JavaScript Concurrent Map: Samaradorlikni Oshirish uchun Parallel Ma'lumotlar Tuzilmasi Operatsiyalari

Zamonaviy JavaScript dasturlashida, ayniqsa Node.js muhitlari va Web Workers'dan foydalanadigan veb-brauzerlarda, bir vaqtda operatsiyalarni bajarish qobiliyati tobora muhim ahamiyat kasb etmoqda. Bir vaqtda ishlash samaradorlikka sezilarli ta'sir ko'rsatadigan sohalardan biri bu ma'lumotlar tuzilmasini manipulyatsiya qilishdir. Ushbu blog posti JavaScript'dagi Concurrent Map tushunchasiga chuqur kirib boradi, bu dastur samaradorligini keskin oshirishi mumkin bo'lgan parallel ma'lumotlar tuzilmasi operatsiyalari uchun kuchli vositadir.

Bir Vaqtda Ishlaydigan Ma'lumotlar Tuzilmalariga bo'lgan Ehtiyojni Tushunish

An'anaviy JavaScript ma'lumotlar tuzilmalari, masalan, o'rnatilgan Map va Object, tabiatan bir oqimli hisoblanadi. Bu shuni anglatadiki, bir vaqtning o'zida faqat bitta operatsiya ma'lumotlar tuzilmasiga kirishi yoki uni o'zgartirishi mumkin. Bu dastur xatti-harakati haqida fikr yuritishni soddalashtirsa-da, quyidagi stsenariylarda bu "tor joy"ga aylanib qolishi mumkin:

• Ko'p oqimli muhitlar: JavaScript kodini parallel oqimlarda bajarish uchun Web Workers'dan foydalanganda, bir nechta workerdan bir vaqtning o'zida umumiy Map'ga kirish poyga holatlari (race conditions) va ma'lumotlarning buzilishiga olib kelishi mumkin.
• Asinxron operatsiyalar: Node.js yoki brauzerga asoslangan, ko'plab asinxron vazifalar bilan ishlaydigan dasturlarda (masalan, tarmoq so'rovlari, fayllar bilan ishlash), bir nechta callback'lar bir vaqtning o'zida Map'ni o'zgartirishga harakat qilishi mumkin, bu esa kutilmagan xatti-harakatlarga olib keladi.
• Yuqori samarali dasturlar: Real vaqtda ma'lumotlarni tahlil qilish, o'yinlar ishlab chiqish yoki ilmiy simulyatsiyalar kabi intensiv ma'lumotlarni qayta ishlash talablari bo'lgan dasturlar bir vaqtda ishlaydigan ma'lumotlar tuzilmalari taklif etadigan parallellikdan foyda ko'rishi mumkin.

Concurrent Map bu muammolarni bir nechta oqimlar yoki asinxron kontekstlardan bir vaqtning o'zida xaritaning tarkibiga xavfsiz kirish va uni o'zgartirish mexanizmlarini taqdim etish orqali hal qiladi. Bu operatsiyalarni parallel ravishda bajarishga imkon beradi, bu esa ma'lum stsenariylarda samaradorlikning sezilarli darajada oshishiga olib keladi.

Concurrent Map nima?

Concurrent Map - bu bir nechta oqimlar yoki asinxron operatsiyalarga ma'lumotlarning buzilishi yoki poyga holatlariga olib kelmasdan o'z tarkibiga bir vaqtda kirish va uni o'zgartirish imkonini beruvchi ma'lumotlar tuzilmasidir. Bunga odatda quyidagilar yordamida erishiladi:

• Atomar operatsiyalar: Operatsiya davomida boshqa hech qanday oqim aralasha olmasligini ta'minlaydigan yagona, bo'linmas birlik sifatida bajariladigan operatsiyalar.
• Blokirovka mexanizmlari: Mutekslar (mutexes) yoki semaforlar (semaphores) kabi usullar, ular bir vaqtning o'zida faqat bitta oqimga ma'lumotlar tuzilmasining ma'lum bir qismiga kirishga ruxsat beradi, bu esa bir vaqtda o'zgartirishlarning oldini oladi.
• Bloksiz ma'lumotlar tuzilmalari: Ma'lumotlar izchilligini ta'minlash uchun atomar operatsiyalar va aqlli algoritmlardan foydalanib, aniq blokirovkalardan butunlay voz kechadigan ilg'or ma'lumotlar tuzilmalari.

Concurrent Map'ning o'ziga xos amalga oshirish tafsilotlari dasturlash tiliga va asosiy apparat arxitekturasiga bog'liq. JavaScript'da tilning bir oqimli tabiati tufayli haqiqiy bir vaqtda ishlaydigan ma'lumotlar tuzilmasini yaratish qiyin. Biroq, biz Web Workers va asinxron operatsiyalar kabi usullardan, shuningdek, tegishli sinxronizatsiya mexanizmlaridan foydalanib, bir vaqtda ishlashni simulyatsiya qilishimiz mumkin.

Web Workers yordamida JavaScript'da bir vaqtda ishlashni simulyatsiya qilish

Web Workers JavaScript kodini alohida oqimlarda bajarish imkoniyatini beradi, bu esa bizga brauzer muhitida bir vaqtda ishlashni simulyatsiya qilish imkonini beradi. Keling, Map'da saqlanadigan katta hajmdagi ma'lumotlar to'plamida ba'zi hisoblash jihatidan intensiv operatsiyalarni bajarishni xohlagan misolni ko'rib chiqaylik.

Misol: Web Workers va Umumiy Map yordamida Parallel Ma'lumotlarni Qayta Ishlash

Aytaylik, bizda foydalanuvchi ma'lumotlarini o'z ichiga olgan Map mavjud va biz har bir mamlakatdagi foydalanuvchilarning o'rtacha yoshini hisoblamoqchimiz. Biz ma'lumotlarni bir nechta Web Worker'lar o'rtasida taqsimlashimiz va har bir worker'ga ma'lumotlarning bir qismini bir vaqtda qayta ishlashni topshirishimiz mumkin.

Asosiy oqim (index.html yoki main.js):

// Foydalanuvchi ma'lumotlarining katta Map'ini yaratish
const userData = new Map();
for (let i = 0; i < 10000; i++) {
  const country = ['USA', 'Canada', 'UK', 'Germany', 'France'][i % 5];
  userData.set(i, { age: Math.floor(Math.random() * 60) + 18, country });
}

// Har bir worker uchun ma'lumotlarni qismlarga bo'lish
const numWorkers = 4;
const chunkSize = Math.ceil(userData.size / numWorkers);
const dataChunks = [];
let i = 0;
for (let j = 0; j < numWorkers; j++) {
  const chunk = new Map();
  let count = 0;
  for (; i < userData.size && count < chunkSize; i++) {
    chunk.set(i, userData.get(i));
    count++;
  }
  dataChunks.push(chunk);
}

// Web Worker'larni yaratish
const workers = [];
const results = new Map();
let completedWorkers = 0;

for (let i = 0; i < numWorkers; i++) {
  const worker = new Worker('worker.js');
  workers.push(worker);

  worker.onmessage = (event) => {
    const { countryAverages } = event.data;
    // Worker'dan olingan natijalarni birlashtirish
    for (const [country, average] of countryAverages) {
      if (results.has(country)) {
        const existing = results.get(country);
        results.set(country, { sum: existing.sum + average.sum, count: existing.count + average.count });
      } else {
        results.set(country, average);
      }
    }

    completedWorkers++;
    if (completedWorkers === numWorkers) {
      // Barcha worker'lar ishini tugatdi
      const finalAverages = new Map();
      for (const [country, data] of results) {
        finalAverages.set(country, data.sum / data.count);
      }
      console.log('Final Averages:', finalAverages);
    }

    worker.terminate(); // Ishlatib bo'lingandan so'ng worker'ni to'xtatish
  };

  worker.onerror = (error) => {
    console.error('Worker error:', error);
  };

  // Ma'lumotlar qismini worker'ga yuborish
  worker.postMessage({ data: Array.from(dataChunks[i]) });
}

Web Worker (worker.js):

self.onmessage = (event) => {
  const { data } = event.data;
  const userData = new Map(data);
  const countryAverages = new Map();

  for (const [id, user] of userData) {
    const { country, age } = user;
    if (countryAverages.has(country)) {
      const existing = countryAverages.get(country);
      countryAverages.set(country, { sum: existing.sum + age, count: existing.count + 1 });
    } else {
      countryAverages.set(country, { sum: age, count: 1 });
    }
  }

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

Ushbu misolda har bir Web Worker o'zining mustaqil ma'lumotlar nusxasini qayta ishlaydi. Bu aniq blokirovka yoki sinxronizatsiya mexanizmlariga bo'lgan ehtiyojni yo'qotadi. Biroq, agar workerlar soni yoki birlashtirish operatsiyasining murakkabligi yuqori bo'lsa, asosiy oqimdagi natijalarni birlashtirish hali ham "tor joy"ga aylanib qolishi mumkin. Bunday holda, siz quyidagi usullardan foydalanishni ko'rib chiqishingiz mumkin:

• Atomar yangilanishlar: Agar agregatsiya operatsiyasini atomar tarzda bajarish mumkin bo'lsa, umumiy ma'lumotlar tuzilmasini to'g'ridan-to'g'ri workerlardan yangilash uchun SharedArrayBuffer va Atomics operatsiyalaridan foydalanishingiz mumkin. Biroq, bu yondashuv ehtiyotkorlik bilan sinxronizatsiya qilishni talab qiladi va to'g'ri amalga oshirish murakkab bo'lishi mumkin.
• Xabar almashish: Natijalarni asosiy oqimda birlashtirish o'rniga, workerlar bir-biriga qisman natijalarni yuborishi mumkin, bu esa birlashtirish ish yukini bir nechta oqimlar bo'ylab taqsimlaydi.

Asinxron Operatsiyalar va Blokirovkalar yordamida Asosiy Concurrent Map'ni Amalga Oshirish

Web Workers haqiqiy parallellikni ta'minlasa-da, biz bitta oqim ichida asinxron operatsiyalar va blokirovka mexanizmlaridan foydalanib, bir vaqtda ishlashni simulyatsiya qilishimiz ham mumkin. Ushbu yondashuv, ayniqsa, I/O bilan bog'liq operatsiyalar keng tarqalgan Node.js muhitlarida foydalidir.

Quyida oddiy blokirovka mexanizmi yordamida amalga oshirilgan Concurrent Map'ning asosiy misoli keltirilgan:

class ConcurrentMap {
  constructor() {
    this.map = new Map();
    this.lock = false; // Mantiqiy (boolean) bayroq yordamida oddiy blokirovka
  }

  async get(key) {
    while (this.lock) {
      // Blokirovka olib tashlanishini kutish
      await new Promise((resolve) => setTimeout(resolve, 0));
    }
    return this.map.get(key);
  }

  async set(key, value) {
    while (this.lock) {
      // Blokirovka olib tashlanishini kutish
      await new Promise((resolve) => setTimeout(resolve, 0));
    }
    this.lock = true; // Blokirovkani egallash
    try {
      this.map.set(key, value);
    } finally {
      this.lock = false; // Blokirovkani olib tashlash
    }
  }

  async delete(key) {
    while (this.lock) {
      // Blokirovka olib tashlanishini kutish
      await new Promise((resolve) => setTimeout(resolve, 0));
    }
    this.lock = true; // Blokirovkani egallash
    try {
      this.map.delete(key);
    } finally {
      this.lock = false; // Blokirovkani olib tashlash
    }
  }
}

// Foydalanish namunasi
async function example() {
  const concurrentMap = new ConcurrentMap();

  // Bir vaqtda kirishni simulyatsiya qilish
  const promises = [];
  for (let i = 0; i < 10; i++) {
    promises.push(
      (async () => {
        await concurrentMap.set(i, `Value ${i}`);
        console.log(`Set ${i}:`, await concurrentMap.get(i));
        await concurrentMap.delete(i);
        console.log(`Deleted ${i}:`, await concurrentMap.get(i));
      })()
    );
  }

  await Promise.all(promises);
  console.log('Finished!');
}

example();

Ushbu misol blokirovka sifatida oddiy mantiqiy bayroqdan foydalanadi. Map'ga kirishdan yoki uni o'zgartirishdan oldin, har bir asinxron operatsiya blokirovka olib tashlanishini kutadi, blokirovkani egallaydi, operatsiyani bajaradi va keyin blokirovkani olib tashlaydi. Bu bir vaqtning o'zida faqat bitta operatsiya Map'ga kirishini ta'minlaydi va poyga holatlarining oldini oladi.

Muhim Eslatma: Bu juda oddiy misol bo'lib, ishlab chiqarish muhitlarida ishlatilmasligi kerak. U juda samarasiz va "deadlock" kabi muammolarga moyil. Haqiqiy dasturlarda semaforlar yoki mutekslar kabi mustahkamroq blokirovka mexanizmlaridan foydalanish kerak.

Qiyinchiliklar va Mulohazalar

JavaScript'da Concurrent Map'ni amalga oshirish bir nechta qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi:

• JavaScript'ning Bir Oqimli Tabiati: JavaScript asosan bir oqimlidir, bu esa erishish mumkin bo'lgan haqiqiy parallellik darajasini cheklaydi. Web Workers bu cheklovni chetlab o'tish imkonini beradi, ammo ular qo'shimcha murakkablikni keltirib chiqaradi.
• Sinxronizatsiya Qo'shimcha Xarajatlari: Blokirovka mexanizmlari qo'shimcha xarajatlarni keltirib chiqaradi, agar ehtiyotkorlik bilan amalga oshirilmasa, bu bir vaqtda ishlashning samaradorlik afzalliklarini yo'qqa chiqarishi mumkin.
• Murakkablik: Bir vaqtda ishlaydigan ma'lumotlar tuzilmalarini loyihalash va amalga oshirish tabiatan murakkab bo'lib, bir vaqtda ishlash tushunchalari va potentsial xatoliklarni chuqur tushunishni talab qiladi.
• Nosozliklarni tuzatish (Debugging): Bir vaqtda ishlaydigan kodni tuzatish, bir vaqtda bajarilishning deterministik bo'lmagan tabiati tufayli bir oqimli kodni tuzatishdan ancha qiyinroq bo'lishi mumkin.

JavaScript'da Concurrent Map'lardan Foydalanish Holatlari

Qiyinchiliklarga qaramay, Concurrent Map'lar bir nechta stsenariylarda qimmatli bo'lishi mumkin:

• Keshlashtirish: Bir nechta oqimlar yoki asinxron kontekstlardan kirish va yangilanishi mumkin bo'lgan bir vaqtda ishlaydigan keshni amalga oshirish.
• Ma'lumotlarni Agregatsiyalash: Real vaqtda ma'lumotlarni tahlil qilish dasturlari kabi bir nechta manbalardan ma'lumotlarni bir vaqtda agregatsiya qilish.
• Vazifalar Navbatlari: Bir nechta workerlar tomonidan bir vaqtda qayta ishlanishi mumkin bo'lgan vazifalar navbatini boshqarish.
• O'yinlar Ishlab Chiqish: Ko'p o'yinchili o'yinlarda o'yin holatini bir vaqtda boshqarish.

Concurrent Map'larga Alternativalar

Concurrent Map'ni amalga oshirishdan oldin, alternativ yondashuvlar mosroq bo'lishi mumkinligini ko'rib chiqing:

• O'zgarmas (Immutable) Ma'lumotlar Tuzilmalari: O'zgarmas ma'lumotlar tuzilmalari ma'lumotlar yaratilgandan so'ng o'zgartirilmasligini ta'minlab, blokirovkaga bo'lgan ehtiyojni yo'q qilishi mumkin. Immutable.js kabi kutubxonalar JavaScript uchun o'zgarmas ma'lumotlar tuzilmalarini taqdim etadi.
• Xabar Almashish: Oqimlar yoki asinxron kontekstlar o'rtasida aloqa qilish uchun xabar almashishdan foydalanish umumiy o'zgaruvchan holatga bo'lgan ehtiyojni butunlay bartaraf etishi mumkin.
• Hisoblashlarni Boshqa Joyga O'tkazish: Hisoblash jihatidan intensiv vazifalarni backend xizmatlariga yoki bulutli funksiyalarga o'tkazish asosiy oqimni bo'shatishi va dastur javobgarligini oshirishi mumkin.

Xulosa

Concurrent Map'lar JavaScript'da parallel ma'lumotlar tuzilmasi operatsiyalari uchun kuchli vositani taqdim etadi. Ularni amalga oshirish JavaScript'ning bir oqimli tabiati va bir vaqtda ishlashning murakkabligi tufayli qiyinchiliklar tug'dirsa-da, ular ko'p oqimli yoki asinxron muhitlarda samaradorlikni sezilarli darajada oshirishi mumkin. Afzallik va kamchiliklarni tushunib, alternativ yondashuvlarni diqqat bilan ko'rib chiqib, dasturchilar Concurrent Map'lardan foydalanib, yanada samarali va kengaytiriladigan JavaScript dasturlarini yaratishlari mumkin.

Bir vaqtda ishlaydigan kodingiz to'g'ri ishlashini va samaradorlik afzalliklari sinxronizatsiya xarajatlaridan ustun bo'lishini ta'minlash uchun uni sinchkovlik bilan sinovdan o'tkazishni va benchmark qilishni unutmang.

Qo'shimcha O'rganish

• Web Workers API: MDN Web Docs
• SharedArrayBuffer va Atomics: MDN Web Docs
• Immutable.js: Rasmiy veb-sayt