การสื่อสารระหว่าง JavaScript Module Worker: การเรียนรู้การส่งข้อความใน Worker Module อย่างเชี่ยวชาญ

เว็บแอปพลิเคชันสมัยใหม่ต้องการประสิทธิภาพและการตอบสนองที่สูง หนึ่งในเทคนิคสำคัญเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ใน JavaScript คือการใช้ Web Workers เพื่อทำงานที่ต้องใช้การคำนวณสูงในเบื้องหลัง ซึ่งจะช่วยให้ main thread เป็นอิสระเพื่อจัดการกับการอัปเดตและการโต้ตอบกับส่วนติดต่อผู้ใช้ (UI) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Module Workers เป็นวิธีที่ทรงพลังและเป็นระเบียบในการจัดโครงสร้างโค้ดของ worker บทความนี้จะเจาะลึกถึงความซับซ้อนของการสื่อสารระหว่าง JavaScript Module Worker โดยเน้นที่การส่งข้อความใน worker module ซึ่งเป็นกลไกหลักในการโต้ตอบระหว่าง main thread และ worker threads

Module Workers คืออะไร?

Web Workers ช่วยให้คุณสามารถรันโค้ด JavaScript ในเบื้องหลังได้โดยไม่ขึ้นกับ main thread สิ่งนี้สำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันไม่ให้ UI ค้างและรักษาประสบการณ์ผู้ใช้ที่ราบรื่น โดยเฉพาะเมื่อต้องจัดการกับการคำนวณที่ซับซ้อน การประมวลผลข้อมูล หรือการร้องขอผ่านเครือข่าย Module Workers ขยายขีดความสามารถของ Web Workers แบบดั้งเดิมโดยอนุญาตให้คุณใช้ ES modules ภายใน worker context ซึ่งมีข้อดีหลายประการ:

• การจัดระเบียบโค้ดที่ดีขึ้น: ES modules ส่งเสริมความเป็นโมดูล ทำให้โค้ด worker ของคุณง่ายต่อการจัดการ บำรุงรักษา และนำกลับมาใช้ใหม่
• การจัดการ Dependency: คุณสามารถ import และจัดการ dependency ได้อย่างง่ายดายโดยใช้ синтаксисของ ES module มาตรฐาน (import และ export)
• การนำโค้ดกลับมาใช้ใหม่: แบ่งปันโค้ดระหว่าง main thread และ worker threads ของคุณโดยใช้ ES modules ซึ่งช่วยลดการทำซ้ำของโค้ด
• синтаксисที่ทันสมัย: ใช้ฟีเจอร์ล่าสุดของ JavaScript ภายใน worker ของคุณ เนื่องจาก ES modules ได้รับการสนับสนุนอย่างกว้างขวาง

การตั้งค่า Module Worker

การสร้าง Module Worker นั้นคล้ายกับการสร้าง Web Worker แบบดั้งเดิม แต่มีความแตกต่างที่สำคัญคือ คุณต้องระบุออปชัน type: 'module' เมื่อสร้างอินสแตนซ์ของ worker

ตัวอย่าง: (main.js)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

            

              
                Copy
              
            
          

สิ่งนี้จะบอกเบราว์เซอร์ให้ถือว่า worker.js เป็น ES module ไฟล์ worker.js จะมีโค้ดที่จะถูกรันใน worker thread

ตัวอย่าง: (worker.js)

            // worker.js
import { someFunction } from './module.js';

self.onmessage = (event) => {
  const data = event.data;
  const result = someFunction(data);
  self.postMessage(result);
};

            

              
                Copy
              
            
          

ในตัวอย่างนี้ worker จะนำเข้าฟังก์ชัน someFunction จากโมดูลอื่น (module.js) และใช้มันเพื่อประมวลผลข้อมูลที่ได้รับจาก main thread จากนั้นผลลัพธ์จะถูกส่งกลับไปยัง main thread

การส่งข้อความใน Worker Module: พื้นฐาน

การส่งข้อความใน Worker Module นั้นใช้ postMessage() API เป็นพื้นฐาน ซึ่งช่วยให้คุณสามารถส่งข้อมูลระหว่าง main thread และ worker thread ได้ ข้อมูลจะถูก serialize และ deserialize เมื่อส่งผ่านระหว่าง thread ซึ่งหมายความว่า object ดั้งเดิมจะถูกคัดลอก สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นใน thread หนึ่งจะไม่ส่งผลกระทบโดยตรงต่ออีก thread หนึ่ง เมธอดหลักที่เกี่ยวข้องคือ:

• worker.postMessage(message, transfer) (Main Thread): ส่งข้อความไปยัง worker thread อาร์กิวเมนต์ message สามารถเป็น JavaScript object ใดๆ ที่สามารถ serialize ได้ด้วยอัลกอริทึม structured clone อาร์กิวเมนต์ transfer ที่เป็นตัวเลือกเสริมคืออาร์เรย์ของ Transferable objects (จะกล่าวถึงในภายหลัง)
• worker.onmessage = (event) => { ... } (Main Thread): Event listener ที่จะทำงานเมื่อ main thread ได้รับข้อความจาก worker thread พร็อพเพอร์ตี้ event.data จะมีข้อมูลของข้อความ
• self.postMessage(message, transfer) (Worker Thread): ส่งข้อความไปยัง main thread อาร์กิวเมนต์ message คือข้อมูลที่จะส่ง และอาร์กิวเมนต์ transfer เป็นอาร์เรย์ของ Transferable objects ที่เป็นตัวเลือกเสริม self หมายถึง global scope ของ worker
• self.onmessage = (event) => { ... } (Worker Thread): Event listener ที่จะทำงานเมื่อ worker thread ได้รับข้อความจาก main thread พร็อพเพอร์ตี้ event.data จะมีข้อมูลของข้อความ

ตัวอย่างการส่งข้อความพื้นฐาน

เรามาดูตัวอย่างการส่งข้อความใน worker module แบบง่ายๆ โดย main thread จะส่งตัวเลขไปยัง worker และ worker จะคำนวณค่ากำลังสองของตัวเลขนั้นแล้วส่งกลับมายัง main thread

ตัวอย่าง: (main.js)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

worker.onmessage = (event) => {
  const result = event.data;
  console.log('Result from worker:', result);
};

worker.postMessage(5);

            

              
                Copy
              
            
          

ตัวอย่าง: (worker.js)

            self.onmessage = (event) => {
  const number = event.data;
  const square = number * number;
  self.postMessage(square);
};

            

              
                Copy
              
            
          

ในตัวอย่างนี้ main thread จะสร้าง worker และแนบ onmessage listener เพื่อจัดการข้อความจาก worker จากนั้นจะส่งเลข 5 ไปยัง worker โดยใช้ worker.postMessage(5) worker จะรับตัวเลข คำนวณค่ากำลังสอง และส่งผลลัพธ์กลับไปยัง main thread โดยใช้ self.postMessage(square) จากนั้น main thread จะบันทึกผลลัพธ์ลงในคอนโซล

เทคนิคการส่งข้อความขั้นสูง

นอกเหนือจากการส่งข้อความพื้นฐานแล้ว ยังมีเทคนิคขั้นสูงอีกหลายอย่างที่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพและความยืดหยุ่นได้:

Transferable Objects

อัลกอริทึม structured clone ที่ใช้โดย postMessage() จะสร้างสำเนาของข้อมูลที่ถูกส่ง ซึ่งอาจไม่มีประสิทธิภาพสำหรับ object ขนาดใหญ่ Transferable objects เป็นวิธีการถ่ายโอนความเป็นเจ้าของของ memory buffer พื้นฐานจาก thread หนึ่งไปยังอีก thread หนึ่งโดยไม่ต้องคัดลอกข้อมูล ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้อย่างมากเมื่อต้องจัดการกับอาร์เรย์ขนาดใหญ่หรือโครงสร้างข้อมูลที่ใช้หน่วยความจำมาก

ตัวอย่างของ Transferable objects ได้แก่:

• ArrayBuffer
• MessagePort
• ImageBitmap
• OffscreenCanvas

ในการถ่ายโอน object คุณจะต้องใส่มันไว้ในอาร์กิวเมนต์ transfer ของเมธอด postMessage()

ตัวอย่าง: (main.js)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

worker.onmessage = (event) => {
  const arrayBuffer = event.data;
  const uint8Array = new Uint8Array(arrayBuffer);
  console.log('Received ArrayBuffer from worker:', uint8Array);
};

const arrayBuffer = new ArrayBuffer(1024);
const uint8Array = new Uint8Array(arrayBuffer);

for (let i = 0; i < uint8Array.length; i++) {
  uint8Array[i] = i;
}

worker.postMessage(arrayBuffer, [arrayBuffer]); // Transfer ownership

            

              
                Copy
              
            
          

ตัวอย่าง: (worker.js)

            self.onmessage = (event) => {
  const arrayBuffer = event.data;
  const uint8Array = new Uint8Array(arrayBuffer);

  for (let i = 0; i < uint8Array.length; i++) {
    uint8Array[i] *= 2; // Modify the array
  }

  self.postMessage(arrayBuffer, [arrayBuffer]); // Transfer back
};

            

              
                Copy
              
            
          

ในตัวอย่างนี้ main thread จะสร้าง ArrayBuffer และใส่ข้อมูลเข้าไป จากนั้นจะถ่ายโอนความเป็นเจ้าของของ ArrayBuffer ไปยัง worker โดยใช้ worker.postMessage(arrayBuffer, [arrayBuffer]) หลังจากการถ่ายโอน ArrayBuffer ใน main thread จะไม่สามารถเข้าถึงได้อีกต่อไป (ถือว่าถูก detached) worker จะได้รับ ArrayBuffer แก้ไขเนื้อหา และถ่ายโอนกลับไปยัง main thread จากนั้น main thread จะสามารถเข้าถึง ArrayBuffer ที่แก้ไขแล้วได้ วิธีนี้ช่วยหลีกเลี่ยงภาระงานในการคัดลอกข้อมูล ส่งผลให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยเฉพาะสำหรับอาร์เรย์ขนาดใหญ่

SharedArrayBuffer

ในขณะที่ Transferable objects ถ่ายโอนความเป็นเจ้าของ SharedArrayBuffer จะอนุญาตให้หลาย thread (รวมถึง main thread และ worker threads) เข้าถึงตำแหน่งหน่วยความจำ *เดียวกัน* ได้ สิ่งนี้เป็นกลไกสำหรับการสื่อสารผ่านหน่วยความจำที่ใช้ร่วมกันโดยตรง แต่ก็ต้องมีการซิงโครไนซ์อย่างระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยง race conditions และความเสียหายของข้อมูล SharedArrayBuffer มักจะใช้ร่วมกับการดำเนินการของ Atomics ซึ่งให้การดำเนินการอ่าน เขียน และอัปเดตแบบ atomic บนตำแหน่งหน่วยความจำที่ใช้ร่วมกัน

หมายเหตุสำคัญ: การใช้ SharedArrayBuffer จำเป็นต้องตั้งค่า HTTP headers ที่เฉพาะเจาะจง (Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin และ Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp) เพื่อลดช่องโหว่ด้านความปลอดภัยของ Spectre และ Meltdown headers เหล่านี้จะเปิดใช้งาน Cross-Origin Isolation

ตัวอย่าง: (main.js - ต้องการ Cross-Origin Isolation)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

worker.onmessage = (event) => {
  console.log('Received from worker:', event.data);
};

const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 10);
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

sharedArray[0] = 100;

worker.postMessage(sharedBuffer);

            

              
                Copy
              
            
          

ตัวอย่าง: (worker.js - ต้องการ Cross-Origin Isolation)

            self.onmessage = (event) => {
  const sharedBuffer = event.data;
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

  // Atomically add 50 to the first element
  Atomics.add(sharedArray, 0, 50);

  self.postMessage(sharedArray[0]);
};

            

              
                Copy
              
            
          

ในตัวอย่างนี้ main thread จะสร้าง SharedArrayBuffer และกำหนดค่าเริ่มต้นขององค์ประกอบแรกเป็น 100 จากนั้นจะส่ง SharedArrayBuffer ไปยัง worker worker จะได้รับ SharedArrayBuffer และใช้ Atomics.add() เพื่อเพิ่มค่า 50 ให้กับองค์ประกอบแรกแบบ atomic จากนั้น worker จะส่งค่าขององค์ประกอบแรกกลับไปยัง main thread ทั้งสอง thread กำลังเข้าถึงและแก้ไขตำแหน่งหน่วยความจำ *เดียวกัน* หากไม่มีการซิงโครไนซ์ที่เหมาะสม (เช่น การใช้ Atomics) อาจนำไปสู่ race conditions ซึ่งข้อมูลอาจถูกเขียนทับอย่างไม่สอดคล้องกัน

Message Channels (MessagePort และ MessageChannel)

Message Channels เป็นช่องทางการสื่อสารสองทางโดยเฉพาะระหว่างสอง execution contexts (เช่น main thread และ worker thread) MessageChannel จะมี MessagePort object สองตัว ตัวหนึ่งสำหรับแต่ละปลายทางของช่องทาง คุณสามารถถ่ายโอน MessagePort object หนึ่งไปยัง worker thread เพื่อให้สามารถสื่อสารโดยตรงระหว่างสองพอร์ตได้

ตัวอย่าง: (main.js)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

const channel = new MessageChannel();
const port1 = channel.port1;
const port2 = channel.port2;

port1.onmessage = (event) => {
  console.log('Received from worker via MessageChannel:', event.data);
};

worker.postMessage(port2, [port2]); // Transfer port2 to the worker

port1.postMessage('Hello from main thread!');

            

              
                Copy
              
            
          

ตัวอย่าง: (worker.js)

            self.onmessage = (event) => {
  const port = event.data;

  port.onmessage = (event) => {
    console.log('Received from main thread via MessageChannel:', event.data);
  };

  port.postMessage('Hello from worker!');
};

            

              
                Copy
              
            
          

ในตัวอย่างนี้ main thread จะสร้าง MessageChannel และรับพอร์ตทั้งสองของมัน จากนั้นจะแนบ onmessage listener เข้ากับ port1 และถ่ายโอน port2 ไปยัง worker worker จะรับ port2 และแนบ onmessage listener ของตัวเอง ตอนนี้ main thread และ worker thread สามารถสื่อสารกันโดยตรงผ่าน message channel โดยไม่จำเป็นต้องใช้ event handlers ส่วนกลางอย่าง self.onmessage และ worker.onmessage

การจัดการข้อผิดพลาดใน Workers

การจัดการข้อผิดพลาดใน worker เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการสร้างแอปพลิเคชันที่แข็งแกร่ง ข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นภายใน worker thread จะไม่ถูกส่งต่อไปยัง main thread โดยอัตโนมัติ คุณต้องจัดการข้อผิดพลาดภายใน worker อย่างชัดเจนและสื่อสารกลับไปยัง main thread

ตัวอย่าง: (worker.js)

            self.onmessage = (event) => {
  try {
    const data = event.data;
    // Simulate an error
    if (data === 'error') {
      throw new Error('Simulated error in worker');
    }

    const result = data * 2;
    self.postMessage(result);
  } catch (error) {
    self.postMessage({ error: error.message });
  }
};

            

              
                Copy
              
            
          

ตัวอย่าง: (main.js)

            const worker = new Worker('worker.js', { type: 'module' });

worker.onmessage = (event) => {
  if (event.data.error) {
    console.error('Error from worker:', event.data.error);
  } else {
    console.log('Result from worker:', event.data);
  }
};

worker.postMessage(10);
worker.postMessage('error'); // Trigger the error in the worker

            

              
                Copy
              
            
          

ในตัวอย่างนี้ worker จะครอบโค้ดของมันด้วยบล็อก try...catch เพื่อจัดการกับข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้น หากเกิดข้อผิดพลาดขึ้น มันจะส่ง object ที่มีข้อความแสดงข้อผิดพลาดกลับไปยัง main thread main thread จะตรวจสอบพร็อพเพอร์ตี้ error ในข้อความที่ได้รับและบันทึกข้อความแสดงข้อผิดพลาดลงในคอนโซลหากมีอยู่ แนวทางนี้ช่วยให้คุณสามารถจัดการข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นภายใน worker ได้อย่างเหมาะสมและป้องกันไม่ให้แอปพลิเคชันของคุณล่ม

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการส่งข้อความใน Worker Module

• ลดการถ่ายโอนข้อมูลให้เหลือน้อยที่สุด: ส่งเฉพาะข้อมูลที่จำเป็นอย่างยิ่งไปยัง worker เท่านั้น หลีกเลี่ยงการส่ง object ขนาดใหญ่และซับซ้อนหากเป็นไปได้
• ใช้ Transferable Objects: สำหรับโครงสร้างข้อมูลขนาดใหญ่ เช่น ArrayBuffer ให้ใช้ Transferable objects เพื่อหลีกเลี่ยงการคัดลอกที่ไม่จำเป็น
• จัดการข้อผิดพลาดเสมอ: จัดการข้อผิดพลาดภายใน worker ของคุณและสื่อสารกลับไปยัง main thread เสมอ
• ให้ Workers มีหน้าที่เฉพาะเจาะจง: ออกแบบ workers ของคุณให้ทำงานที่เฉพาะเจาะจงและกำหนดไว้อย่างชัดเจน สิ่งนี้จะทำให้โค้ดของคุณเข้าใจ ทดสอบ และบำรุงรักษาได้ง่ายขึ้น
• วัดประสิทธิภาพโค้ดของคุณ: ใช้เครื่องมือสำหรับนักพัฒนาในเบราว์เซอร์เพื่อวัดประสิทธิภาพของโค้ดและระบุคอขวดของประสิทธิภาพ workers อาจไม่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพเสมอไป ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องวัดผลกระทบของการใช้งาน
• พิจารณาภาระงานที่เพิ่มขึ้น (Overhead): การสร้างและทำลาย workers มีภาระงานบางอย่าง สำหรับงานที่สั้นมาก ภาระงานของการใช้ worker อาจมีมากกว่าประโยชน์ของการย้ายงานไปทำใน background thread
• จัดการวงจรชีวิตของ Worker: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณยุติการทำงานของ workers เมื่อไม่จำเป็นต้องใช้งานอีกต่อไปโดยใช้ worker.terminate() เพื่อคืนทรัพยากร
• ใช้ Task Queue (สำหรับภาระงานที่ซับซ้อน): สำหรับภาระงานที่ซับซ้อน ให้พิจารณาการใช้ task queue ใน worker ของคุณ จากนั้น main thread สามารถจัดคิวงานใน worker และ worker จะประมวลผลตามลำดับ สิ่งนี้สามารถช่วยจัดการการทำงานพร้อมกันและหลีกเลี่ยงการทำให้ worker thread ทำงานหนักเกินไป

กรณีการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง

การส่งข้อความใน Worker Module เป็นเทคนิคที่ทรงพลังสำหรับแอปพลิเคชันหลากหลายประเภท นี่คือกรณีการใช้งานทั่วไปบางส่วน:

• การประมวลผลภาพ: ทำการย่อ/ขยายภาพ การใส่ฟิลเตอร์ และงานประมวลผลภาพที่ต้องใช้การคำนวณสูงอื่นๆ ในเบื้องหลัง ตัวอย่างเช่น เว็บแอปพลิเคชันที่อนุญาตให้ผู้ใช้แก้ไขรูปภาพสามารถใช้ workers เพื่อใช้ฟิลเตอร์และเอฟเฟกต์โดยไม่ปิดกั้น main thread
• การวิเคราะห์ข้อมูลและการแสดงผล: วิเคราะห์ชุดข้อมูลขนาดใหญ่และสร้างการแสดงผลในเบื้องหลัง ตัวอย่างเช่น แดชบอร์ดทางการเงินสามารถใช้ workers เพื่อประมวลผลข้อมูลตลาดหุ้นและแสดงผลแผนภูมิโดยไม่ส่งผลกระทบต่อการตอบสนองของส่วนติดต่อผู้ใช้
• การเข้ารหัส: ดำเนินการเข้ารหัสและถอดรหัสในเบื้องหลัง ตัวอย่างเช่น แอปพลิเคชันส่งข้อความที่ปลอดภัยสามารถใช้ workers เพื่อเข้ารหัสและถอดรหัสข้อความโดยไม่ทำให้ส่วนติดต่อผู้ใช้ช้าลง
• การพัฒนาเกม: ย้ายตรรกะของเกม การคำนวณทางฟิสิกส์ และการประมวลผล AI ไปยัง worker threads ตัวอย่างเช่น เกมสามารถใช้ workers เพื่อจัดการการเคลื่อนไหวและพฤติกรรมของตัวละครที่ไม่ใช่ผู้เล่น (NPCs) โดยไม่ส่งผลกระทบต่อ frame rate
• การแปลงโค้ดและการรวมไฟล์ (เช่น Webpack ในเบราว์เซอร์): ใช้ workers เพื่อทำการแปลงโค้ดที่ใช้ทรัพยากรมากทางฝั่งไคลเอ็นต์
• การประมวลผลเสียง: ประมวลผลและจัดการข้อมูลเสียงในเบื้องหลัง ตัวอย่างเช่น แอปพลิเคชันตัดต่อเพลงสามารถใช้ workers เพื่อใช้เอฟเฟกต์และฟิลเตอร์เสียงโดยไม่ทำให้เกิดอาการกระตุกหรือสะดุด
• การจำลองทางวิทยาศาสตร์: รันการจำลองทางวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนในเบื้องหลัง ตัวอย่างเช่น แอปพลิเคชันพยากรณ์อากาศสามารถใช้ workers เพื่อจำลองรูปแบบสภาพอากาศและสร้างการคาดการณ์ได้

สรุป

JavaScript Module Workers และการส่งข้อความใน Worker Module เป็นวิธีที่ทรงพลังและมีประสิทธิภาพในการทำงานที่ต้องใช้การคำนวณสูงในเบื้องหลัง ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและการตอบสนองของเว็บแอปพลิเคชัน โดยการทำความเข้าใจพื้นฐานของการส่งข้อความใน worker module การใช้เทคนิคขั้นสูงเช่น Transferable objects และ SharedArrayBuffer (พร้อมกับการแยก cross-origin ที่เหมาะสม) และการปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด คุณสามารถสร้างแอปพลิเคชันที่แข็งแกร่งและปรับขนาดได้ ซึ่งมอบประสบการณ์ผู้ใช้ที่ราบรื่นและน่าพึงพอใจ ในขณะที่เว็บแอปพลิเคชันมีความซับซ้อนมากขึ้น การใช้ Web Workers และ Module Workers จะยังคงมีความสำคัญเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ อย่าลืมพิจารณาข้อดีข้อเสียและภาระงานที่เกี่ยวข้องอย่างรอบคอบเมื่อใช้ workers และวัดประสิทธิภาพของโค้ดของคุณเพื่อให้แน่ใจว่ามันช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพได้จริง กุญแจสู่ความสำเร็จในการใช้ worker อยู่ที่การออกแบบที่รอบคอบ การวางแผนอย่างระมัดระวัง และความเข้าใจอย่างถ่องแท้ในเทคโนโลยีพื้นฐาน