简介
ES8引入了SharedArrayBuffer和Atomics,通过共享内存来提升workers之间或者worker和主线程之间的消息传递速度。
本文将会详细的讲解SharedArrayBuffer和Atomics的实际应用。
Worker和Shared memory
在nodejs中,引入了worker_threads模块,可以创建Worker. 而在浏览器端,可以通过web workers来使用Worker()来创建新的worker。
这里我们主要关注一下浏览器端web worker的使用。
我们看一个常见的worker和主线程通信的例子,主线程:
代码语言:javascript复制var w = new Worker("myworker.js")
w.postMessage("hi"); // send "hi" to the worker
w.onmessage = function (ev) {
console.log(ev.data); // prints "ho"
}
myworker的代码:
代码语言:javascript复制onmessage = function (ev) {
console.log(ev.data); // prints "hi"
postMessage("ho"); // sends "ho" back to the creator
}
我们通过postMessage来发送消息,通过onmessage来监听消息。
消息是拷贝之后,经过序列化之后进行传输的。在解析的时候又会进行反序列化,从而降低了消息传输的效率。
为了解决这个问题,引入了shared memory的概念。
我们可以通过SharedArrayBuffer来创建Shared memory。
考虑下上面的例子,我们可把消息用SharedArrayBuffer封装起来,从而达到内存共享的目的。
代码语言:javascript复制//发送消息
var sab = new SharedArrayBuffer(1024); // 1KiB shared memory
w.postMessage(sab)
//接收消息
var sab;
onmessage = function (ev) {
sab = ev.data; // 1KiB shared memory, the same memory as in the parent
}
上面的这个例子中,消息并没有进行序列化或者转换,都使用的是共享内存。
ArrayBuffer和Typed Array
SharedArrayBuffer和ArrayBuffer一样是最底层的实现。为了方便程序员的使用,在SharedArrayBuffer和ArrayBuffer之上,提供了一些特定类型的Array。比如Int8Array,Int32Array等等。
这些Typed Array被称为views。
我们看一个实际的例子,如果我们想在主线程中创建10w个质数,然后在worker中获取这些质数该怎么做呢?
首先看下主线程:
代码语言:javascript复制var sab = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * 100000); // 100000 primes
var ia = new Int32Array(sab); // ia.length == 100000
var primes = new PrimeGenerator();
for ( let i=0 ; i < ia.length ; i )
ia[i] = primes.next();
w.postMessage(ia);
主线程中,我们使用了Int32Array封装了SharedArrayBuffer,然后用PrimeGenerator来生成prime,存储到Int32Array中。
下面是worker的接收:
代码语言:javascript复制var ia;
onmessage = function (ev) {
ia = ev.data; // ia.length == 100000
console.log(ia[37]); // prints 163, the 38th prime
}
并发的问题和Atomics
上面我们获取到了ia[37]的值。因为是共享的,所以任何能够访问到ia[37]的线程对该值的改变,都可能影响其他线程的读取操作。
比如我们给ia[37]重新赋值为123。虽然这个操作发生了,但是其他线程什么时候能够读取到这个数据是未知的,依赖于CPU的调度等等外部因素。
为了解决这个问题,ES8引入了Atomics,我们可以通过Atomics的store和load功能来修改和监控数据的变化:
代码语言:javascript复制console.log(ia[37]); // Prints 163, the 38th prime
Atomics.store(ia, 37, 123);
我们通过store方法来向Array中写入新的数据。
然后通过load来监听数据的变化:
代码语言:javascript复制while (Atomics.load(ia, 37) == 163)
;
console.log(ia[37]); // Prints 123
还记得java中的重排序吗?
在java中,虚拟机在不影响程序执行结果的情况下,会对java代码进行优化,甚至是重排序。最终导致在多线程并发环境中可能会出现问题。
在JS中也是一样,比如我们给ia分别赋值如下:
代码语言:javascript复制ia[42] = 314159; // was 191
ia[37] = 123456; // was 163
按照程序的书写顺序,是先给42赋值,然后给37赋值。
代码语言:javascript复制console.log(ia[37]);
console.log(ia[42]);
但是因为重排序的原因,可能37的值变成123456之后,42的值还是原来的191。
我们可以使用Atomics来解决这个问题,所有在Atomics.store之前的写操作,在Atomics.load发送变化之前都会发生。也就是说通过使用Atomics可以禁止重排序。
代码语言:javascript复制ia[42] = 314159; // was 191
Atomics.store(ia, 37, 123456); // was 163
while (Atomics.load(ia, 37) == 163)
;
console.log(ia[37]); // Will print 123456
console.log(ia[42]); // Will print 314159
我们通过监测37的变化,如果发生了变化,则我们可以保证之前的42的修改已经发生。
同样的,我们知道在java中 操作并不是一个原子性操作,在JS中也一样。
在多线程环境中,我们需要使用Atomics的add方法来替代 操作,从而保证原子性。
注意,Atomics只适用于Int8Array, Uint8Array, Int16Array, Uint16Array, Int32Array or Uint32Array。
上面例子中,我们使用while循环来等待一个值的变化,虽然很简单,但是并不是很有效。
while循环会占用CPU资源,造成不必要的浪费。
为了解决这个问题,Atomics引入了wait和wake操作。
我们看一个应用:
代码语言:javascript复制console.log(ia[37]); // Prints 163
Atomics.store(ia, 37, 123456);
Atomics.wake(ia, 37, 1);
我们希望37的值变化之后通知监听在37上的一个数组。
代码语言:javascript复制Atomics.wait(ia, 37, 163);
console.log(ia[37]); // Prints 123456
当ia37的值是163的时候,线程等待在ia37上。直到被唤醒。
这就是一个典型的wait和notify的操作。
使用Atomics来创建lock
我们来使用SharedArrayBuffer和Atomics创建lock。
我们需要使用的是Atomics的CAS操作:
代码语言:javascript复制 compareExchange(typedArray: Int8Array | Uint8Array | Int16Array | Uint16Array | Int32Array | Uint32Array, index: number, expectedValue: number, replacementValue: number): number;
只有当typedArray[index]的值 = expectedValue 的时候,才会使用replacementValue来替换。 同时返回typedArray[index]的原值。
我们看下lock怎么实现:
代码语言:javascript复制const UNLOCKED = 0;
const LOCKED_NO_WAITERS = 1;
const LOCKED_POSSIBLE_WAITERS = 2;
lock() {
const iab = this.iab;
const stateIdx = this.ibase;
var c;
if ((c = Atomics.compareExchange(iab, stateIdx,
UNLOCKED, LOCKED_NO_WAITERS)) !== UNLOCKED) {
do {
if (c === LOCKED_POSSIBLE_WAITERS
|| Atomics.compareExchange(iab, stateIdx,
LOCKED_NO_WAITERS, LOCKED_POSSIBLE_WAITERS) !== UNLOCKED) {
Atomics.wait(iab, stateIdx,
LOCKED_POSSIBLE_WAITERS, Number.POSITIVE_INFINITY);
}
} while ((c = Atomics.compareExchange(iab, stateIdx,
UNLOCKED, LOCKED_POSSIBLE_WAITERS)) !== UNLOCKED);
}
}
UNLOCKED表示目前没有上锁,LOCKED_NO_WAITERS表示已经上锁了,LOCKED_POSSIBLE_WAITERS表示上锁了,并且还有其他的worker在等待这个锁。
iab表示要上锁的SharedArrayBuffer,stateIdx是Array的index。
再看下tryLock和unlock:
代码语言:javascript复制 tryLock() {
const iab = this.iab;
const stateIdx = this.ibase;
return Atomics.compareExchange(iab, stateIdx, UNLOCKED, LOCKED_NO_WAITERS) === UNLOCKED;
}
unlock() {
const iab = this.iab;
const stateIdx = this.ibase;
var v0 = Atomics.sub(iab, stateIdx, 1);
// Wake up a waiter if there are any
if (v0 !== LOCKED_NO_WAITERS) {
Atomics.store(iab, stateIdx, UNLOCKED);
Atomics.wake(iab, stateIdx, 1);
}
}
使用CAS我们实现了JS版本的lock。
当然,有了CAS,我们可以实现更加复杂的锁操作,感兴趣的朋友,可以自行探索。
本文作者:flydean程序那些事 本文链接:http://www.flydean.com/es8-shared-memory/ 本文来源:flydean的博客 欢迎关注我的公众号:「程序那些事」最通俗的解读,最深刻的干货,最简洁的教程,众多你不知道的小技巧等你来发现!