JavaScript SharedArrayBuffer: Poglobljen vpogled v sočasno programiranje na spletu

Desetletja je bila enonitna narava JavaScripta hkrati vir njegove enostavnosti in pomembno ozko grlo zmogljivosti. Model zanke dogodkov (event loop) deluje odlično za večino nalog, povezanih z uporabniškim vmesnikom, vendar se zatakne pri računsko intenzivnih operacijah. Dolgotrajni izračuni lahko zamrznejo brskalnik in ustvarijo frustrirajočo uporabniško izkušnjo. Čeprav so Web Workers ponudili delno rešitev, saj so omogočili izvajanje skript v ozadju, so imeli svojo veliko pomanjkljivost: neučinkovito komunikacijo s podatki.

Tu nastopi SharedArrayBuffer (SAB), zmogljiva funkcionalnost, ki bistveno spremeni igro z uvedbo pravega, nizkonivojskega deljenja pomnilnika med nitmi na spletu. V kombinaciji z objektom Atomics SAB odpira novo ero visoko zmogljivih, sočasnih aplikacij neposredno v brskalniku. Vendar z veliko močjo pride velika odgovornost – in kompleksnost.

Ta vodnik vas bo popeljal v globine sveta sočasnega programiranja v JavaScriptu. Raziskali bomo, zakaj ga potrebujemo, kako delujeta SharedArrayBuffer in Atomics, ključne varnostne vidike, ki jih morate upoštevati, in praktične primere za lažji začetek.

Stari svet: Enonitni model JavaScripta in njegove omejitve

Preden lahko cenimo rešitev, moramo v celoti razumeti problem. Izvajanje JavaScripta v brskalniku tradicionalno poteka v eni sami niti, ki jo pogosto imenujemo "glavna nit" ali "nit uporabniškega vmesnika".

Zanka dogodkov (Event Loop)

Glavna nit je odgovorna za vse: izvajanje vaše JavaScript kode, upodabljanje strani, odzivanje na interakcije uporabnikov (kot so kliki in drsenje) ter izvajanje CSS animacij. Te naloge upravlja z zanko dogodkov, ki neprestano obdeluje vrsto sporočil (nalog). Če naloga traja dolgo, da se dokonča, blokira celotno vrsto. Nič drugega se ne more zgoditi – uporabniški vmesnik zamrzne, animacije se zatikajo in stran postane neodzivna.

Web Workers: Korak v pravo smer

Web Workers so bili uvedeni za ublažitev te težave. Web Worker je v bistvu skripta, ki se izvaja v ločeni niti v ozadju. Težke izračune lahko prenesete na workerja in tako ohranite glavno nit prosto za upravljanje uporabniškega vmesnika.

Komunikacija med glavno nitjo in workerjem poteka preko API-ja postMessage(). Ko pošljete podatke, se ti obdelajo s strukturiranim algoritmom kloniranja. To pomeni, da so podatki serializirani, kopirani in nato deserializirani v kontekstu workerja. Čeprav je ta postopek učinkovit, ima pri velikih naborih podatkov pomembne slabosti:

• Dodatni stroški zmogljivosti: Kopiranje megabajtov ali celo gigabajtov podatkov med nitmi je počasno in procesorsko intenzivno.
• Poraba pomnilnika: Ustvari se dvojnik podatkov v pomnilniku, kar je lahko velika težava za naprave z omejenim pomnilnikom.

Predstavljajte si urejevalnik videoposnetkov v brskalniku. Pošiljanje celotnega video okvirja (ki je lahko velik več megabajtov) sem in tja k workerju za obdelavo 60-krat na sekundo bi bilo prohibitivno drago. To je natanko problem, za reševanje katerega je bil zasnovan SharedArrayBuffer.

Sprememba pravil igre: Predstavitev SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer je medpomnilnik surovih binarnih podatkov fiksne dolžine, podoben ArrayBuffer. Ključna razlika je v tem, da je SharedArrayBuffer mogoče deliti med več nitmi (npr. glavno nitjo in enim ali več Web Workers). Ko "pošljete" SharedArrayBuffer z uporabo postMessage(), ne pošiljate kopije; pošiljate referenco na isti blok pomnilnika.

To pomeni, da so vse spremembe, ki jih ena nit naredi v podatkih medpomnilnika, takoj vidne vsem drugim nitim, ki imajo referenco nanj. S tem se odpravi drag korak kopiranja in serializacije, kar omogoča skoraj takojšnje deljenje podatkov.

Predstavljajte si to takole:

• Web Workers z postMessage(): To je kot dva sodelavca, ki delata na dokumentu tako, da si pošiljata kopije po e-pošti. Vsaka sprememba zahteva pošiljanje popolnoma nove kopije.
• Web Workers s SharedArrayBuffer: To je kot dva sodelavca, ki delata na istem dokumentu v skupnem spletnem urejevalniku (kot je Google Docs). Spremembe so vidne obema v realnem času.

Nevarnost deljenega pomnilnika: Tekmovalna stanja (Race Conditions)

Takojšnje deljenje pomnilnika je zmogljivo, vendar uvaja tudi klasičen problem iz sveta sočasnega programiranja: tekmovalna stanja.

Tekmovalno stanje nastane, ko več niti poskuša hkrati dostopiti do istih deljenih podatkov in jih spremeniti, končni rezultat pa je odvisen od nepredvidljivega vrstnega reda, v katerem se izvedejo. Predstavljajte si preprost števec, shranjen v SharedArrayBuffer. Tako glavna nit kot worker ga želita povečati.

1. Nit A prebere trenutno vrednost, ki je 5.
2. Preden lahko nit A zapiše novo vrednost, jo operacijski sistem zaustavi in preklopi na nit B.
3. Nit B prebere trenutno vrednost, ki je še vedno 5.
4. Nit B izračuna novo vrednost (6) in jo zapiše nazaj v pomnilnik.
5. Sistem preklopi nazaj na nit A. Ta ne ve, da je nit B karkoli naredila. Nadaljuje od tam, kjer je ostala, izračuna svojo novo vrednost (5 + 1 = 6) in zapiše 6 nazaj v pomnilnik.

Čeprav je bil števec povečan dvakrat, je končna vrednost 6, ne 7. Operacije niso bile atomarne – bile so prekinljive, kar je vodilo do izgube podatkov. To je natanko razlog, zakaj ne morete uporabljati SharedArrayBuffer brez njegovega ključnega partnerja: objekta Atomics.

Varuh deljenega pomnilnika: Objekt Atomics

Objekt Atomics ponuja nabor statičnih metod za izvajanje atomarnih operacij na objektih SharedArrayBuffer. Atomarna operacija se zagotovljeno izvede v celoti, ne da bi jo prekinila katera koli druga operacija. Ali se zgodi v celoti ali pa sploh ne.

Uporaba Atomics preprečuje tekmovalna stanja, saj zagotavlja, da se operacije branja-spreminjanja-pisanja na deljenem pomnilniku izvajajo varno.

Ključne metode Atomics

Poglejmo si nekatere najpomembnejše metode, ki jih ponuja Atomics.

• Atomics.load(typedArray, index): Atomarno prebere vrednost na določenem indeksu in jo vrne. To zagotavlja, da berete popolno, nepoškodovano vrednost.
• Atomics.store(typedArray, index, value): Atomarno shrani vrednost na določenem indeksu in vrne to vrednost. To zagotavlja, da operacija pisanja ni prekinjena.
• Atomics.add(typedArray, index, value): Atomarno prišteje vrednost k vrednosti na določenem indeksu. Vrne izvirno vrednost na tem mestu. To je atomarni ekvivalent x += value.
• Atomics.sub(typedArray, index, value): Atomarno odšteje vrednost od vrednosti na določenem indeksu.
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue): To je zmogljivo pogojno pisanje. Preveri, ali je vrednost na index enaka expectedValue. Če je, jo zamenja z replacementValue in vrne izvirno expectedValue. Če ne, ne naredi ničesar in vrne trenutno vrednost. To je temeljni gradnik za implementacijo kompleksnejših sinhronizacijskih primitivov, kot so zaklepi.

Sinhronizacija: Več kot le preproste operacije

Včasih potrebujete več kot le varno branje in pisanje. Potrebujete, da se niti usklajujejo in čakajo druga na drugo. Pogost anti-vzorec je "aktivno čakanje" (busy-waiting), kjer nit sedi v tesni zanki in nenehno preverja pomnilniško lokacijo za spremembo. To zapravlja cikle procesorja in prazni baterijo.

Atomics ponuja veliko učinkovitejšo rešitev z wait() in notify().

• Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout): To pove niti, naj gre spat. Preveri, ali je vrednost na index še vedno value. Če je, nit spi, dokler je ne zbudi Atomics.notify() ali dokler ne poteče neobvezni timeout (v milisekundah). Če se je vrednost na index že spremenila, se takoj vrne. To je izjemno učinkovito, saj speča nit porabi skoraj nič virov procesorja.
• Atomics.notify(typedArray, index, count): To se uporablja za bujenje niti, ki spijo na določeni pomnilniški lokaciji preko Atomics.wait(). Zbudilo bo največ count čakajočih niti (ali vse, če count ni podan ali je Infinity).

Sestavljanje celote: Praktični vodnik

Zdaj, ko razumemo teorijo, pojdimo skozi korake implementacije rešitve z uporabo SharedArrayBuffer.

1. korak: Varnostni predpogoj - Izolacija med izvori

To je najpogostejša ovira za razvijalce. Iz varnostnih razlogov je SharedArrayBuffer na voljo samo na straneh, ki so v stanju izolacije med izvori (cross-origin isolated). To je varnostni ukrep za ublažitev ranljivosti spekulativnega izvajanja, kot je Spectre, ki bi lahko potencialno uporabila časovnike visoke ločljivosti (omogočene z deljenim pomnilnikom) za uhajanje podatkov med izvori.

Če želite omogočiti izolacijo med izvori, morate svoj spletni strežnik nastaviti tako, da za vaš glavni dokument pošilja dve specifični glavi HTTP:

Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin
Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp

• Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin (COOP): Izolira brskalni kontekst vašega dokumenta od drugih dokumentov, s čimer jim preprečuje neposredno interakcijo z vašim objektom okna (window).
• Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp (COEP): Zahteva, da morajo biti vsi podviri (kot so slike, skripte in iframe-i), ki jih naloži vaša stran, bodisi iz istega izvora bodisi izrecno označeni kot naložljivi med izvori z glavo Cross-Origin-Resource-Policy ali CORS.

To je lahko zahtevno nastaviti, še posebej, če se zanašate na skripte ali vire tretjih oseb, ki ne zagotavljajo potrebnih glav. Po konfiguraciji strežnika lahko preverite, ali je vaša stran izolirana, tako da v konzoli brskalnika preverite lastnost self.crossOriginIsolated. Biti mora true.

2. korak: Ustvarjanje in deljenje medpomnilnika

V vaši glavni skripti ustvarite SharedArrayBuffer in "pogled" nanj z uporabo TypedArray, kot je Int32Array.

main.js:

// Najprej preverite izolacijo med izvori!
if (!self.crossOriginIsolated) {
  console.error("Ta stran ni izolirana med izvori. SharedArrayBuffer ne bo na voljo.");
} else {
  // Ustvarite deljeni medpomnilnik za eno 32-bitno celo število.
  const buffer = new SharedArrayBuffer(4);

  // Ustvarite pogled na medpomnilnik. Vse atomarne operacije se izvajajo na pogledu.
  const int32Array = new Int32Array(buffer);

  // Inicializirajte vrednost na indeksu 0.
  int32Array[0] = 0;

  // Ustvarite novega workerja.
  const worker = new Worker('worker.js');

  // Pošljite DELJENI medpomnilnik workerju. To je prenos reference, ne kopije.
  worker.postMessage({ buffer });

  // Poslušajte sporočila od workerja.
  worker.onmessage = (event) => {
    console.log(`Worker je poročal o zaključku. Končna vrednost: ${Atomics.load(int32Array, 0)}`);
  };
}

3. korak: Izvajanje atomarnih operacij v workerju

Worker prejme medpomnilnik in lahko zdaj na njem izvaja atomarne operacije.

worker.js:

self.onmessage = (event) => {
  const { buffer } = event.data;
  const int32Array = new Int32Array(buffer);

  console.log("Worker je prejel deljeni medpomnilnik.");

  // Izvedimo nekaj atomarnih operacij.
  for (let i = 0; i < 1000000; i++) {
    // Varno povečajte deljeno vrednost.
    Atomics.add(int32Array, 0, 1);
  }

  console.log("Worker je končal s povečevanjem.");

  // Signalizirajte glavni niti, da smo končali.
  self.postMessage({ done: true });
};

4. korak: Naprednejši primer - Vzporedno seštevanje s sinhronizacijo

Lotimo se bolj realističnega problema: seštevanje zelo velikega polja števil z uporabo več workerjev. Uporabili bomo Atomics.wait() in Atomics.notify() za učinkovito sinhronizacijo.

Naš deljeni medpomnilnik bo imel tri dele:

• Indeks 0: Zastavica stanja (0 = obdelava, 1 = končano).
• Indeks 1: Števec, koliko workerjev je končalo.
• Indeks 2: Končna vsota.

main.js:

if (self.crossOriginIsolated) {
  const NUM_WORKERS = 4;
  const DATA_SIZE = 10_000_000;

  // [stanje, končani_workerji, rezultat_nizko, rezultat_visoko]
  // Uporabimo dve 32-bitni celi števili za rezultat, da se izognemo prelivanju pri velikih vsotah.
  const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(4 * 4); // 4 cela števila
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

  // Generirajte nekaj naključnih podatkov za obdelavo
  const data = new Uint8Array(DATA_SIZE);
  for (let i = 0; i < DATA_SIZE; i++) {
    data[i] = Math.floor(Math.random() * 10);
  }

  const chunkSize = Math.ceil(DATA_SIZE / NUM_WORKERS);

  for (let i = 0; i < NUM_WORKERS; i++) {
    const worker = new Worker('sum_worker.js');
    const start = i * chunkSize;
    const end = Math.min(start + chunkSize, DATA_SIZE);
    
    // Ustvarite nedeljen pogled za del podatkov workerja
    const dataChunk = data.subarray(start, end);

    worker.postMessage({ 
      sharedBuffer,
      dataChunk // To se kopira
    });
  }

  console.log('Glavna nit zdaj čaka, da workerji končajo...');

  // Počakajte, da zastavica stanja na indeksu 0 postane 1
  // To je veliko bolje kot zanka while!
  Atomics.wait(sharedArray, 0, 0); // Počakaj, če je sharedArray[0] enak 0

  console.log('Glavna nit prebujena!');
  const finalSum = Atomics.load(sharedArray, 2);
  console.log(`Končna vzporedna vsota je: ${finalSum}`);

} else {
  console.error('Stran ni izolirana med izvori.');
}

sum_worker.js:

self.onmessage = ({ data }) => {
  const { sharedBuffer, dataChunk } = data;
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

  // Izračunajte vsoto za del podatkov tega workerja
  let localSum = 0;
  for (let i = 0; i < dataChunk.length; i++) {
    localSum += dataChunk[i];
  }

  // Atomarno prištejte lokalno vsoto k skupni deljeni vsoti
  Atomics.add(sharedArray, 2, localSum);

  // Atomarno povečajte števec 'končanih workerjev'
  const finishedCount = Atomics.add(sharedArray, 1, 1) + 1;

  // Če je to zadnji worker, ki je končal...
  const NUM_WORKERS = 4; // V pravi aplikaciji bi se moralo posredovati kot parameter
  if (finishedCount === NUM_WORKERS) {
    console.log('Zadnji worker je končal. Obveščam glavno nit.');

    // 1. Nastavite zastavico stanja na 1 (končano)
    Atomics.store(sharedArray, 0, 1);

    // 2. Obvestite glavno nit, ki čaka na indeksu 0
    Atomics.notify(sharedArray, 0, 1);
  }
};

Primeri uporabe in aplikacije v resničnem svetu

Kje ta zmogljiva, a kompleksna tehnologija dejansko prinaša razliko? Odlikuje se v aplikacijah, ki zahtevajo težke, vzporedne izračune na velikih naborih podatkov.

• WebAssembly (Wasm): To je ključni primer uporabe. Jeziki, kot so C++, Rust in Go, imajo zrelo podporo za večnitnost. Wasm razvijalcem omogoča, da te obstoječe visoko zmogljive, večnitne aplikacije (kot so igralni pogoni, CAD programska oprema in znanstveni modeli) prevedejo za izvajanje v brskalniku, pri čemer uporabljajo SharedArrayBuffer kot osnovni mehanizem za komunikacijo med nitmi.
• Obdelava podatkov v brskalniku: Obsežna vizualizacija podatkov, sklepanje modelov strojnega učenja na strani odjemalca in znanstvene simulacije, ki obdelujejo ogromne količine podatkov, se lahko znatno pospešijo.
• Urejanje medijev: Uporaba filtrov na slikah visoke ločljivosti ali izvajanje zvočne obdelave na zvočni datoteki se lahko razdeli na dele in obdela vzporedno z več workerji, kar uporabniku zagotavlja povratne informacije v realnem času.
• Visoko zmogljivo igranje iger: Sodobni igralni pogoni se močno zanašajo na večnitnost za fiziko, umetno inteligenco in nalaganje sredstev. SharedArrayBuffer omogoča izdelavo iger kakovosti konzol, ki se v celoti izvajajo v brskalniku.

Izzivi in končni premisleki

Čeprav je SharedArrayBuffer transformativen, ni čarobna palica. Je nizkonivojsko orodje, ki zahteva skrbno ravnanje.

1. Kompleksnost: Sočasno programiranje je znano po svoji težavnosti. Odpravljanje tekmovalnih stanj in mrtvih zank (deadlocks) je lahko izjemno zahtevno. Razmišljati morate drugače o tem, kako se upravlja stanje vaše aplikacije.
2. Mrtve zanke (Deadlocks): Mrtva zanka nastane, ko sta dve ali več niti za vedno blokirani, vsaka čaka, da druga sprosti vir. To se lahko zgodi, če napačno implementirate kompleksne mehanizme zaklepanja.
3. Varnostni dodatni stroški: Zahteva po izolaciji med izvori je pomembna ovira. Lahko prekine integracije s storitvami tretjih oseb, oglasi in plačilnimi prehodi, če ti ne podpirajo potrebnih glav CORS/CORP.
4. Ni za vsak problem: Za preproste naloge v ozadju ali I/O operacije je tradicionalni model Web Worker z postMessage() pogosto enostavnejši in zadosten. Po SharedArrayBuffer segajte le, kadar imate jasno, s procesorjem povezano ozko grlo, ki vključuje velike količine podatkov.

Zaključek

SharedArrayBuffer v povezavi z Atomics in Web Workers predstavlja paradigmatski premik za spletni razvoj. Razbija meje enonitnega modela in vabi novo vrsto zmogljivih, učinkovitih in kompleksnih aplikacij v brskalnik. Spletno platformo postavlja na bolj enakovreden položaj z razvojem izvornih aplikacij za računsko intenzivne naloge.

Pot v sočasni JavaScript je zahtevna in terja strog pristop k upravljanju stanja, sinhronizaciji in varnosti. Toda za razvijalce, ki želijo premikati meje mogočega na spletu – od sinteze zvoka v realnem času do kompleksnega 3D upodabljanja in znanstvenega računanja – obvladovanje SharedArrayBuffer ni več le možnost; je bistvena veščina za gradnjo naslednje generacije spletnih aplikacij.