pogosteje uporablja v scenarijih, kjer je sočasnost ključnega pomena. Z uvedbo spletnih delavcev (Web Workers) in API-ja Atomics lahko razvijalci zdaj izkoristijo vzporedno obdelavo za izboljšanje zmogljivosti in odzivnosti. Vendar pa ta moč prinaša odgovornost za upravljanje deljenega pomnilnika in zagotavljanje doslednosti podatkov s pravilno sinhronizacijo. Ta članek se poglobi v svet sočasnih podatkovnih struktur v JavaScriptu in raziskuje tehnike za ustvarjanje niti-varnih zbirk.

Razumevanje sočasnosti v JavaScriptu

Sočasnost v kontekstu JavaScripta se nanaša na zmožnost navideznega sočasnega obravnavanja več nalog. Medtem ko dogodkovna zanka JavaScripta obravnava asinhrone operacije na neblokirajoč način, resnična vzporednost zahteva uporabo več niti. Spletni delavci (Web Workers) zagotavljajo to zmožnost in vam omogočajo, da računsko intenzivne naloge prenesete na ločene niti, s čimer preprečite blokiranje glavne niti in ohranite gladko uporabniško izkušnjo. Predstavljajte si scenarij, kjer v spletni aplikaciji obdelujete velik nabor podatkov. Brez sočasnosti bi uporabniški vmesnik med obdelavo zamrznil. S spletnimi delavci pa se obdelava dogaja v ozadju, kar ohranja odzivnost uporabniškega vmesnika.

Spletni delavci (Web Workers): Temelj vzporednosti

Spletni delavci so skripti v ozadju, ki se izvajajo neodvisno od glavne izvajalne niti JavaScripta. Imajo omejen dostop do DOM-a, vendar lahko komunicirajo z glavno nitjo s posredovanjem sporočil. To omogoča prenos nalog, kot so zapleteni izračuni, manipulacija podatkov in omrežne zahteve, na delovne niti, s čimer se glavna nit sprosti za posodobitve uporabniškega vmesnika in interakcije z uporabnikom. Predstavljajte si aplikacijo za urejanje videoposnetkov, ki teče v brskalniku. Zapletene naloge obdelave videoposnetkov lahko izvajajo spletni delavci, kar zagotavlja gladko predvajanje in izkušnjo urejanja.

SharedArrayBuffer in Atomics API: Omogočanje deljenega pomnilnika

Objekt SharedArrayBuffer omogoča več delavcem in glavni niti dostop do iste pomnilniške lokacije. To omogoča učinkovito deljenje podatkov in komunikacijo med nitmi. Vendar pa dostop do deljenega pomnilnika prinaša možnost tekmovalnih stanj (race conditions) in poškodb podatkov. API Atomics zagotavlja atomske operacije, ki zagotavljajo doslednost podatkov in preprečujejo te težave. Atomske operacije so nedeljive; zaključijo se brez prekinitev, kar zagotavlja, da se operacija izvede kot ena sama, atomska enota. Na primer, povečanje deljenega števca z atomsko operacijo preprečuje, da bi se več niti medsebojno motilo, kar zagotavlja točne rezultate.

Potreba po niti-varnih zbirkah

Kadar več niti sočasno dostopa do iste podatkovne strukture in jo spreminja brez ustreznih sinhronizacijskih mehanizmov, lahko pride do tekmovalnih stanj. Tekmovalno stanje nastane, ko je končni rezultat izračuna odvisen od nepredvidljivega vrstnega reda, v katerem več niti dostopa do deljenih virov. To lahko vodi do poškodb podatkov, nedoslednega stanja in nepričakovanega obnašanja aplikacije. Niti-varne zbirke so podatkovne strukture, zasnovane za obravnavanje sočasnega dostopa iz več niti brez povzročanja teh težav. Zagotavljajo integriteto in doslednost podatkov tudi pod veliko sočasno obremenitvijo. Predstavljajte si finančno aplikacijo, kjer več niti posodablja stanja na računih. Brez niti-varnih zbirk bi se transakcije lahko izgubile ali podvojile, kar bi vodilo do resnih finančnih napak.

Razumevanje tekmovalnih stanj in podatkovnih tekmovanj

Tekmovalno stanje nastane, ko je izid večnitnega programa odvisen od nepredvidljivega vrstnega reda izvajanja niti. Podatkovno tekmovanje (data race) je posebna vrsta tekmovalnega stanja, kjer več niti sočasno dostopa do iste pomnilniške lokacije in vsaj ena od niti spreminja podatke. Podatkovna tekmovanja lahko vodijo do poškodovanih podatkov in nepredvidljivega obnašanja. Na primer, če dve niti hkrati poskušata povečati deljeno spremenljivko, je končni rezultat lahko napačen zaradi prepletenih operacij.

Zakaj standardne JavaScript tabele niso niti-varne

Standardne JavaScript tabele niso same po sebi niti-varne. Operacije, kot so push, pop, splice in neposredno dodeljevanje indeksa, niso atomske. Kadar več niti sočasno dostopa do tabele in jo spreminja, lahko zlahka pride do podatkovnih tekmovanj in tekmovalnih stanj. To lahko vodi do nepričakovanih rezultatov in poškodb podatkov. Čeprav so JavaScript tabele primerne za enonitna okolja, niso priporočljive za sočasno programiranje brez ustreznih sinhronizacijskih mehanizmov.

Tehnike za ustvarjanje niti-varnih zbirk v JavaScriptu

Za ustvarjanje niti-varnih zbirk v JavaScriptu lahko uporabimo več tehnik. Te tehnike vključujejo uporabo sinhronizacijskih primitivov, kot so zaklepi, atomske operacije in specializirane podatkovne strukture, zasnovane za sočasen dostop.

Zaklepi (Mutexi)

Mutex (medsebojna izključitev) je sinhronizacijski primitiv, ki zagotavlja izključen dostop do deljenega vira. Samo ena nit lahko drži zaklep v določenem trenutku. Ko nit poskuša pridobiti zaklep, ki ga že drži druga nit, se blokira, dokler zaklep ne postane na voljo. Mutexi preprečujejo, da bi več niti sočasno dostopalo do istih podatkov, kar zagotavlja integriteto podatkov. Čeprav JavaScript nima vgrajenega mutexa, ga je mogoče implementirati z uporabo Atomics.wait in Atomics.wake. Predstavljajte si deljeni bančni račun. Mutex lahko zagotovi, da se naenkrat zgodi samo ena transakcija (polog ali dvig), s čimer se preprečijo prekoračitve ali napačna stanja.

Implementacija mutexa v JavaScriptu

Tukaj je osnovni primer, kako implementirati mutex z uporabo SharedArrayBuffer in Atomics:

            
class Mutex {
 constructor(sharedArrayBuffer, index = 0) {
 this.lock = new Int32Array(sharedArrayBuffer, index * Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT, 1);
 }

 acquire() {
 while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, 1, 0) !== 0) {
 Atomics.wait(this.lock, 0, 1);
 }
 }

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

            

              
                Copy
              
            
          

Ta koda definira razred Mutex, ki uporablja SharedArrayBuffer za shranjevanje stanja zaklepa. Metoda acquire poskuša pridobiti zaklep z uporabo Atomics.compareExchange. Če je zaklep že zaseden, nit čaka z uporabo Atomics.wait. Metoda release sprosti zaklep in obvesti čakajoče niti z uporabo Atomics.notify.

Uporaba mutexa z deljeno tabelo

            
const sab = new SharedArrayBuffer(1024);
const mutex = new Mutex(sab);
const sharedArray = new Int32Array(sab, Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);

// Worker thread
mutex.acquire();
try {
 sharedArray[0] += 1; // Access and modify the shared array
} finally {
 mutex.release();
}

            

              
                Copy
              
            
          

Atomske operacije

Atomske operacije so nedeljive operacije, ki se izvedejo kot ena sama enota. API Atomics ponuja nabor atomskih operacij za branje, pisanje in spreminjanje lokacij v deljenem pomnilniku. Te operacije zagotavljajo, da se do podatkov dostopa in se jih spreminja atomsko, kar preprečuje tekmovalna stanja. Pogoste atomske operacije vključujejo Atomics.add, Atomics.sub, Atomics.and, Atomics.or, Atomics.xor, Atomics.compareExchange in Atomics.store. Na primer, namesto uporabe sharedArray[0]++, ki ni atomska, lahko uporabite Atomics.add(sharedArray, 0, 1) za atomsko povečanje vrednosti na indeksu 0.

Primer: Atomski števec

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

// Worker thread
Atomics.add(counter, 0, 1); // Atomically increment the counter

            

              
                Copy
              
            
          

Semaforji

Semafor je sinhronizacijski primitiv, ki nadzoruje dostop do deljenega vira z vzdrževanjem števca. Niti lahko pridobijo semafor z zmanjšanjem števca. Če je števec enak nič, se nit blokira, dokler druga nit ne sprosti semaforja s povečanjem števca. Semaforje je mogoče uporabiti za omejitev števila niti, ki lahko sočasno dostopajo do deljenega vira. Na primer, semafor se lahko uporabi za omejitev števila sočasnih povezav z bazo podatkov. Tako kot mutexi, semaforji niso vgrajeni, vendar jih je mogoče implementirati z uporabo Atomics.wait in Atomics.wake.

Implementacija semaforja

            
class Semaphore {
 constructor(sharedArrayBuffer, initialCount = 0, index = 0) {
 this.count = new Int32Array(sharedArrayBuffer, index * Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT, 1);
 Atomics.store(this.count, 0, initialCount);
 }

 acquire() {
 while (true) {
 const current = Atomics.load(this.count, 0);
 if (current > 0 && Atomics.compareExchange(this.count, current, current - 1, current) === current) {
 return;
 }
 Atomics.wait(this.count, 0, current);
 }
 }

 release() {
 Atomics.add(this.count, 0, 1);
 Atomics.notify(this.count, 0, 1);
 }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Sočasne podatkovne strukture (nespremenljive podatkovne strukture)

Eden od pristopov za izogibanje zapletenosti zaklepov in atomskih operacij je uporaba nespremenljivih podatkovnih struktur. Nespremenljivih podatkovnih struktur po ustvarjanju ni mogoče spreminjati. Namesto tega vsaka sprememba povzroči ustvarjanje nove podatkovne strukture, medtem ko prvotna ostane nespremenjena. To odpravlja možnost podatkovnih tekmovanj, saj lahko več niti varno dostopa do iste nespremenljive podatkovne strukture brez tveganja za poškodbe. Knjižnice, kot je Immutable.js, ponujajo nespremenljive podatkovne strukture za JavaScript, ki so lahko zelo koristne v scenarijih sočasnega programiranja.

Primer: Uporaba Immutable.js

            
import { List } from 'immutable';

let myList = List([1, 2, 3]);

// Worker thread
const newList = myList.push(4); // Creates a new list with the added element

            

              
                Copy
              
            
          

V tem primeru myList ostane nespremenjen, newList pa vsebuje posodobljene podatke. To odpravlja potrebo po zaklepih ali atomskih operacijah, ker ni deljenega spremenljivega stanja.

Kopiraj-ob-pisanju (Copy-on-Write - COW)

Kopiraj-ob-pisanju (Copy-on-Write - COW) je tehnika, pri kateri si več niti deli podatke, dokler ena od njih ne poskuša podatkov spremeniti. Ko je potrebna sprememba, se ustvari kopija podatkov in sprememba se izvede na kopiji. To zagotavlja, da imajo druge niti še vedno dostop do prvotnih podatkov. COW lahko izboljša zmogljivost v scenarijih, kjer se podatki pogosto berejo, a redko spreminjajo. Izogne se dodatni obremenitvi zaklepanja in atomskih operacij, hkrati pa zagotavlja doslednost podatkov. Vendar pa je lahko strošek kopiranja podatkov znaten, če je podatkovna struktura velika.

Izdelava niti-varne čakalne vrste

Prikažimo zgoraj obravnavane koncepte z izdelavo niti-varne čakalne vrste z uporabo SharedArrayBuffer, Atomics in mutexa.

            
class ThreadSafeQueue {
 constructor(capacity) {
 this.capacity = capacity;
 this.buffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * (capacity + 2)); // +2 for head, tail
 this.queue = new Int32Array(this.buffer, 2 * Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
 this.head = new Int32Array(this.buffer, 0, 1);
 this.tail = new Int32Array(this.buffer, Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT, 1);
 this.mutex = new Mutex(this.buffer, 2 + capacity);

 Atomics.store(this.head, 0, 0);
 Atomics.store(this.tail, 0, 0);
 }

 enqueue(value) {
 this.mutex.acquire();
 try {
 const tail = Atomics.load(this.tail, 0);
 const head = Atomics.load(this.head, 0);
 if ((tail + 1) % this.capacity === head) {
 throw new Error("Queue is full");
 }
 this.queue[tail] = value;
 Atomics.store(this.tail, 0, (tail + 1) % this.capacity);
 } finally {
 this.mutex.release();
 }
 }

 dequeue() {
 this.mutex.acquire();
 try {
 const head = Atomics.load(this.head, 0);
 const tail = Atomics.load(this.tail, 0);
 if (head === tail) {
 throw new Error("Queue is empty");
 }
 const value = this.queue[head];
 Atomics.store(this.head, 0, (head + 1) % this.capacity);
 return value;
 } finally {
 this.mutex.release();
 }
 }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Ta koda implementira niti-varno čakalno vrsto s fiksno kapaciteto. Uporablja SharedArrayBuffer za shranjevanje podatkov čakalne vrste ter kazalcev na glavo in rep. Mutex se uporablja za zaščito dostopa do čakalne vrste in zagotavlja, da jo lahko naenkrat spreminja samo ena nit. Metodi enqueue in dequeue pridobita mutex pred dostopom do čakalne vrste in ga sprostita po zaključku operacije.

Premisleki o zmogljivosti

Čeprav niti-varne zbirke zagotavljajo integriteto podatkov, lahko zaradi sinhronizacijskih mehanizmov povzročijo tudi dodatno obremenitev zmogljivosti. Zaklepi in atomske operacije so lahko relativno počasni, zlasti pri visoki stopnji tekmovanja. Pomembno je skrbno pretehtati vplive uporabe niti-varnih zbirk na zmogljivost in optimizirati kodo za zmanjšanje tekmovanja. Tehnike, kot so zmanjšanje obsega zaklepov, uporaba podatkovnih struktur brez zaklepanja in razdeljevanje podatkov, lahko izboljšajo zmogljivost.

Tekmovanje za zaklep

Tekmovanje za zaklep se zgodi, ko več niti poskuša hkrati pridobiti isti zaklep. To lahko privede do znatnega poslabšanja zmogljivosti, saj niti porabijo čas za čakanje, da zaklep postane na voljo. Zmanjšanje tekmovanja za zaklep je ključno za doseganje dobre zmogljivosti v sočasnih programih. Tehnike za zmanjšanje tekmovanja za zaklep vključujejo uporabo fino zrnatih zaklepov, razdeljevanje podatkov in uporabo podatkovnih struktur brez zaklepanja.

Dodatna obremenitev atomskih operacij

Atomske operacije so na splošno počasnejše od neatomskih operacij. Vendar so nujne za zagotavljanje integritete podatkov v sočasnih programih. Pri uporabi atomskih operacij je pomembno zmanjšati število izvedenih atomskih operacij in jih uporabljati le, kadar je to nujno potrebno. Tehnike, kot so paketne posodobitve in uporaba lokalnih predpomnilnikov, lahko zmanjšajo dodatno obremenitev atomskih operacij.

Alternative sočasnosti z deljenim pomnilnikom

Čeprav sočasnost z deljenim pomnilnikom z uporabo Web Workers, SharedArrayBuffer in Atomics zagotavlja močan način za doseganje vzporednosti v JavaScriptu, prinaša tudi precejšnjo zapletenost. Upravljanje deljenega pomnilnika in sinhronizacijskih primitivov je lahko zahtevno in nagnjeno k napakam. Alternative sočasnosti z deljenim pomnilnikom vključujejo posredovanje sporočil in na akterjih temelječo sočasnost.

Posredovanje sporočil

Posredovanje sporočil je model sočasnosti, kjer niti med seboj komunicirajo s pošiljanjem sporočil. Vsaka nit ima svoj zasebni pomnilniški prostor, podatki pa se med nitmi prenašajo s kopiranjem v sporočilih. Posredovanje sporočil odpravlja možnost podatkovnih tekmovanj, ker si niti ne delijo pomnilnika neposredno. Spletni delavci (Web Workers) primarno uporabljajo posredovanje sporočil za komunikacijo z glavno nitjo.

Na akterjih temelječa sočasnost

Na akterjih temelječa sočasnost je model, kjer so sočasne naloge zaprte v akterje. Akter je neodvisna entiteta, ki ima svoje stanje in lahko komunicira z drugimi akterji s pošiljanjem sporočil. Akterji obdelujejo sporočila zaporedno, kar odpravlja potrebo po zaklepih ali atomskih operacijah. Na akterjih temelječa sočasnost lahko poenostavi sočasno programiranje z zagotavljanjem višje ravni abstrakcije. Knjižnice, kot je Akka.js, ponujajo ogrodja za na akterjih temelječo sočasnost za JavaScript.

Primeri uporabe niti-varnih zbirk

Niti-varne zbirke so dragocene v različnih scenarijih, kjer je potreben sočasen dostop do deljenih podatkov. Nekateri pogosti primeri uporabe vključujejo:

• Obdelava podatkov v realnem času: Obdelava tokov podatkov v realnem času iz več virov zahteva sočasen dostop do deljenih podatkovnih struktur. Niti-varne zbirke lahko zagotovijo doslednost podatkov in preprečijo njihovo izgubo. Na primer, obdelava senzorskih podatkov iz naprav IoT v globalno porazdeljenem omrežju.
• Razvoj iger: Igralni pogoni pogosto uporabljajo več niti za izvajanje nalog, kot so fizikalne simulacije, obdelava umetne inteligence in upodabljanje. Niti-varne zbirke lahko zagotovijo, da te niti lahko sočasno dostopajo do podatkov igre in jih spreminjajo brez povzročanja tekmovalnih stanj. Predstavljajte si množično večigralsko spletno igro (MMO) s tisoči igralcev, ki medsebojno delujejo hkrati.
• Finančne aplikacije: Finančne aplikacije pogosto zahtevajo sočasen dostop do stanj na računih, zgodovine transakcij in drugih finančnih podatkov. Niti-varne zbirke lahko zagotovijo, da se transakcije obdelajo pravilno in da so stanja na računih vedno točna. Pomislite na platformo za visokofrekvenčno trgovanje, ki obdeluje milijone transakcij na sekundo z različnih svetovnih trgov.
• Analitika podatkov: Aplikacije za analitiko podatkov pogosto obdelujejo velike nabore podatkov vzporedno z uporabo več niti. Niti-varne zbirke lahko zagotovijo, da se podatki obdelajo pravilno in da so rezultati dosledni. Pomislite na analizo trendov na družbenih omrežjih iz različnih geografskih regij.
• Spletni strežniki: Obravnavanje sočasnih zahtev v spletnih aplikacijah z velikim prometom. Niti-varni predpomnilniki in strukture za upravljanje sej lahko izboljšajo zmogljivost in razširljivost.

Zaključek

Sočasne podatkovne strukture in niti-varne zbirke so ključne za izdelavo robustnih in učinkovitih sočasnih aplikacij v JavaScriptu. Z razumevanjem izzivov sočasnosti z deljenim pomnilnikom in uporabo ustreznih sinhronizacijskih mehanizmov lahko razvijalci izkoristijo moč spletnih delavcev in API-ja Atomics za izboljšanje zmogljivosti in odzivnosti. Čeprav sočasnost z deljenim pomnilnikom prinaša zapletenost, ponuja tudi močno orodje za reševanje računsko intenzivnih problemov. Pri izbiri med sočasnostjo z deljenim pomnilnikom, posredovanjem sporočil in na akterjih temelječo sočasnostjo skrbno pretehtajte kompromise med zmogljivostjo in zapletenostjo. Ker se JavaScript še naprej razvija, pričakujte nadaljnje izboljšave in abstrakcije na področju sočasnega programiranja, kar bo olajšalo izdelavo razširljivih in zmogljivih aplikacij.

Ne pozabite, da sta pri načrtovanju sočasnih sistemov prednostni nalogi integriteta in doslednost podatkov. Testiranje in odpravljanje napak v sočasni kodi je lahko zahtevno, zato sta temeljito testiranje in skrbno načrtovanje ključnega pomena.