JavaScript SharedArrayBuffer va Atomics: Thread-Safe Operatsiyalarga Erishish

An'anaviy ravishda yagona threadli til sifatida tanilgan JavaScript Veb Ishchilar orqali parallel ishga kirishishga imkon berdi. Biroq, haqiqiy umumiy xotira parallelizmi tarixan mavjud emas edi, bu brauzerda yuqori unumdorlikdagi parallel hisoblash imkoniyatlarini cheklab qo'ydi. SharedArrayBuffer va Atomicsning joriy etilishi bilan JavaScript endi umumiy xotirani boshqarish va ko'plab threadlar orasida kirishni sinxronlashtirish mexanizmlarini taqdim etadi, bu unumdorlikka sezgir ilovalar uchun yangi imkoniyatlarni ochadi.

Umumiy Xotira va Atomicsning Zarurligini Tushunish

Maxsus jihatlarga sho'ng'ishdan oldin, ba'zi turdagi ilovalar uchun umumiy xotira va atom operatsiyalari nima uchun muhimligini tushunish juda muhimdir. Brauzerda ishlaydigan murakkab tasvirni qayta ishlash ilovasini tasavvur qiling. Umumiy xotirasiz, katta tasvir ma'lumotlarini Veb Ishchilar o'rtasida uzatish serializatsiya va deserializatsiya (butun ma'lumotlar tuzilmasini nusxalash) ni o'z ichiga olgan qimmatbaho operatsiyaga aylanadi. Ushbu qo'shimcha yuk unumdorlikka sezilarli ta'sir ko'rsatishi mumkin.

Umumiy xotira Veb Ishchilarga bir xil xotira maydoniga to'g'ridan-to'g'ri kirish va uni o'zgartirish imkonini beradi, ma'lumotlarni nusxalash zaruriyatini yo'q qiladi. Biroq, umumiy xotiraga parallel kirish poyga sharoitlari xavfini tug'diradi - bu vaziyatlar qayerda ko'plab threadlar bir vaqtning o'zida bir xil xotira joyiga o'qish yoki yozishga urinishadi, bu esa kutilmagan va potentsial noto'g'ri natijalarga olib keladi. Aynan shu erda Atomics ishga tushadi.

SharedArrayBuffer Nima?

SharedArrayBuffer JavaScript obyekti bo'lib, u xotiraning xom blokini, ArrayBufferga o'xshash, ammo muhim farq bilan ifodalaydi: uni turli ijro kontekstlari, masalan, Veb Ishchilar o'rtasida baham ko'rish mumkin. Ushbu bahamko'rlik SharedArrayBuffer obyekti bir yoki bir nechta Veb Ishchilarga uzatish orqali amalga oshiriladi. Baham ko'rilgandan so'ng, barcha ishchilar asosiy xotiraga to'g'ridan-to'g'ri kirish va uni o'zgartirish imkoniyatiga ega.

Misol: SharedArrayBuffer yaratish va Bahamko'rlik qilish

Avvalo, asosiy threadda SharedArrayBuffer yarating:

const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024); // 1KB buffer

Keyin, Veb Ishchi yarating va buffer'ni uzating:

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

worker.js faylida buffer'ga kiring:

self.onmessage = function(event) {
  const sharedBuffer = event.data; // Qabul qilingan SharedArrayBuffer
  const uint8Array = new Uint8Array(sharedBuffer); // Turi bo'yicha massiv ko'rinishini yarating
  // Endi siz uint8Array'ga o'qish/yozish qilishingiz mumkin, bu umumiy xotirani o'zgartiradi
  uint8Array[0] = 42; // Misol: birinchi baytga yozish
};

Muhim E'tiborlar:

• Turi bo'yicha Massivlar: SharedArrayBuffer xom xotirani ifodalasa-da, siz odatda uni turi bo'yicha massivlar (masalan, Uint8Array, Int32Array, Float64Array) yordamida ishlatasiz. Turi bo'yicha massivlar asosiy xotiraning tuzilgan ko'rinishini ta'minlaydi, bu sizga ma'lum turdagi ma'lumotlarni o'qish va yozish imkonini beradi.
• Xavfsizlik: Xotirani bahamko'rlik qilish xavfsizlik muammolarini keltirib chiqaradi. Veb Ishchilardan olingan ma'lumotlarni to'g'ri tekshirib turishga va zararli aktyorlarning umumiy xotira zaifliklaridan foydalanishiga yo'l qo'ymaslikka ishonch hosil qiling. Spectre va Meltdown zaifliklarini yumshatish uchun Cross-Origin-Opener-Policy va Cross-Origin-Embedder-Policy sarlavhalaridan foydalanish muhimdir. Ushbu sarlavhalar sizning manba'ingizni boshqa manba'lardan ajratib turadi, ularning sizning jarayon xotirangizga kirishiga yo'l qo'ymaydi.

Atomics Nima?

Atomics JavaScript'dagi statistik sinf bo'lib, u umumiy xotira joylarida o'qish-o'zgartirish-yozish operatsiyalarini bajarish uchun atom operatsiyalarini ta'minlaydi. Atom operatsiyalari bo'linmas bajarilishi kafolatlangan; ular bitta, uzilmas qadam sifatida bajariladi. Bu, operatsiya davomida boshqa hech qanday thread aralashmasligini ta'minlaydi, bu esa poyga sharoitlarini oldini oladi.

Asosiy Atom Operatsiyalari:

• Atomics.load(typedArray, index): Turi bo'yicha massivning belgilangan indeksidan qiymatni atom tarzda o'qiydi.
• Atomics.store(typedArray, index, value): Belgilangan indeksga qiymatni atom tarzda yozadi.
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue): Belgilangan indeksdagi qiymatni expectedValue bilan atom tarzda solishtiradi. Agar ular teng bo'lsa, qiymat replacementValue bilan almashtiriladi. Indeksdagi asl qiymatni qaytaradi.
• Atomics.add(typedArray, index, value): Belgilangan indeksdagi qiymatga valueni atom tarzda qo'shadi va yangi qiymatni qaytaradi.
• Atomics.sub(typedArray, index, value): Belgilangan indeksdagi qiymatdan valueni atom tarzda ayiradi va yangi qiymatni qaytaradi.
• Atomics.and(typedArray, index, value): Belgilangan indeksdagi qiymatga value bilan bit bo'yicha AND operatsiyasini atom tarzda bajaradi va yangi qiymatni qaytaradi.
• Atomics.or(typedArray, index, value): Belgilangan indeksdagi qiymatga value bilan bit bo'yicha OR operatsiyasini atom tarzda bajaradi va yangi qiymatni qaytaradi.
• Atomics.xor(typedArray, index, value): Belgilangan indeksdagi qiymatga value bilan bit bo'yicha XOR operatsiyasini atom tarzda bajaradi va yangi qiymatni qaytaradi.
• Atomics.exchange(typedArray, index, value): Belgilangan indeksdagi qiymatni value bilan atom tarzda almashtiradi va eski qiymatni qaytaradi.
• Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout): Belgilangan indeksdagi qiymat valuedan farq qilguncha yoki vaqt tugaguncha joriy threadni bloklaydi. Bu kutish/xabardor qilish mexanizmining bir qismidir.
• Atomics.notify(typedArray, index, count): Belgilangan indeksda kutayotgan threadlarning count sonini uyg'otadi.

Amaliy Misollar va Foydalanish Holatlari

SharedArrayBuffer va Atomics qanday qilib haqiqiy dunyo muammolarini hal qilish uchun ishlatilishi mumkinligini ko'rsatish uchun ba'zi amaliy misollarni ko'rib chiqaylik:

1. Parallel Hisoblash: Tasvirni Qayta Ishlash

Brauzerda katta tasvirga filtrni qo'llash kerak deb tasavvur qiling. Tasvirni qismlarga bo'lib, har bir qismni qayta ishlash uchun boshqa Veb Ishchiga topshirishingiz mumkin. SharedArrayBuffer yordamida butun tasvir umumiy xotirada saqlanishi mumkin, bu esa ishchilar o'rtasida tasvir ma'lumotlarini nusxalash zaruriyatini yo'q qiladi.

O'rnatish Skechasi:

1. Tasvir ma'lumotlarini SharedArrayBufferga yuklang.
2. Tasvirni to'rtburchak hududlarga bo'ling.
3. Veb Ishchilar havuzini yarating.
4. Har bir hududni ishchiga topshiring. Ishchiga hududning koordinatalari va o'lchamlarini uzating.
5. Har bir ishchi umumiy SharedArrayBuffer ichidagi o'zining topshirilgan hududiga filtrni qo'llaydi.
6. Barcha ishchilar tugatilgandan so'ng, qayta ishlangan tasvir umumiy xotirada mavjud bo'ladi.

Atomics bilan Sinxronizatsiya:

Asosiy thread barcha ishchilar o'z hududlarini qayta ishlashni qachon tugatganini bilishini ta'minlash uchun atom hisoblagichdan foydalanishingiz mumkin. Har bir ishchi o'z vazifasini tugatgandan so'ng, hisoblagichni atom tarzda oshiradi. Asosiy thread hisoblagichni Atomics.load yordamida muntazam ravishda tekshiradi. Hisoblagich kutilgan qiymatga (hududlar soniga teng) yetganda, asosiy thread butun tasvirni qayta ishlash tugaganligini biladi.

// Asosiy threadda:
const numRegions = 4; // Misol: Tasvirni 4 hududga bo'ling
const completedRegions = new Int32Array(sharedBuffer, offset, 1); // Atom hisoblagich
Atomics.store(completedRegions, 0, 0); // Hisoblagichni 0 ga ishga tushiring

// Har bir ishchida:
// ... hududni qayta ishlang ...
Atomics.add(completedRegions, 0, 1); // Hisoblagichni oshiring

// Asosiy threadda (muntazam tekshiring):
let count = Atomics.load(completedRegions, 0);
if (count === numRegions) {
  // Barcha hududlar qayta ishlandi
  console.log('Tasvirni qayta ishlash tugallandi!');
}

2. Parallel Ma'lumotlar Tuzilmalari: Qulfsiz Navbatni Qurish

SharedArrayBuffer va Atomics qulfsiz ma'lumotlar tuzilmalarini, masalan, navbatlarni o'rnatish uchun ishlatilishi mumkin. Qulfsiz ma'lumotlar tuzilmalari ko'plab threadlarga an'anaviy qulflarning qo'shimcha yukidan mahrum bo'lgan holda ma'lumotlar tuzilmasiga parallel ravishda kirish va uni o'zgartirish imkonini beradi.

Qulfsiz Navbatlarning Murakkabliklari:

• Poyga Sharoitlari: Navbatning boshlang'ich va oxirgi ko'rsatkichlariga parallel kirish poyga sharoitlariga olib kelishi mumkin.
• Xotira Boshqaruvi: Elementlarni navbatga qo'yish va navbatdan chiqarishda to'g'ri xotira boshqaruvini ta'minlash va xotira qochishini oldini olish.

Sinxronizatsiya uchun Atom Operatsiyalari:

Atom operatsiyalari boshlang'ich va oxirgi ko'rsatkichlar atom tarzda yangilanishini ta'minlash uchun ishlatiladi, bu esa poyga sharoitlarini oldini oladi. Misol uchun, Atomics.compareExchange elementi navbatga qo'yilganda oxirgi ko'rsatkichni atom tarzda yangilash uchun ishlatilishi mumkin.

3. Yuqori Unumdorlikdagi Raqamli Hisoblash

Intensiv raqamli hisoblashlarni o'z ichiga olgan ilovalar, masalan, ilmiy simulyatsiyalar yoki moliyaviy modellashtirish, SharedArrayBuffer va Atomics yordamida parallel qayta ishlashdan sezilarli darajada foyda ko'rishlari mumkin. Katta raqamli ma'lumotlar massivlari umumiy xotirada saqlanishi va ko'plab ishchilar tomonidan parallel ravishda qayta ishlanishi mumkin.

Umumiy Tuzoqlashlar va Eng Yaxshi Amaliyotlar

SharedArrayBuffer va Atomics kuchli qobiliyatlarni taklif qilsa-da, ular ehtiyotkorlik bilan ko'rib chiqishni talab qiladigan murakkabliklarni ham keltirib chiqaradi. Mana ba'zi umumiy tuzoqlashlar va amal qilish kerak bo'lgan eng yaxshi amaliyotlar:

• Ma'lumot Poygasi: Umumiy xotira joylarini ma'lumot poygasidan himoya qilish uchun har doim atom operatsiyalaridan foydalaning. Potentsial poyga sharoitlarini aniqlash uchun kodingizni diqqat bilan tahlil qiling va barcha umumiy ma'lumotlar to'g'ri sinxronlashtirilganligiga ishonch hosil qiling.
• Yolg'on Bahamko'rlik: Yolg'on bahamko'rlik, ko'plab threadlar bir xil kesh liniyasidagi turli xotira joylariga kirganda yuzaga keladi. Bu kesh liniyasi threadlar o'rtasida doimiy ravishda bekor qilinishi va qayta yuklanishi sababli unumdorlikning yomonlashishiga olib kelishi mumkin. Yolg'on bahamko'rlikni oldini olish uchun, har bir thread o'zining kesh liniyasiga kirishini ta'minlash uchun umumiy ma'lumotlar tuzilmalarini to'ldiring.
• Xotira Tartibi: Atom operatsiyalari tomonidan taqdim etilgan xotira tartibi kafolatlarini tushuning. JavaScriptning xotira modeli nisbatan bo'sh bo'lgani uchun, operatsiyalar kerakli tartibda bajarilishini ta'minlash uchun xotira to'siqlaridan (panjaralar) foydalanishga to'g'ri kelishi mumkin. Biroq, JavaScriptning Atomicslari allaqachon ketma-ketlikni kafolatlaydigan tartiblanganlikni ta'minlaydi, bu parallelizm haqida mulohaza yuritishni soddalashtiradi.
• Unumdorlik Qo'shimcha Qiymati: Atom operatsiyalari oddiy operatsiyalarga nisbatan unumdorlik qo'shimcha qiymatiga ega bo'lishi mumkin. Ulardan faqat umumiy ma'lumotlarni himoya qilish zarur bo'lganda foydalaning. Parallelizm va sinxronizatsiya qo'shimcha qiymati o'rtasidagi savdoni ko'rib chiqing.
• Xatoliklarni Tuzatish: Parallel kodni xatoliklarni tuzatish qiyin bo'lishi mumkin. Poyga sharoitlari va boshqa parallelizm muammolarini aniqlash uchun jurnalni yozish va xatoliklarni tuzatish vositalaridan foydalaning. Parallel dasturlash uchun mo'ljallangan maxsus xatoliklarni tuzatish vositalaridan foydalanishni ko'rib chiqing.
• Xavfsizlik Implikatsiyalari: Threadlar o'rtasida xotirani bahamko'rlik qilishning xavfsizlik implikatsiyalarini yodda tuting. Zararli kodning umumiy xotira zaifliklaridan foydalanishiga yo'l qo'ymaslik uchun barcha kirishlarni to'g'ri tozalang va tekshiring. To'g'ri Cross-Origin-Opener-Policy va Cross-Origin-Embedder-Policy sarlavhalari belgilanganligiga ishonch hosil qiling.
• Kutubxonadan Foydalanish: Parallel dasturlash uchun yuqori darajadagi abstraktsiyalarni ta'minlaydigan mavjud kutubxonalardan foydalanishni ko'rib chiqing. Ushbu kutubxonalar sizga umumiy tuzoqlashlardan qochishga va parallel ilovalarni ishlab chiqishni soddalashtirishga yordam berishi mumkin. Misollar qulfsiz ma'lumotlar tuzilmalari yoki vazifani rejalashtirish mexanizmlarini ta'minlaydigan kutubxonalarni o'z ichiga oladi.

SharedArrayBuffer va Atomicsga Alternativlar

SharedArrayBuffer va Atomics kuchli vositalar bo'lsa-da, ular har doim ham har bir muammo uchun eng yaxshi yechim emas. Mana ba'zi muqobillarni ko'rib chiqish:

• Xabar O'tkazish: Veb Ishchilar o'rtasida ma'lumotlarni yuborish uchun postMessagedan foydalaning. Bu yondashuv umumiy xotiradan qochadi va poyga sharoitlari xavfini yo'q qiladi. Biroq, bu katta ma'lumotlar tuzilmalari uchun samarali bo'lishi mumkin bo'lgan ma'lumotlarni nusxalashni o'z ichiga oladi.
• WebAssembly Threadlari: WebAssembly threadlar va umumiy xotirani qo'llab-quvvatlaydi, bu SharedArrayBuffer va Atomicsga nisbatan past darajali muqobilni taqdim etadi. WebAssembly sizga C++ yoki Rust kabi tillardan foydalanib yuqori unumdorlikdagi parallel kod yozish imkonini beradi.
• Serverga Yukni O'tkazish: Qayta ishlovchi intensiv vazifalar uchun ishni serverga yuklashni ko'rib chiqing. Bu brauzerning resurslarini bo'shatishi va foydalanuvchi tajribasini yaxshilashi mumkin.

Brauzer Qo'llab-Quvvatlashi va Mavjudligi

SharedArrayBuffer va Atomics Chrome, Firefox, Safari va Edge kabi zamonaviy brauzerlarda keng qo'llab-quvvatlanadi. Biroq, sizning maqsadli brauzerlaringiz ushbu xususiyatlarni qo'llab-quvvatlashiga ishonch hosil qilish uchun brauzer moslik jadvalini tekshirish muhimdir. Shuningdek, xavfsizlik sabablari (COOP/COEP) uchun to'g'ri HTTP sarlavhalari sozlanishi kerak. Agar kerakli sarlavhalar mavjud bo'lmasa, SharedArrayBuffer brauzer tomonidan o'chirib qo'yilishi mumkin.

Xulosa

SharedArrayBuffer va Atomics JavaScript qobiliyatlarida muhim yutuqni ifodalaydi, bu ishlab chiquvchilarga avval mumkin bo'lmagan yuqori unumdorlikdagi parallel ilovalarni qurish imkonini beradi. Umumiy xotira, atom operatsiyalar va parallel dasturlashning potentsial tuzoqlashlari kontseptsiyalarini tushunish orqali siz ushbu xususiyatlardan innovatsion va samarali veb-ilovalarni yaratish uchun foydalanishingiz mumkin. Biroq, ehtiyot bo'ling, xavfsizlikni birinchi o'ringa qo'ying va loyihalaringizda SharedArrayBuffer va Atomicsni qabul qilishdan oldin savdolarni diqqat bilan ko'rib chiqing. Veb platformasi rivojlanishda davom etar ekan, ushbu texnologiyalar brauzerdagi imkoniyatlar chegaralarini kengaytirishda tobora muhim rol o'ynaydi. Ulardan foydalanishdan oldin, ular keltirib chiqarishi mumkin bo'lgan xavfsizlik muammolarini, asosan to'g'ri COOP/COEP sarlavhasi sozlamalari orqali hal qilganingizga ishonch hosil qiling.