Eşzamanlılıkta Uzmanlaşma: Küresel Uygulamalar için JavaScript'te İş Parçacığı Güvenli (Thread-Safe) Bir Trie Oluşturma

Günümüzün birbirine bağlı dünyasında uygulamalar yalnızca hız değil, aynı zamanda yanıt verebilirlik ve büyük, eşzamanlı işlemleri yürütebilme yeteneği de talep ediyor. Geleneksel olarak tarayıcıdaki tek iş parçacıklı doğasıyla bilinen JavaScript, önemli ölçüde gelişerek gerçek paralelliğin üstesinden gelmek için güçlü temel öğeler sundu. Özellikle büyük, dinamik veri kümeleriyle çok iş parçacıklı bir bağlamda uğraşırken sıklıkla eşzamanlılık zorluklarıyla karşılaşan yaygın bir veri yapısı, Önek Ağacı olarak da bilinen Trie'dir.

Milyonlarca kullanıcının veya cihazın sürekli olarak veri sorguladığı ve güncellediği küresel bir otomatik tamamlama hizmeti, gerçek zamanlı bir sözlük veya dinamik bir IP yönlendirme tablosu oluşturduğunuzu hayal edin. Standart bir Trie, önek tabanlı aramalar için inanılmaz derecede verimli olsa da, eşzamanlı bir ortamda hızla bir darboğaz haline gelir ve yarış koşullarına (race conditions) ve veri bozulmasına açık hale gelir. Bu kapsamlı kılavuz, SharedArrayBuffer ve Atomics'in akıllıca kullanımıyla İş Parçacığı Güvenli (Thread-Safe) hale getirilmiş bir JavaScript Eşzamanlı Trie'nin nasıl oluşturulacağını derinlemesine inceleyecek ve küresel bir kitle için sağlam ve ölçeklenebilir çözümler sağlayacaktır.

Trie'leri Anlamak: Önek Tabanlı Verilerin Temeli

Eşzamanlılığın karmaşıklıklarına dalmadan önce, bir Trie'nin ne olduğu ve neden bu kadar değerli olduğu konusunda sağlam bir anlayış oluşturalım.

Trie Nedir?

'retrieval' kelimesinden türetilen bir Trie ("tree" veya "try" olarak telaffuz edilir), anahtarların genellikle dizeler olduğu dinamik bir küme veya ilişkisel bir dizi depolamak için kullanılan sıralı bir ağaç veri yapısıdır. Düğümlerin gerçek anahtarı sakladığı ikili arama ağacının aksine, bir Trie'nin düğümleri anahtarların parçalarını saklar ve bir düğümün ağaçtaki konumu, kendisiyle ilişkili anahtarı tanımlar.

• Düğümler ve Kenarlar: Her düğüm tipik olarak bir karakteri temsil eder ve kökten belirli bir düğüme giden yol bir önek oluşturur.
• Alt Öğeler: Her düğümün, genellikle bir dizide veya haritada, dizin/anahtarın bir dizideki sonraki karaktere karşılık geldiği alt öğelerine referansları vardır.
• Terminal Bayrağı: Düğümler ayrıca, o düğüme giden yolun tam bir kelimeyi temsil ettiğini belirtmek için bir 'terminal' veya 'isWord' bayrağına sahip olabilir.

Bu yapı, son derece verimli önek tabanlı işlemlere olanak tanır ve bu da onu belirli kullanım durumları için hash tablolarından veya ikili arama ağaçlarından üstün kılar.

Trie'ler için Yaygın Kullanım Alanları

Trie'lerin dize verilerini işlemedeki verimliliği, onları çeşitli uygulamalarda vazgeçilmez kılar:

• Otomatik Tamamlama ve Yazarken Öneri Sunma: Belki de en ünlü uygulama. Google gibi arama motorlarını, kod düzenleyicileri (IDE'ler) veya siz yazarken öneriler sunan mesajlaşma uygulamalarını düşünün. Bir Trie, belirli bir önekle başlayan tüm kelimeleri hızla bulabilir.
  • Küresel Örnek: Uluslararası bir e-ticaret platformu için düzinelerce dilde gerçek zamanlı, yerelleştirilmiş otomatik tamamlama önerileri sağlamak.
• Yazım Denetleyicileri: Doğru yazılmış kelimelerden oluşan bir sözlük depolayarak, bir Trie bir kelimenin var olup olmadığını verimli bir şekilde kontrol edebilir veya öneklere dayalı alternatifler önerebilir.
  • Küresel Örnek: Küresel bir içerik oluşturma aracında çeşitli dilsel girdiler için doğru yazımı sağlamak.
• IP Yönlendirme Tabloları: Trie'ler, bir IP adresi için en spesifik rotayı belirlemek üzere ağ yönlendirmesinde temel olan en uzun önek eşleştirmesi için mükemmeldir.
  • Küresel Örnek: Geniş uluslararası ağlar arasında veri paketi yönlendirmesini optimize etmek.
• Sözlük Arama: Kelimelerin ve tanımlarının hızlı bir şekilde aranması.
  • Küresel Örnek: Yüz binlerce kelime arasında hızlı aramaları destekleyen çok dilli bir sözlük oluşturmak.
• Biyoinformatik: Uzun dizelerin yaygın olduğu DNA ve RNA dizilerinde desen eşleştirme için kullanılır.
  • Küresel Örnek: Dünya çapındaki araştırma kurumları tarafından katkıda bulunulan genomik verileri analiz etmek.

JavaScript'teki Eşzamanlılık Zorluğu

JavaScript'in tek iş parçacıklı olma konusundaki ünü, özellikle web tarayıcılarındaki ana yürütme ortamı için büyük ölçüde doğrudur. Bununla birlikte, modern JavaScript paralelliğe ulaşmak için güçlü mekanizmalar sunar ve bununla birlikte eşzamanlı programlamanın klasik zorluklarını da beraberinde getirir.

JavaScript'in Tek İş Parçacıklı Doğası (ve sınırları)

Ana iş parçacığındaki JavaScript motoru, görevleri bir olay döngüsü aracılığıyla sıralı olarak işler. Bu model, kilitlenmeler (deadlocks) gibi yaygın eşzamanlılık sorunlarını önleyerek web geliştirmenin birçok yönünü basitleştirir. Ancak, hesaplama açısından yoğun görevler için, kullanıcı arayüzünün yanıt vermemesine ve kötü bir kullanıcı deneyimine yol açabilir.

Web Workers'ın Yükselişi: Tarayıcıda Gerçek Eşzamanlılık

Web Workers, bir web sayfasının ana yürütme iş parçacığından ayrı olarak, arka plan iş parçacıklarında komut dosyalarını çalıştırmanın bir yolunu sunar. Bu, uzun süren, CPU'ya bağlı görevlerin başka bir yere yüklenebileceği ve kullanıcı arayüzünün yanıt vermeye devam edeceği anlamına gelir. Veriler genellikle ana iş parçacığı ve worker'lar arasında veya worker'ların kendi aralarında bir mesaj geçirme modeli (postMessage()) kullanılarak paylaşılır.

• Mesaj Geçirme: Veriler, iş parçacıkları arasında gönderildiğinde 'yapısal olarak klonlanır' (kopyalanır). Küçük mesajlar için bu verimlidir. Ancak, milyonlarca düğüm içerebilecek bir Trie gibi büyük veri yapıları için, tüm yapıyı tekrar tekrar kopyalamak, eşzamanlılığın faydalarını ortadan kaldırarak fahiş derecede pahalı hale gelir.
  • Düşünün: Bir Trie, büyük bir dil için sözlük verilerini tutuyorsa, her worker etkileşimi için onu kopyalamak verimsizdir.

Sorun: Değiştirilebilir Paylaşılan Durum ve Yarış Koşulları

Birden çok iş parçacığı (Web Workers) aynı veri yapısına erişip değiştirmesi gerektiğinde ve bu veri yapısı değiştirilebilir olduğunda, yarış koşulları ciddi bir endişe haline gelir. Bir Trie, doğası gereği değiştirilebilirdir: kelimeler eklenir, aranır ve bazen silinir. Uygun senkronizasyon olmadan, eşzamanlı işlemler şunlara yol açabilir:

• Veri Bozulması: Aynı karakter için aynı anda yeni bir düğüm eklemeye çalışan iki worker, birbirlerinin değişikliklerinin üzerine yazarak eksik veya yanlış bir Trie'ye yol açabilir.
• Tutarsız Okumalar: Bir worker, kısmen güncellenmiş bir Trie'yi okuyarak yanlış arama sonuçlarına yol açabilir.
• Kayıp Güncellemeler: Başka bir worker, ilkinin değişikliğini kabul etmeden üzerine yazarsa, bir worker'ın değişikliği tamamen kaybolabilir.

Bu nedenle, tek iş parçacıklı bir bağlamda işlevsel olmasına rağmen standart, nesne tabanlı bir JavaScript Trie, Web Workers arasında doğrudan paylaşım ve değişiklik için kesinlikle uygun değildir. Çözüm, açık bellek yönetimi ve atomik işlemlerde yatmaktadır.

İş Parçacığı Güvenliğini Sağlama: JavaScript'in Eşzamanlılık Temel Öğeleri

Mesaj geçirme sınırlamalarının üstesinden gelmek ve gerçek iş parçacığı güvenli paylaşılan durumu etkinleştirmek için JavaScript, güçlü düşük seviyeli temel öğeler sundu: SharedArrayBuffer ve Atomics.

SharedArrayBuffer'a Giriş

SharedArrayBuffer, ArrayBuffer'a benzer şekilde sabit uzunlukta bir ham ikili veri arabelleğidir, ancak önemli bir farkla: içeriği birden çok Web Worker arasında paylaşılabilir. Verileri kopyalamak yerine, worker'lar aynı temel belleğe doğrudan erişebilir ve değiştirebilir. Bu, büyük, karmaşık veri yapıları için veri aktarımı yükünü ortadan kaldırır.

• Paylaşılan Bellek: Bir SharedArrayBuffer, belirtilen tüm Web Worker'ların okuyup yazabileceği gerçek bir bellek bölgesidir.
• Klonlama Yok: Bir SharedArrayBuffer'ı bir Web Worker'a geçtiğinizde, bir kopya değil, aynı bellek alanına bir referans geçirilir.
• Güvenlik Hususları: Potansiyel Spectre tarzı saldırılar nedeniyle, SharedArrayBuffer'ın belirli güvenlik gereksinimleri vardır. Web tarayıcıları için bu genellikle Cross-Origin-Opener-Policy (COOP) ve Cross-Origin-Embedder-Policy (COEP) HTTP başlıklarının same-origin veya credentialless olarak ayarlanmasını içerir. Bu, sunucu yapılandırmalarının güncellenmesi gerektiğinden, küresel dağıtım için kritik bir noktadır. Node.js ortamları (worker_threads kullanarak) bu aynı tarayıcıya özgü kısıtlamalara sahip değildir.

Ancak, bir SharedArrayBuffer tek başına yarış koşulu sorununu çözmez. Paylaşılan belleği sağlar, ancak senkronizasyon mekanizmalarını sağlamaz.

Atomics'in Gücü

Atomics, paylaşılan bellek için atomik işlemler sağlayan küresel bir nesnedir. 'Atomik', işlemin başka herhangi bir iş parçacığı tarafından kesintiye uğratılmadan bütünüyle tamamlanmasının garanti edildiği anlamına gelir. Bu, birden çok worker'ın bir SharedArrayBuffer içindeki aynı bellek konumlarına eriştiğinde veri bütünlüğünü sağlar.

Eşzamanlı bir Trie oluşturmak için çok önemli olan temel Atomics yöntemleri şunlardır:

• Atomics.load(typedArray, index): Bir SharedArrayBuffer tarafından desteklenen bir TypedArray'de belirtilen bir dizindeki bir değeri atomik olarak yükler.
  • Kullanım: Düğüm özelliklerini (ör. alt öğe işaretçileri, karakter kodları, terminal bayrakları) müdahale olmadan okumak için.
• Atomics.store(typedArray, index, value): Belirtilen bir dizine atomik olarak bir değer depolar.
  • Kullanım: Yeni düğüm özelliklerini yazmak için.
• Atomics.add(typedArray, index, value): Belirtilen dizindeki mevcut değere atomik olarak bir değer ekler ve eski değeri döndürür. Sayaçlar için kullanışlıdır (ör. bir referans sayacını veya bir 'sonraki kullanılabilir bellek adresi' işaretçisini artırmak).
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue): Bu, tartışmasız eşzamanlı veri yapıları için en güçlü atomik işlemdir. index'teki değerin expectedValue ile eşleşip eşleşmediğini atomik olarak kontrol eder. Eşleşirse, değeri replacementValue ile değiştirir ve eski değeri (expectedValue olan) döndürür. Eşleşmezse, hiçbir değişiklik olmaz ve index'teki gerçek değeri döndürür.
  • Kullanım: Kilitleri (spinlocks veya mutexes), iyimser eşzamanlılığı uygulamak veya bir değişikliğin yalnızca durum beklenildiği gibiyse gerçekleşmesini sağlamak. Bu, yeni düğümler oluşturmak veya işaretçileri güvenli bir şekilde güncellemek için kritiktir.
• Atomics.wait(typedArray, index, value, [timeout]) ve Atomics.notify(typedArray, index, [count]): Bunlar, daha gelişmiş senkronizasyon desenleri için kullanılır; worker'ların belirli bir koşul için engellenip beklemesine ve değiştiğinde bildirim almasına olanak tanır. Üretici-tüketici desenleri veya karmaşık kilitleme mekanizmaları için kullanışlıdır.

Paylaşılan bellek için SharedArrayBuffer ve senkronizasyon için Atomics'in sinerjisi, JavaScript'te Eşzamanlı Trie'miz gibi karmaşık, iş parçacığı güvenli veri yapıları oluşturmak için gerekli temeli sağlar.

SharedArrayBuffer ve Atomics ile Eşzamanlı Bir Trie Tasarlamak

Eşzamanlı bir Trie oluşturmak, yalnızca nesne yönelimli bir Trie'yi paylaşılan bir bellek yapısına çevirmekle ilgili değildir. Düğümlerin nasıl temsil edildiği ve işlemlerin nasıl senkronize edildiği konusunda temel bir değişiklik gerektirir.

Mimari Hususlar

Trie Yapısını bir SharedArrayBuffer'da Temsil Etme

Doğrudan referansları olan JavaScript nesneleri yerine, Trie düğümlerimiz bir SharedArrayBuffer içinde bitişik bellek blokları olarak temsil edilmelidir. Bu şu anlama gelir:

• Doğrusal Bellek Tahsisi: Tipik olarak tek bir SharedArrayBuffer kullanacağız ve onu, her bir yuvanın bir Trie düğümünü temsil ettiği büyük bir sabit boyutlu 'yuva' veya 'sayfa' dizisi olarak göreceğiz.
• Düğüm İşaretçileri Olarak Dizinler: Diğer nesnelere referanslar depolamak yerine, alt öğe işaretçileri, aynı SharedArrayBuffer içindeki başka bir düğümün başlangıç konumuna işaret eden sayısal dizinler olacaktır.
• Sabit Boyutlu Düğümler: Bellek yönetimini basitleştirmek için, her Trie düğümü önceden tanımlanmış sayıda bayt kaplayacaktır. Bu sabit boyut, karakterini, alt öğe işaretçilerini ve terminal bayrağını barındıracaktır.

SharedArrayBuffer içinde basitleştirilmiş bir düğüm yapısı düşünelim. Her düğüm bir tamsayı dizisi olabilir (ör. SharedArrayBuffer üzerinde Int32Array veya Uint32Array görünümleri), burada:

• Dizin 0: `characterCode` (ör. bu düğümün temsil ettiği karakterin ASCII/Unicode değeri veya kök için 0).
• Dizin 1: `isTerminal` (yanlış için 0, doğru için 1).
• Dizin 2 ila N: `children[0...25]` (veya daha geniş karakter setleri için daha fazlası), her değerin SharedArrayBuffer içindeki bir alt düğüme bir dizin olduğu veya o karakter için bir alt öğe yoksa 0 olduğu yer.
• Yeni düğümler ayırmak için arabellekte bir yerde (veya harici olarak yönetilen) bir `nextFreeNodeIndex` işaretçisi.

Örnek: Bir düğüm 30 `Int32` yuvası kaplıyorsa ve SharedArrayBuffer'ımız bir Int32Array olarak görüntüleniyorsa, `i` dizinindeki düğüm `i * 30`'da başlar.

Boş Bellek Bloklarını Yönetme

Yeni düğümler eklendiğinde, alan ayırmamız gerekir. Basit bir yaklaşım, SharedArrayBuffer'daki bir sonraki kullanılabilir boş yuvaya bir işaretçi tutmaktır. Bu işaretçinin kendisi atomik olarak güncellenmelidir.

İş Parçacığı Güvenli Ekleme Uygulaması (`insert` işlemi)

Ekleme, Trie yapısını değiştirmeyi, potansiyel olarak yeni düğümler oluşturmayı ve işaretçileri güncellemeyi içerdiği için en karmaşık işlemdir. Burası, tutarlılığı sağlamak için Atomics.compareExchange()'in kritik hale geldiği yerdir.

"apple" gibi bir kelime ekleme adımlarını özetleyelim:

İş Parçacığı Güvenli Ekleme için Kavramsal Adımlar:

1. Kökten Başla: Kök düğümden (dizin 0'da) geçişe başlayın. Kök genellikle bir karakteri temsil etmez.
2. Karakter Karakter Dolaş: Kelimedeki her karakter için (ör. 'a', 'p', 'p', 'l', 'e'):
   1. Alt Dizin Belirle: Geçerli düğümün alt işaretçileri içinde geçerli karaktere karşılık gelen dizini hesaplayın. (ör. `children[char.charCodeAt(0) - 'a'.charCodeAt(0)]`).
   2. Alt İşaretçiyi Atomik Olarak Yükle: Potansiyel alt düğümün başlangıç dizinini almak için Atomics.load(typedArray, current_node_child_pointer_index) kullanın.
   3. Alt Öğenin Var Olup Olmadığını Kontrol Et:
      • Yüklenen alt işaretçi 0 ise (alt öğe yok): Burası yeni bir düğüm oluşturmamız gereken yerdir.
        1. Yeni Düğüm Dizini Ayır: Yeni düğüm için atomik olarak yeni bir benzersiz dizin elde edin. Bu genellikle bir 'sonraki kullanılabilir düğüm' sayacının atomik olarak artırılmasını içerir (ör. `newNodeIndex = Atomics.add(typedArray, NEXT_FREE_NODE_INDEX_OFFSET, NODE_SIZE)`). Dönen değer, artırmadan önceki *eski* değerdir, bu da yeni düğümümüzün başlangıç adresidir.
        2. Yeni Düğümü Başlat: Karakter kodunu ve `isTerminal = 0`'ı, yeni ayrılan düğümün bellek bölgesine `Atomics.store()` kullanarak yazın.
        3. Yeni Düğümü Bağlamaya Çalış: Bu, iş parçacığı güvenliği için kritik adımdır. Atomics.compareExchange(typedArray, current_node_child_pointer_index, 0, newNodeIndex) kullanın.
           • Eğer compareExchange 0 döndürürse (yani onu bağlamaya çalıştığımızda alt işaretçi gerçekten 0 idi), o zaman yeni düğümümüz başarıyla bağlanmıştır. Yeni düğüme `current_node` olarak devam edin.
           • Eğer compareExchange sıfır olmayan bir değer döndürürse (yani başka bir worker bu karakter için arada bir düğüm başarıyla bağladı), o zaman bir çakışmamız var. Yeni oluşturduğumuz düğümü *atarız* (veya bir havuz yönetiyorsak onu bir serbest listesine geri ekleriz) ve bunun yerine `compareExchange` tarafından döndürülen dizini `current_node` olarak kullanırız. Yarışı etkili bir şekilde 'kaybeder' ve kazanan tarafından oluşturulan düğümü kullanırız.
      • Yüklenen alt işaretçi sıfır değilse (alt öğe zaten var): `current_node`'u yüklenen alt dizine ayarlayın ve sonraki karaktere devam edin.
3. Terminal Olarak İşaretle: Tüm karakterler işlendikten sonra, son düğümün `isTerminal` bayrağını Atomics.store() kullanarak atomik olarak 1'e ayarlayın.

Atomics.compareExchange() ile bu iyimser kilitleme stratejisi hayati önem taşır. Açık mutexler kullanmak yerine (ki Atomics.wait/notify oluşturmaya yardımcı olabilir), bu yaklaşım bir değişiklik yapmaya çalışır ve yalnızca bir çakışma tespit edilirse geri alır veya uyum sağlar, bu da onu birçok eşzamanlı senaryo için verimli kılar.

Açıklayıcı (Basitleştirilmiş) Ekleme için Sözde Kod:

const NODE_SIZE = 30; // Örnek: 2 meta veri için + 28 alt öğe için
const CHARACTER_CODE_OFFSET = 0;
const IS_TERMINAL_OFFSET = 1;
const CHILDREN_OFFSET = 2;
const NEXT_FREE_NODE_INDEX_OFFSET = 0; // Tamponun en başında saklanır

// 'sharedBuffer'ın SharedArrayBuffer üzerinde bir Int32Array görünümü olduğu varsayılıyor
function insertWord(word, sharedBuffer) {
    let currentNodeIndex = NODE_SIZE; // Kök düğüm, serbest işaretçiden sonra başlar

    for (let i = 0; i < word.length; i++) {
        const charCode = word.charCodeAt(i);
        const childIndexInNode = charCode - 'a'.charCodeAt(0) + CHILDREN_OFFSET;
        const childPointerOffset = currentNodeIndex + childIndexInNode;

        let nextNodeIndex = Atomics.load(sharedBuffer, childPointerOffset);

        if (nextNodeIndex === 0) {
            // Alt öğe yok, bir tane oluşturmayı dene
            const allocatedNodeIndex = Atomics.add(sharedBuffer, NEXT_FREE_NODE_INDEX_OFFSET, NODE_SIZE);

            // Yeni düğümü başlat
            Atomics.store(sharedBuffer, allocatedNodeIndex + CHARACTER_CODE_OFFSET, charCode);
            Atomics.store(sharedBuffer, allocatedNodeIndex + IS_TERMINAL_OFFSET, 0);
            // Tüm alt öğe işaretçileri varsayılan olarak 0'dır
            for (let k = 0; k < NODE_SIZE - CHILDREN_OFFSET; k++) {
                Atomics.store(sharedBuffer, allocatedNodeIndex + CHILDREN_OFFSET + k, 0);
            }

            // Yeni düğümümüzü atomik olarak bağlamayı dene
            const actualOldValue = Atomics.compareExchange(sharedBuffer, childPointerOffset, 0, allocatedNodeIndex);

            if (actualOldValue === 0) {
                // Düğümümüz başarıyla bağlandı, devam et
                nextNodeIndex = allocatedNodeIndex;
            } else {
                // Başka bir worker bir düğüm bağladı; onlarınkini kullan. Bizim ayırdığımız düğüm artık kullanılmıyor.
                // Gerçek bir sistemde, burada bir serbest listesini daha sağlam bir şekilde yönetirdiniz.
                // Basitlik adına, sadece kazananın düğümünü kullanıyoruz.
                nextNodeIndex = actualOldValue;
            }
        }
        currentNodeIndex = nextNodeIndex;
    }
    // Son düğümü terminal olarak işaretle
    Atomics.store(sharedBuffer, currentNodeIndex + IS_TERMINAL_OFFSET, 1);
}

İş Parçacığı Güvenli Arama Uygulaması (`search` ve `startsWith` işlemleri)

Bir kelimeyi aramak veya belirli bir önekle başlayan tüm kelimeleri bulmak gibi okuma işlemleri, yapıyı değiştirmedikleri için genellikle daha basittir. Ancak, eşzamanlı yazmalardan kaynaklanan kısmi okumalardan kaçınarak tutarlı, güncel değerleri okuduklarından emin olmak için yine de atomik yüklemeler kullanmalıdırlar.

İş Parçacığı Güvenli Arama için Kavramsal Adımlar:

1. Kökten Başla: Kök düğümden başlayın.
2. Karakter Karakter Dolaş: Arama önekindeki her karakter için:
   1. Alt Dizin Belirle: Karakter için alt işaretçi ofsetini hesaplayın.
   2. Alt İşaretçiyi Atomik Olarak Yükle: Atomics.load(typedArray, current_node_child_pointer_index) kullanın.
   3. Alt Öğenin Var Olup Olmadığını Kontrol Et: Yüklenen işaretçi 0 ise, kelime/önek mevcut değildir. Çıkın.
   4. Alt Öğeye Git: Varsa, `current_node`'u yüklenen alt dizine güncelleyin ve devam edin.
3. Son Kontrol (`search` için): Tüm kelimeyi dolaştıktan sonra, son düğümün `isTerminal` bayrağını atomik olarak yükleyin. 1 ise, kelime mevcuttur; aksi takdirde, sadece bir önektir.
4. `startsWith` için: Ulaşılan son düğüm, önekin sonunu temsil eder. Bu düğümden, alt ağacındaki tüm terminal düğümleri bulmak için bir derinlemesine arama (DFS) veya genişlemesine arama (BFS) başlatılabilir (atomik yüklemeler kullanarak).

Okuma işlemleri, altta yatan belleğe atomik olarak erişildiği sürece doğası gereği güvenlidir. Yazma sırasındaki `compareExchange` mantığı, hiçbir geçersiz işaretçinin kurulmamasını ve yazma sırasındaki herhangi bir yarışın tutarlı (bir worker için potansiyel olarak biraz gecikmeli olsa da) bir duruma yol açmasını sağlar.

Açıklayıcı (Basitleştirilmiş) Arama için Sözde Kod:

function searchWord(word, sharedBuffer) {
    let currentNodeIndex = NODE_SIZE;

    for (let i = 0; i < word.length; i++) {
        const charCode = word.charCodeAt(i);
        const childIndexInNode = charCode - 'a'.charCodeAt(0) + CHILDREN_OFFSET;
        const childPointerOffset = currentNodeIndex + childIndexInNode;

        const nextNodeIndex = Atomics.load(sharedBuffer, childPointerOffset);

        if (nextNodeIndex === 0) {
            return false; // Karakter yolu mevcut değil
        }
        currentNodeIndex = nextNodeIndex;
    }
    // Son düğümün terminal bir kelime olup olmadığını kontrol et
    return Atomics.load(sharedBuffer, currentNodeIndex + IS_TERMINAL_OFFSET) === 1;
}

İş Parçacığı Güvenli Silme Uygulaması (Gelişmiş)

Silme, eşzamanlı bir paylaşılan bellek ortamında önemli ölçüde daha zordur. Saf silme şunlara yol açabilir:

• Sallanan İşaretçiler: Bir worker bir düğümü silerken diğeri ona doğru ilerliyorsa, ilerleyen worker geçersiz bir işaretçiyi takip edebilir.
• Tutarsız Durum: Kısmi silmeler Trie'yi kullanılamaz bir durumda bırakabilir.
• Bellek Parçalanması: Silinen belleği güvenli ve verimli bir şekilde geri kazanmak karmaşıktır.

Silmeyi güvenli bir şekilde ele almak için yaygın stratejiler şunlardır:

• Mantıksal Silme (İşaretleme): Düğümleri fiziksel olarak kaldırmak yerine, bir `isDeleted` bayrağı atomik olarak ayarlanabilir. Bu, eşzamanlılığı basitleştirir ancak daha fazla bellek kullanır.
• Referans Sayımı / Çöp Toplama: Her düğüm atomik bir referans sayısı tutabilir. Bir düğümün referans sayısı sıfıra düştüğünde, gerçekten kaldırılmaya uygun hale gelir ve belleği geri kazanılabilir (ör. bir serbest listesine eklenir). Bu aynı zamanda referans sayımlarına atomik güncellemeler gerektirir.
• Oku-Kopyala-Güncelle (RCU): Çok yüksek okuma, düşük yazma senaryoları için, yazarlar Trie'nin değiştirilmiş kısmının yeni bir sürümünü oluşturabilir ve tamamlandığında, yeni sürüme bir işaretçiyi atomik olarak değiştirebilir. Okumalar, değiştirme tamamlanana kadar eski sürümde devam eder. Bu, Trie gibi granüler bir veri yapısı için uygulanması karmaşıktır ancak güçlü tutarlılık garantileri sunar.

Birçok pratik uygulama için, özellikle yüksek verim gerektirenler için, yaygın bir yaklaşım, Trie'leri yalnızca eklemeli yapmak veya mantıksal silme kullanmak, karmaşık bellek geri kazanımını daha az kritik zamanlara ertelemek veya harici olarak yönetmektir. Gerçek, verimli ve atomik fiziksel silme uygulamak, eşzamanlı veri yapılarında araştırma düzeyinde bir problemdir.

Pratik Hususlar ve Performans

Bir Eşzamanlı Trie oluşturmak sadece doğrulukla ilgili değil; aynı zamanda pratik performans ve sürdürülebilirlikle de ilgilidir.

Bellek Yönetimi ve Ek Yük

• `SharedArrayBuffer` Başlatma: Arabellek yeterli bir boyuta önceden tahsis edilmelidir. Maksimum düğüm sayısını ve sabit boyutlarını tahmin etmek çok önemlidir. Bir SharedArrayBuffer'ın dinamik olarak yeniden boyutlandırılması basit değildir ve genellikle yeni, daha büyük bir arabellek oluşturmayı ve içerikleri kopyalamayı içerir, bu da sürekli çalışma için paylaşılan belleğin amacını bozar.
• Alan Verimliliği: Sabit boyutlu düğümler, bellek tahsisini ve işaretçi aritmetiğini basitleştirirken, birçok düğümün seyrek alt kümeleri varsa daha az bellek verimli olabilir. Bu, basitleştirilmiş eşzamanlı yönetim için bir ödündür.
• Manuel Çöp Toplama: Bir SharedArrayBuffer içinde otomatik çöp toplama yoktur. Silinen düğümlerin belleği, bellek sızıntılarını ve parçalanmayı önlemek için genellikle bir serbest liste aracılığıyla açıkça yönetilmelidir. Bu, önemli ölçüde karmaşıklık ekler.

Performans Karşılaştırması

Ne zaman bir Eşzamanlı Trie tercih etmelisiniz? Bu, tüm durumlar için sihirli bir değnek değildir.

• Tek İş Parçacıklı ve Çok İş Parçacıklı: Küçük veri kümeleri veya düşük eşzamanlılık için, Web Worker iletişim kurulumu ve atomik işlemlerin ek yükü nedeniyle ana iş parçacığındaki standart nesne tabanlı bir Trie hala daha hızlı olabilir.
• Yüksek Eşzamanlı Yazma/Okuma İşlemleri: Eşzamanlı Trie, büyük bir veri setiniz, yüksek hacimli eşzamanlı yazma işlemleriniz (eklemeler, silmeler) ve birçok eşzamanlı okuma işleminiz (aramalar, önek aramaları) olduğunda parlar. Bu, ağır hesaplamayı ana iş parçacığından boşaltır.
• `Atomics` Ek Yükü: Atomik işlemler, doğruluk için gerekli olsa da, genellikle atomik olmayan bellek erişimlerinden daha yavaştır. Faydalar, daha hızlı bireysel işlemlerden değil, birden çok çekirdekte paralel yürütmeden gelir. Paralel hızlandırmanın atomik ek yükten daha ağır basıp basmadığını belirlemek için özel kullanım durumunuzu karşılaştırmanız kritiktir.

Hata Yönetimi ve Sağlamlık

Eşzamanlı programların hatalarını ayıklamak herkesin bildiği gibi zordur. Yarış koşulları zor yakalanabilir ve deterministik olmayabilir. Birçok eşzamanlı worker ile yapılan stres testleri de dahil olmak üzere kapsamlı testler esastır.

• Yeniden Denemeler: `compareExchange` gibi işlemlerin başarısız olması, başka bir worker'ın oraya önce ulaştığı anlamına gelir. Mantığınız, ekleme sözde kodunda gösterildiği gibi yeniden denemeye veya uyum sağlamaya hazır olmalıdır.
• Zaman Aşımları: Daha karmaşık senkronizasyonda, bir `notify` asla gelmezse kilitlenmeleri önlemek için `Atomics.wait` bir zaman aşımı alabilir.

Tarayıcı ve Ortam Desteği

• Web Workers: Modern tarayıcılarda ve Node.js'de (`worker_threads`) yaygın olarak desteklenir.
• `SharedArrayBuffer` & `Atomics`: Tüm büyük modern tarayıcılarda ve Node.js'de desteklenir. Ancak, belirtildiği gibi, tarayıcı ortamları güvenlik endişeleri nedeniyle `SharedArrayBuffer`'ı etkinleştirmek için belirli HTTP başlıkları (COOP/COEP) gerektirir. Bu, küresel erişimi hedefleyen web uygulamaları için çok önemli bir dağıtım detayıdır.
  • Küresel Etki: Dünya çapındaki sunucu altyapınızın bu başlıkları doğru şekilde gönderecek şekilde yapılandırıldığından emin olun.

Kullanım Alanları ve Küresel Etki

JavaScript'te iş parçacığı güvenli, eşzamanlı veri yapıları oluşturma yeteneği, özellikle küresel bir kullanıcı tabanına hizmet veren veya büyük miktarda dağıtılmış veriyi işleyen uygulamalar için bir olasılıklar dünyası açar.

• Küresel Arama ve Otomatik Tamamlama Platformları: Ürün adları, konumlar ve kullanıcı sorguları için çeşitli dillerde ve karakter setlerinde ultra hızlı, gerçek zamanlı otomatik tamamlama önerileri sunması gereken uluslararası bir arama motorunu veya bir e-ticaret platformunu hayal edin. Web Workers'daki bir Eşzamanlı Trie, ana kullanıcı arayüzü iş parçacığını yavaşlatmadan büyük eşzamanlı sorguları ve dinamik güncellemeleri (ör. yeni ürünler, trend aramalar) yönetebilir.
• Dağıtılmış Kaynaklardan Gerçek Zamanlı Veri İşleme: Farklı kıtalardaki sensörlerden veri toplayan IoT uygulamaları veya çeşitli borsalardan piyasa veri akışlarını işleyen finansal sistemler için, bir Eşzamanlı Trie, dize tabanlı veri akışlarını (ör. cihaz kimlikleri, hisse senedi sembolleri) anında verimli bir şekilde dizine ekleyebilir ve sorgulayabilir, böylece birden çok işleme hattının paylaşılan veriler üzerinde paralel olarak çalışmasına olanak tanır.
• İşbirlikçi Düzenleme ve IDE'ler: Çevrimiçi işbirlikçi belge düzenleyicilerinde veya bulut tabanlı IDE'lerde, paylaşılan bir Trie, farklı zaman dilimlerindeki birden çok kullanıcı değişiklik yaptıkça anında güncellenen gerçek zamanlı sözdizimi kontrolü, kod tamamlama veya yazım denetimini güçlendirebilir. Paylaşılan Trie, tüm aktif düzenleme oturumlarına tutarlı bir görünüm sağlar.
• Oyun ve Simülasyon: Tarayıcı tabanlı çok oyunculu oyunlar için, bir Eşzamanlı Trie, oyun içi sözlük aramalarını (kelime oyunları için), oyuncu adı dizinlerini veya hatta paylaşılan bir dünya durumunda yapay zeka yol bulma verilerini yönetebilir ve tüm oyun iş parçacıklarının duyarlı oyun deneyimi için tutarlı bilgiler üzerinde çalışmasını sağlar.
• Yüksek Performanslı Ağ Uygulamaları: Genellikle özel donanım veya daha düşük seviyeli diller tarafından ele alınsa da, JavaScript tabanlı bir sunucu (Node.js), özellikle esneklik ve hızlı dağıtımın öncelikli olduğu ortamlarda dinamik yönlendirme tablolarını veya protokol ayrıştırmasını verimli bir şekilde yönetmek için bir Eşzamanlı Trie'den yararlanabilir.

Bu örnekler, hesaplama açısından yoğun dize işlemlerini arka plan iş parçacıklarına boşaltırken, bir Eşzamanlı Trie aracılığıyla veri bütünlüğünü korumanın, küresel taleplerle karşı karşıya olan uygulamaların yanıt verebilirliğini ve ölçeklenebilirliğini nasıl önemli ölçüde artırabileceğini vurgulamaktadır.

JavaScript'te Eşzamanlılığın Geleceği

JavaScript eşzamanlılığının manzarası sürekli olarak gelişmektedir:

• WebAssembly ve Paylaşılan Bellek: WebAssembly modülleri de SharedArrayBuffer'lar üzerinde çalışabilir, genellikle CPU'ya bağlı görevler için daha da ince taneli kontrol ve potansiyel olarak daha yüksek performans sunarken, yine de JavaScript Web Workers ile etkileşim kurabilir.
• JavaScript Temel Öğelerindeki İlerlemeler: ECMAScript standardı, eşzamanlılık temel öğelerini keşfetmeye ve iyileştirmeye devam ediyor, potansiyel olarak yaygın eşzamanlı desenleri basitleştiren daha yüksek seviyeli soyutlamalar sunuyor.
• Kütüphaneler ve Çerçeveler: Bu düşük seviyeli temel öğeler olgunlaştıkça, SharedArrayBuffer ve Atomics'in karmaşıklıklarını soyutlayan kütüphanelerin ve çerçevelerin ortaya çıkmasını bekleyebiliriz, bu da geliştiricilerin derin bellek yönetimi bilgisi olmadan eşzamanlı veri yapıları oluşturmasını kolaylaştırır.

Bu gelişmeleri benimsemek, JavaScript geliştiricilerinin mümkün olanın sınırlarını zorlamasına, küresel olarak bağlantılı bir dünyanın taleplerine dayanabilecek yüksek performanslı ve duyarlı web uygulamaları oluşturmasına olanak tanır.

Sonuç

Temel bir Trie'den JavaScript'te tamamen İş Parçacığı Güvenli bir Eşzamanlı Trie'ye olan yolculuk, dilin inanılmaz evriminin ve şimdi geliştiricilere sunduğu gücün bir kanıtıdır. SharedArrayBuffer ve Atomics'ten yararlanarak, tek iş parçacıklı modelin sınırlamalarının ötesine geçebilir ve karmaşık, eşzamanlı işlemleri bütünlük ve yüksek performansla yürütebilen veri yapıları oluşturabiliriz.

Bu yaklaşım zorluklardan arınmış değil – bellek düzeni, atomik işlem sıralaması ve sağlam hata yönetimi konusunda dikkatli bir değerlendirme gerektirir. Ancak, büyük, değiştirilebilir dize veri kümeleriyle uğraşan ve küresel ölçekte yanıt verebilirlik gerektiren uygulamalar için Eşzamanlı Trie güçlü bir çözüm sunar. Geliştiricileri, yeni nesil yüksek düzeyde ölçeklenebilir, etkileşimli ve verimli uygulamalar oluşturma konusunda güçlendirir ve altta yatan veri işleme ne kadar karmaşık hale gelirse gelsin kullanıcı deneyimlerinin sorunsuz kalmasını sağlar. JavaScript eşzamanlılığının geleceği burada ve Eşzamanlı Trie gibi yapılarla, her zamankinden daha heyecan verici ve yetenekli.