Web Workers: Розкриття можливостей паралельної обробки в JavaScript

У сучасному веб-розробницькому ландшафті створення чуйних і продуктивних веб-застосунків має першорядне значення. Користувачі очікують безперебійної взаємодії та швидкого завантаження. Однак JavaScript, будучи однопотоковим, іноді може мати проблеми з обробкою обчислювально інтенсивних завдань, не заморожуючи інтерфейс користувача. Саме тут на допомогу приходять Web Workers, пропонуючи спосіб виконання сценаріїв у фонових потоках, ефективно забезпечуючи паралельну обробку в JavaScript.

Що таке Web Workers?

Web Workers – це простий спосіб для веб-контенту запускати сценарії у фонових потоках. Вони дозволяють виконувати завдання паралельно з основним потоком виконання веб-застосунку, не блокуючи інтерфейс користувача. Це особливо корисно для завдань, які є обчислювально інтенсивними, таких як обробка зображень, аналіз даних або складні обчислення.

Уявіть собі це так: у вас є головний шеф-кухар (основний потік), який готує їжу (веб-застосунок). Якщо шеф-кухар має робити все сам, це може зайняти багато часу, і клієнти (користувачі) можуть втратити терпіння. Web Workers схожі на помічників шеф-кухаря, які можуть виконувати певні завдання (фонова обробка) незалежно, дозволяючи головному шеф-кухарю зосередитися на найважливіших аспектах приготування їжі (візуалізація інтерфейсу та взаємодія з користувачем).

Навіщо використовувати Web Workers?

Основна перевага використання Web Workers – це покращена продуктивність і чутливість веб-застосунку. Перекладаючи обчислювально інтенсивні завдання у фонові потоки, ви можете запобігти блокуванню основного потоку, забезпечуючи плавність інтерфейсу та його чутливість до взаємодії з користувачем. Ось деякі ключові переваги:

• Покращена чутливість: Запобігає зависанню інтерфейсу та підтримує плавну взаємодію з користувачем.
• Паралельна обробка: Забезпечує одночасне виконання завдань, прискорюючи загальний час обробки.
• Підвищена продуктивність: Оптимізує використання ресурсів і зменшує навантаження на основний потік.
• Спрощений код: Дозволяє розбивати складні завдання на менші, більш керовані одиниці.

Випадки використання Web Workers

Web Workers підходять для широкого спектру завдань, які можуть отримати вигоду від паралельної обробки. Ось деякі поширені випадки використання:

• Обробка зображень і відео: Застосування фільтрів, зміна розміру зображень або кодування/декодування відеофайлів. Наприклад, веб-сайт для редагування фотографій може використовувати Web Workers для застосування складних фільтрів до зображень, не сповільнюючи інтерфейс користувача.
• Аналіз даних і обчислення: Виконання складних обчислень, маніпулювання даними або статистичний аналіз. Розглянемо інструмент фінансового аналізу, який використовує Web Workers для виконання обчислень у реальному часі на даних фондового ринку.
• Фонова синхронізація: Обробка синхронізації даних із сервером у фоновому режимі. Уявіть собі інструмент для спільної роботи над документами, який використовує Web Workers для автоматичного збереження змін на сервері, не перериваючи робочий процес користувача.
• Розробка ігор: Обробка ігрової логіки, фізичних симуляцій або обчислень штучного інтелекту. Web Workers можуть покращити продуктивність складних ігор на основі браузера, обробляючи ці завдання у фоновому режимі.
• Підсвічування синтаксису коду: Підсвічування коду в редакторі коду може бути завданням, інтенсивним для ЦП. Завдяки використанню веб-воркерів, основний потік залишається чутливим, а взаємодія з користувачем значно покращується.
• Трасування променів і 3D-рендеринг: Ці процеси потребують великих обчислювальних ресурсів і є ідеальними кандидатами для запуску в воркері.

Як працюють Web Workers

Web Workers працюють в окремій глобальній області видимості від основного потоку, тобто вони не мають прямого доступу до DOM або інших небезпечних для потоків ресурсів. Зв'язок між основним потоком і Web Workers здійснюється за допомогою передачі повідомлень.

Створення Web Worker

Щоб створити Web Worker, ви просто створюєте новий об'єкт Worker, передаючи шлях до сценарію воркера як аргумент:

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

              
                Copy
              
            
          

worker.js – це окремий файл JavaScript, який містить код, який потрібно виконати у фоновому потоці.

Зв'язок із Web Worker

Зв'язок між основним потоком і Web Worker здійснюється за допомогою методу postMessage() і обробника подій onmessage.

Надсилання повідомлення Web Worker:

            worker.postMessage({ task: 'calculateSum', numbers: [1, 2, 3, 4, 5] });
            

              
                Copy
              
            
          

Отримання повідомлення в Web Worker:

            self.onmessage = function(event) {
  const data = event.data;
  if (data.task === 'calculateSum') {
    const sum = data.numbers.reduce((a, b) => a + b, 0);
    self.postMessage({ result: sum });
  }
};
            

              
                Copy
              
            
          

Отримання повідомлення в основному потоці:

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

              
                Copy
              
            
          

Завершення Web Worker

Коли ви закінчите роботу з Web Worker, важливо завершити її, щоб звільнити ресурси. Ви можете зробити це за допомогою методу terminate():

            worker.terminate();
            

              
                Copy
              
            
          

Типи Web Workers

Існують різні типи Web Workers, кожен зі своїм конкретним випадком використання:

• Виділені воркери: Пов’язані з одним сценарієм і доступні лише для цього сценарію. Вони є найпоширенішим типом Web Worker.
• Спільні воркери: Доступні для кількох сценаріїв із різних джерел. Вони вимагають складнішої установки та підходять для сценаріїв, де кільком сценаріям потрібно спільно використовувати один і той самий воркер.
• Service Workers: Діють як проксі-сервери між веб-застосунками, браузером і мережею. Вони зазвичай використовуються для кешування та підтримки офлайн-режиму. Service Workers – це спеціальний тип Web Worker із розширеними можливостями.

Приклад: Обробка зображень за допомогою Web Workers

Проілюструємо, як Web Workers можна використовувати для виконання обробки зображень у фоновому режимі. Припустимо, у вас є веб-застосунок, який дозволяє користувачам завантажувати зображення та застосовувати фільтри. Застосування складного фільтра в основному потоці може призвести до зависання інтерфейсу, що призведе до поганої взаємодії з користувачем. Web Workers можуть допомогти вирішити цю проблему.

HTML (index.html):

            <input type="file" id="imageInput">
<canvas id="imageCanvas"></canvas>
            

              
                Copy
              
            
          

JavaScript (script.js):

            const imageInput = document.getElementById('imageInput');
const imageCanvas = document.getElementById('imageCanvas');
const ctx = imageCanvas.getContext('2d');

const worker = new Worker('imageWorker.js');

imageInput.addEventListener('change', function(e) {
  const file = e.target.files[0];
  const reader = new FileReader();

  reader.onload = function(event) {
    const img = new Image();
    img.onload = function() {
      imageCanvas.width = img.width;
      imageCanvas.height = img.height;
      ctx.drawImage(img, 0, 0);
      const imageData = ctx.getImageData(0, 0, img.width, img.height);

      worker.postMessage({ imageData: imageData, width: img.width, height: img.height });
    };
    img.src = event.target.result;
  };
  reader.readAsDataURL(file);
});

worker.onmessage = function(event) {
  const processedImageData = event.data.imageData;
  ctx.putImageData(processedImageData, 0, 0);
};
            

              
                Copy
              
            
          

JavaScript (imageWorker.js):

            self.onmessage = function(event) {
  const imageData = event.data.imageData;
  const width = event.data.width;
  const height = event.data.height;

  // Apply a grayscale filter
  for (let i = 0; i < imageData.data.length; i += 4) {
    const avg = (imageData.data[i] + imageData.data[i + 1] + imageData.data[i + 2]) / 3;
    imageData.data[i] = avg; // Red
    imageData.data[i + 1] = avg; // Green
    imageData.data[i + 2] = avg; // Blue
  }

  self.postMessage({ imageData: imageData });
};
            

              
                Copy
              
            
          

У цьому прикладі, коли користувач завантажує зображення, основний потік надсилає дані зображення Web Worker. Web Worker застосовує фільтр відтінків сірого до даних зображення та надсилає оброблені дані назад в основний потік, який потім оновлює полотно. Це забезпечує чуйність інтерфейсу навіть для великих зображень і складніших фільтрів.

Рекомендації щодо використання Web Workers

Щоб ефективно використовувати Web Workers, враховуйте наступні рекомендації:

• Тримайте сценарії воркера простими: Уникайте включення непотрібних бібліотек або коду в сценарії воркера, щоб мінімізувати накладні витрати на створення та ініціалізацію воркерів.
• Оптимізуйте зв'язок: Мінімізуйте обсяг даних, що передаються між основним потоком і воркерами. Використовуйте передавані об'єкти, коли це можливо, щоб уникнути копіювання даних.
• Обробляйте помилки належним чином: Реалізуйте обробку помилок у сценаріях воркера, щоб запобігти несподіваним збоям. Використовуйте обробник подій onerror для перехоплення помилок і належного їх ведення в журнал.
• Завершуйте воркери після завершення: Завершуйте воркери, коли вони більше не потрібні, щоб звільнити ресурси.
• Розгляньте пул потоків: Для дуже інтенсивних для ЦП завдань розгляньте можливість реалізації пулу потоків. Пул потоків повторно використовуватиме існуючі екземпляри воркера, щоб уникнути витрат на повторне створення та знищення об’єктів воркера.

Обмеження Web Workers

Хоча Web Workers пропонують значні переваги, вони також мають деякі обмеження:

• Обмежений доступ до DOM: Web Workers не можуть безпосередньо отримувати доступ до DOM. Вони можуть спілкуватися з основним потоком лише через передачу повідомлень.
• Відсутність доступу до об’єкта Window: Web Workers не мають доступу до об’єкта window або інших глобальних об’єктів, доступних в основному потоці.
• Обмеження доступу до файлів: Web Workers мають обмежений доступ до файлової системи.
• Проблеми з налагодженням: Налагодження Web Workers може бути складнішим, ніж налагодження коду в основному потоці. Однак сучасні інструменти розробника браузера забезпечують підтримку налагодження Web Workers.

Альтернативи Web Workers

Хоча Web Workers є потужним інструментом для паралельної обробки в JavaScript, існують альтернативні підходи, які ви можете розглянути залежно від ваших конкретних потреб:

• requestAnimationFrame: Використовується для планування анімацій та інших візуальних оновлень. Хоча він не забезпечує справжню паралельну обробку, він може допомогти покращити сприйняття продуктивності, розбиваючи завдання на менші частини, які можна виконувати під час циклу перемальовування браузера.
• setTimeout і setInterval: Використовуються для планування завдань для виконання після певної затримки або через регулярні інтервали. Ці методи можна використовувати для вивантаження завдань з основного потоку, але вони не забезпечують справжню паралельну обробку.
• Асинхронні функції (async/await): Використовуються для написання асинхронного коду, який легше читати та підтримувати. Асинхронні функції не забезпечують справжню паралельну обробку, але вони можуть допомогти покращити чутливість, дозволяючи основному потоку продовжувати виконання, чекаючи завершення асинхронних операцій.
• OffscreenCanvas: Цей API надає полотно, яке можна відтворювати в окремому потоці, що забезпечує більш плавну анімацію та операції з інтенсивною графікою.

Висновок

Web Workers є цінним інструментом для покращення продуктивності та чуйності веб-застосунків, забезпечуючи паралельну обробку в JavaScript. Перекладаючи обчислювально інтенсивні завдання у фонові потоки, ви можете запобігти блокуванню основного потоку, забезпечуючи плавну та чуйну взаємодію з користувачем. Хоча вони мають деякі обмеження, Web Workers є потужною технікою для оптимізації продуктивності веб-застосунків і створення більш захопливих вражень для користувачів.

Оскільки веб-застосунки стають дедалі складнішими, потреба в паралельній обробці лише зростатиме. Розуміючи та використовуючи Web Workers, розробники можуть створювати більш продуктивні та чуйні застосунки, які відповідають вимогам сучасних користувачів.

Подальше навчання

• MDN Web Workers API
• HTML5 Rocks: A Simple Worker Example
• JavaScript.info: Web Workers