JavaScript-da Bir Vaqtda Ishlaydigan To'plamlarni Sinxronlash: Oqimlar Uchun Xavfsiz Tuzilmalarni Muvofiqlashtirish

JavaScript Web Workers va boshqa bir vaqtda ishlash paradigmalarining joriy etilishi bilan bitta oqimli ijrodan tashqariga chiqib rivojlanar ekan, umumiy ma'lumotlar tuzilmalarini boshqarish tobora murakkablashib bormoqda. Bir vaqtda ishlaydigan muhitlarda ma'lumotlar yaxlitligini ta'minlash va poyga holatlarini oldini olish mustahkam sinxronlash mexanizmlari va oqimlar uchun xavfsiz ma'lumotlar tuzilmalarini talab qiladi. Ushbu maqola JavaScript-da bir vaqtda ishlaydigan to'plamlarni sinxronlashning nozik jihatlarini o'rganadi, ishonchli va samarali ko'p oqimli ilovalarni yaratish uchun turli usullar va mulohazalarni ko'rib chiqadi.

JavaScript-da Bir Vaqtda Ishlashning Qiyinchiliklarini Tushunish

An'anaga ko'ra, JavaScript asosan veb-brauzerlarda bitta oqimda bajarilgan. Bu ma'lumotlarni boshqarishni soddalashtirgan, chunki bir vaqtning o'zida faqat bitta kod parchasi ma'lumotlarga kirishi va ularni o'zgartirishi mumkin edi. Biroq, hisoblash talab qiladigan veb-ilovalarning ko'payishi va fon rejimida ishlashga bo'lgan ehtiyoj JavaScript-da haqiqiy bir vaqtda ishlash imkonini beruvchi Web Workersning paydo bo'lishiga olib keldi.

Bir nechta oqimlar (Web Workers) umumiy ma'lumotlarga bir vaqtda kirib, ularni o'zgartirganda, bir nechta muammolar yuzaga keladi:

• Poyga Holatlari: Hisoblash natijasi bir nechta oqimlarning oldindan aytib bo'lmaydigan bajarilish tartibiga bog'liq bo'lganda yuzaga keladi. Bu kutilmagan va nomuvofiq ma'lumotlar holatlariga olib kelishi mumkin.
• Ma'lumotlarning Buzilishi: To'g'ri sinxronlashsiz bir xil ma'lumotlarga bir vaqtda kiritilgan o'zgartirishlar buzilgan yoki nomuvofiq ma'lumotlarga olib kelishi mumkin.
• Tirilish (Deadlocks): Ikki yoki undan ortiq oqim bir-birini resurslarni bo'shatishini kutib, cheksiz bloklanganda yuzaga keladi.
• Ochlik (Starvation): Bir oqim umumiy resursga kirishdan qayta-qayta mahrum bo'lib, o'z ishini davom ettira olmaganda yuzaga keladi.

Asosiy Tushunchalar: Atomics va SharedArrayBuffer

JavaScript bir vaqtda dasturlash uchun ikkita asosiy qurilish blokini taqdim etadi:

• SharedArrayBuffer: Bir nechta Web Worker-larga bir xil xotira maydoniga kirish va uni o'zgartirish imkonini beruvchi ma'lumotlar tuzilmasi. Bu oqimlar o'rtasida ma'lumotlarni samarali almashish uchun juda muhimdir.
• Atomics: Umumiy xotira joylarida o'qish, yozish va yangilash amallarini atomik tarzda bajarish usulini ta'minlaydigan atomik operatsiyalar to'plami. Atomik operatsiyalar operatsiyaning yagona, bo'linmas birlik sifatida bajarilishini kafolatlaydi, poyga holatlarining oldini oladi va ma'lumotlar yaxlitligini ta'minlaydi.

Misol: Umumiy Hisoblagichni Oshirish Uchun Atomics-dan Foydalanish

Bir nechta Web Workerlar umumiy hisoblagichni oshirishi kerak bo'lgan vaziyatni ko'rib chiqing. Atomik operatsiyalarsiz quyidagi kod poyga holatlariga olib kelishi mumkin:

// Hisoblagichni o'z ichiga olgan SharedArrayBuffer
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const counter = new Int32Array(sharedBuffer);

// Worker kodi (bir nechta workerlar tomonidan bajariladi)
counter[0]++; // Atomik bo'lmagan operatsiya - poyga holatlariga moyil

Atomics.add()-dan foydalanish oshirish operatsiyasining atomik bo'lishini ta'minlaydi:

// Hisoblagichni o'z ichiga olgan SharedArrayBuffer
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT);
const counter = new Int32Array(sharedBuffer);

// Worker kodi (bir nechta workerlar tomonidan bajariladi)
Atomics.add(counter, 0, 1); // Atomik oshirish

Bir Vaqtda Ishlaydigan To'plamlar Uchun Sinxronlash Usullari

JavaScript-da umumiy to'plamlarga (massivlar, obyektlar, maplar va h.k.) bir vaqtda kirishni boshqarish uchun bir nechta sinxronlash usullarini qo'llash mumkin:

1. Myutekslar (O'zaro Istisno Qulflari)

Myuteks - bu bir vaqtning o'zida faqat bitta oqimga umumiy resursga kirishga ruxsat beruvchi sinxronlash primitividir. Oqim myuteksni egallab olganda, u himoyalangan resursga eksklyuziv kirish huquqiga ega bo'ladi. Xuddi shu myuteksni egallashga urinayotgan boshqa oqimlar egasi bo'lgan oqim uni bo'shatmaguncha bloklanadi.

Atomics yordamida amalga oshirish:

class Mutex {
 constructor() {
 this.lock = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 }

 acquire() {
 while (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, 0, 1) !== 0) {
 // Spin-kutish (protsessorning haddan tashqari ishlatilishini oldini olish uchun kerak bo'lsa, oqimni bo'shating)
 Atomics.wait(this.lock, 0, 1, 10); // Taymaut bilan kutish
 }
 }

 release() {
 Atomics.store(this.lock, 0, 0);
 Atomics.notify(this.lock, 0, 1); // Kutayotgan oqimni uyg'otish
 }
}

// Foydalanish misoli:
const mutex = new Mutex();
const sharedArray = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 10));

// Worker 1
mutex.acquire();
// Kritik qism: sharedArray'ga kirish va uni o'zgartirish
sharedArray[0] = 10;
mutex.release();

// Worker 2
mutex.acquire();
// Kritik qism: sharedArray'ga kirish va uni o'zgartirish
sharedArray[1] = 20;
mutex.release();

Tushuntirish: Atomics.compareExchange agar qulf hozirda 0 bo'lsa, uni atomik ravishda 1 ga o'rnatishga harakat qiladi. Agar bu amalga oshmasa (boshqa oqim allaqachon qulfni egallab olgan bo'lsa), oqim qulf bo'shatilishini kutib aylanadi. Atomics.wait oqimni Atomics.notify uni uyg'otguncha samarali bloklaydi.

2. Semaforlar

Semafor - bu myuteksning umumlashtirilgan shakli bo'lib, u cheklangan sondagi oqimlarga umumiy resursga bir vaqtda kirishga ruxsat beradi. Semafor mavjud ruxsatnomalar sonini ifodalovchi hisoblagichni saqlaydi. Oqimlar hisoblagichni kamaytirish orqali ruxsatnoma olishlari va hisoblagichni oshirish orqali ruxsatnomani bo'shatishlari mumkin. Hisoblagich nolga yetganda, ruxsatnoma olishga urinayotgan oqimlar ruxsatnoma paydo bo'lguncha bloklanadi.

class Semaphore {
 constructor(permits) {
 this.permits = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 Atomics.store(this.permits, 0, permits);
 }

 acquire() {
 while (true) {
 const currentPermits = Atomics.load(this.permits, 0);
 if (currentPermits > 0) {
 if (Atomics.compareExchange(this.permits, 0, currentPermits, currentPermits - 1) === currentPermits) {
 return;
 }
 } else {
 Atomics.wait(this.permits, 0, 0, 10);
 }
 }
 }

 release() {
 Atomics.add(this.permits, 0, 1);
 Atomics.notify(this.permits, 0, 1);
 }
}

// Foydalanish misoli:
const semaphore = new Semaphore(3); // 3 ta bir vaqtda ishlaydigan oqimga ruxsat berish
const sharedResource = [];

// Worker 1
semaphore.acquire();
// sharedResource'ga kirish va uni o'zgartirish
sharedResource.push("Worker 1");
semaphore.release();

// Worker 2
semaphore.acquire();
// sharedResource'ga kirish va uni o'zgartirish
sharedResource.push("Worker 2");
semaphore.release();

3. O'qish-Yozish Qulflari

O'qish-yozish qulfi bir nechta oqimlarga umumiy resursni bir vaqtda o'qishga ruxsat beradi, lekin bir vaqtning o'zida faqat bitta oqimga resursga yozishga imkon beradi. Bu o'qishlar yozishlardan ancha ko'p bo'lganda samaradorlikni oshirishi mumkin.

Amalga oshirish: Atomics yordamida o'qish-yozish qulfini amalga oshirish oddiy myuteks yoki semaforga qaraganda murakkabroq. Bu odatda o'quvchilar va yozuvchilar uchun alohida hisoblagichlarni yuritishni va kirishni boshqarish uchun atomik operatsiyalardan foydalanishni o'z ichiga oladi.

Soddalashtirilgan konseptual misol (to'liq amalga oshirish emas):

class ReadWriteLock {
 constructor() {
 this.readers = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 this.writer = new Int32Array(new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT));
 }

 readLock() {
 // O'qish qulfini olish (qisqalik uchun amalga oshirish qoldirildi)
 // Yozuvchi bilan eksklyuziv kirishni ta'minlash kerak
 }

 readUnlock() {
 // O'qish qulfini bo'shatish (qisqalik uchun amalga oshirish qoldirildi)
 }

 writeLock() {
 // Yozish qulfini olish (qisqalik uchun amalga oshirish qoldirildi)
 // Barcha o'quvchilar va boshqa yozuvchilar bilan eksklyuziv kirishni ta'minlash kerak
 }

 writeUnlock() {
 // Yozish qulfini bo'shatish (qisqalik uchun amalga oshirish qoldirildi)
 }
}

Eslatma: ReadWriteLock-ning to'liq amalga oshirilishi o'quvchi va yozuvchi hisoblagichlarini atomik operatsiyalar va potentsial kutish/xabardor qilish mexanizmlari yordamida ehtiyotkorlik bilan boshqarishni talab qiladi. threads.js kabi kutubxonalar yanada mustahkam va samaraliroq amalga oshirishlarni taqdim etishi mumkin.

4. Bir Vaqtda Ishlaydigan Ma'lumotlar Tuzilmalari

Faqat umumiy sinxronlash primitivlariga tayanish o'rniga, oqimlar uchun xavfsiz bo'lishi uchun mo'ljallangan maxsus bir vaqtda ishlaydigan ma'lumotlar tuzilmalaridan foydalanishni ko'rib chiqing. Ushbu ma'lumotlar tuzilmalari ko'pincha ma'lumotlar yaxlitligini ta'minlash va bir vaqtda ishlaydigan muhitlarda samaradorlikni optimallashtirish uchun ichki sinxronlash mexanizmlarini o'z ichiga oladi. Biroq, JavaScript-da mahalliy, o'rnatilgan bir vaqtda ishlaydigan ma'lumotlar tuzilmalari cheklangan.

Kutubxonalar: Ma'lumotlar bilan ishlashni yanada bashorat qilinadigan qilish va to'g'ridan-to'g'ri o'zgartirishdan qochish uchun, ayniqsa, workerlar o'rtasida ma'lumotlarni uzatishda immutable.js yoki immer kabi kutubxonalardan foydalanishni ko'rib chiqing. Ular qat'iy ma'noda *bir vaqtda ishlaydigan* ma'lumotlar tuzilmalari bo'lmasa-da, umumiy holatni to'g'ridan-to'g'ri o'zgartirish o'rniga nusxalar yaratish orqali poyga holatlarining oldini olishga yordam beradi.

Misol: Immutable.js

import { Map } from 'immutable';

// Umumiy ma'lumotlar
let sharedMap = Map({
  count: 0,
  data: 'Initial value'
});

// Worker 1
const updatedMap1 = sharedMap.set('count', sharedMap.get('count') + 1);

// Worker 2
const updatedMap2 = sharedMap.set('data', 'Updated value');

//sharedMap o'zgarishsiz va xavfsiz qoladi. Natijalarga kirish uchun har bir worker updatedMap nusxasini qaytarib yuborishi kerak bo'ladi va keyin siz ularni asosiy oqimda kerak bo'lganda birlashtirishingiz mumkin.

Bir Vaqtda Ishlaydigan To'plamlarni Sinxronlash Uchun Eng Yaxshi Amaliyotlar

Bir vaqtda ishlaydigan JavaScript ilovalarining ishonchliligi va samaradorligini ta'minlash uchun quyidagi eng yaxshi amaliyotlarga rioya qiling:

• Umumiy Holatni Kamaytiring: Ilovangizda qancha kam umumiy holat bo'lsa, sinxronlashga shuncha kam ehtiyoj bo'ladi. Ilovangizni workerlar o'rtasida almashinadigan ma'lumotlarni minimallashtirish uchun loyihalashtiring. Iloji boricha umumiy xotiraga tayanish o'rniga ma'lumotlarni uzatish uchun xabar almashishdan foydalaning.
• Atomik Operatsiyalardan Foydalaning: Umumiy xotira bilan ishlaganda, ma'lumotlar yaxlitligini ta'minlash uchun har doim atomik operatsiyalardan foydalaning.
• To'g'ri Sinxronlash Primitivini Tanlang: Ilovangizning o'ziga xos ehtiyojlariga qarab mos sinxronlash primitivini tanlang. Myutekslar umumiy resurslarga eksklyuziv kirishni himoya qilish uchun mos keladi, semaforlar esa cheklangan miqdordagi resurslarga bir vaqtda kirishni nazorat qilish uchun yaxshiroqdir. O'qish-yozish qulflari o'qishlar yozishlardan ancha ko'p bo'lganda samaradorlikni oshirishi mumkin.
• Tirilishlardan Saqlaning (Deadlocks): Tirilishlardan saqlanish uchun sinxronlash mantig'ingizni diqqat bilan loyihalashtiring. Oqimlar qulflarni izchil tartibda egallashi va bo'shatishini ta'minlang. Oqimlarning cheksiz bloklanishini oldini olish uchun taymautlardan foydalaning.
• Samaradorlik Oqibatlarini Hisobga Oling: Sinxronlash qo'shimcha yuk yaratishi mumkin. Kritik qismlarda sarflanadigan vaqtni minimallashtiring va keraksiz sinxronlashdan saqlaning. Samaradorlikdagi zaif nuqtalarni aniqlash uchun ilovangizni profillang.
• Puxta Sinovdan O'tkazing: Poyga holatlari va boshqa bir vaqtda ishlash bilan bog'liq muammolarni aniqlash va tuzatish uchun bir vaqtda ishlaydigan kodingizni puxta sinovdan o'tkazing. Potentsial bir vaqtda ishlash muammolarini aniqlash uchun thread sanitizer kabi vositalardan foydalaning.
• Sinxronlash Strategiyangizni Hujjatlashtiring: Boshqa dasturchilarga kodingizni tushunish va qo'llab-quvvatlashni osonlashtirish uchun sinxronlash strategiyangizni aniq hujjatlashtiring.
• Spin Qulflaridan Saqlaning: Spin qulflari, ya'ni oqimning siklda qulf o'zgaruvchisini qayta-qayta tekshirishi, sezilarli protsessor resurslarini sarflashi mumkin. Resurs mavjud bo'lguncha oqimlarni samarali bloklash uchun Atomics.wait-dan foydalaning.

Amaliy Misollar va Qo'llash Holatlari

1. Tasvirlarga Ishlov Berish: Samaradorlikni oshirish uchun tasvirlarga ishlov berish vazifalarini bir nechta Web Workerlarga taqsimlang. Har bir worker tasvirning bir qismiga ishlov berishi mumkin va natijalar asosiy oqimda birlashtiriladi. Tasvir ma'lumotlarini workerlar o'rtasida samarali almashish uchun SharedArrayBuffer-dan foydalanish mumkin.

2. Ma'lumotlar Tahlili: Web Workerlar yordamida murakkab ma'lumotlar tahlilini parallel ravishda bajaring. Har bir worker ma'lumotlarning bir qismini tahlil qilishi mumkin va natijalar asosiy oqimda jamlanadi. Natijalarning to'g'ri birlashtirilishini ta'minlash uchun sinxronlash mexanizmlaridan foydalaning.

3. O'yin Yaratish: Kadrlar tezligini oshirish uchun hisoblash talab qiladigan o'yin mantig'ini Web Workerlarga yuklang. O'yinchi pozitsiyalari va obyekt xususiyatlari kabi umumiy o'yin holatiga kirishni boshqarish uchun sinxronlashdan foydalaning.

4. Ilmiy Simulyatsiyalar: Web Workerlar yordamida ilmiy simulyatsiyalarni parallel ravishda ishga tushiring. Har bir worker tizimning bir qismini simulyatsiya qilishi mumkin va natijalar to'liq simulyatsiyani yaratish uchun birlashtiriladi. Natijalarning aniq birlashtirilishini ta'minlash uchun sinxronlashdan foydalaning.

SharedArrayBuffer-ga Alternativalar

SharedArrayBuffer va Atomics bir vaqtda dasturlash uchun kuchli vositalarni taqdim etsa-da, ular murakkablik va potentsial xavfsizlik xatarlarini ham keltirib chiqaradi. Umumiy xotirada bir vaqtda ishlashga alternativalar quyidagilarni o'z ichiga oladi:

• Xabar Almashish: Web Workerlar asosiy oqim va boshqa workerlar bilan xabar almashish orqali aloqa qilishlari mumkin. Bu yondashuv umumiy xotira va sinxronlashga bo'lgan ehtiyojni bartaraf etadi, lekin katta hajmdagi ma'lumotlarni uzatish uchun kamroq samarali bo'lishi mumkin.
• Service Workerlar: Service Workerlar fon vazifalarini bajarish va ma'lumotlarni keshlash uchun ishlatilishi mumkin. Garchi asosan bir vaqtda ishlash uchun mo'ljallanmagan bo'lsa-da, ular asosiy oqimdagi ishni yengillashtirish uchun ishlatilishi mumkin.
• OffscreenCanvas: Web Worker-da renderlash operatsiyalarini bajarishga imkon beradi, bu murakkab grafikali ilovalar uchun samaradorlikni oshirishi mumkin.
• WebAssembly (WASM): WASM brauzerda boshqa tillarda (masalan, C++, Rust) yozilgan kodni ishga tushirishga imkon beradi. WASM kodi bir vaqtda ishlash va umumiy xotirani qo'llab-quvvatlash bilan kompilyatsiya qilinishi mumkin, bu bir vaqtda ishlaydigan ilovalarni amalga oshirishning muqobil usulini taqdim etadi.
• Aktor Modeli Implementatsiyalari: Bir vaqtda ishlash uchun aktor modelini taqdim etuvchi JavaScript kutubxonalarini o'rganing. Aktor modeli xabar almashish orqali aloqa qiladigan aktorlar ichida holat va xatti-harakatlarni inkapsulyatsiya qilish orqali bir vaqtda dasturlashni soddalashtiradi.

Xavfsizlik Mulohazalari

SharedArrayBuffer va Atomics Spectre va Meltdown kabi potentsial xavfsizlik zaifliklarini keltirib chiqaradi. Ushbu zaifliklar umumiy xotiradan ma'lumotlarni sizdirish uchun spekulyativ ijrodan foydalanadi. Ushbu xatarlarni kamaytirish uchun brauzeringiz va operatsion tizimingiz eng so'nggi xavfsizlik yamoqlari bilan yangilanganligiga ishonch hosil qiling. Ilovangizni saytlararo hujumlardan himoya qilish uchun cross-origin isolation (turli manbalardan izolyatsiya) dan foydalanishni ko'rib chiqing. Cross-origin isolation Cross-Origin-Opener-Policy va Cross-Origin-Embedder-Policy HTTP sarlavhalarini o'rnatishni talab qiladi.

Xulosa

JavaScript-da bir vaqtda ishlaydigan to'plamlarni sinxronlash samarali va ishonchli ko'p oqimli ilovalarni yaratish uchun murakkab, ammo muhim mavzudir. Bir vaqtda ishlashning qiyinchiliklarini tushunib va tegishli sinxronlash usullaridan foydalanib, dasturchilar ko'p yadroli protsessorlarning quvvatidan foydalanadigan va foydalanuvchi tajribasini yaxshilaydigan ilovalar yaratishi mumkin. Mustahkam va kengaytiriladigan bir vaqtda ishlaydigan JavaScript ilovalarini yaratish uchun sinxronlash primitivlari, ma'lumotlar tuzilmalari va xavfsizlik bo'yicha eng yaxshi amaliyotlarni diqqat bilan ko'rib chiqish juda muhimdir. Bir vaqtda dasturlashni soddalashtiradigan va xatolar xavfini kamaytiradigan kutubxonalar va dizayn naqshlarini o'rganing. Esda tutingki, bir vaqtda ishlaydigan kodingizning to'g'riligi va samaradorligini ta'minlash uchun puxta sinov va profillash muhim ahamiyatga ega.