深刻理解ES8的新特性SharedArrayBuffer

簡介

ES8引入了SharedArrayBuffer和Atomics，經過共享內存來提高workers之間或者worker和主線程之間的消息傳遞速度。

本文將會詳細的講解SharedArrayBuffer和Atomics的實際應用。

Worker和Shared memory

在nodejs中，引入了worker_threads模塊，能夠建立Worker. 而在瀏覽器端，能夠經過web workers來使用Worker(）來建立新的worker。

這裏咱們主要關注一下瀏覽器端web worker的使用。

咱們看一個常見的worker和主線程通訊的例子，主線程：

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的代碼：

onmessage = function (ev) {
  console.log(ev.data);  // prints "hi"
  postMessage("ho");     // sends "ho" back to the creator
}

咱們經過postMessage來發送消息，經過onmessage來監聽消息。

消息是拷貝以後，通過序列化以後進行傳輸的。在解析的時候又會進行反序列化，從而下降了消息傳輸的效率。

爲了解決這個問題，引入了shared memory的概念。

咱們能夠經過SharedArrayBuffer來建立Shared memory。

考慮下上面的例子，咱們可把消息用SharedArrayBuffer封裝起來，從而達到內存共享的目的。

//發送消息
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
}

上面的這個例子中，消息並無進行序列化或者轉換，都使用的是共享內存。

ArrayBuffer和Typed Array

SharedArrayBuffer和ArrayBuffer同樣是最底層的實現。爲了方便程序員的使用，在SharedArrayBuffer和ArrayBuffer之上，提供了一些特定類型的Array。好比Int8Array，Int32Array等等。

這些Typed Array被稱爲views。

咱們看一個實際的例子，若是咱們想在主線程中建立10w個質數，而後在worker中獲取這些質數該怎麼作呢？

首先看下主線程：

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);

主線程中，咱們使用了Int32Array封裝了SharedArrayBuffer，而後用PrimeGenerator來生成prime，存儲到Int32Array中。

下面是worker的接收：

var ia;
onmessage = function (ev) {
  ia = ev.data;        // ia.length == 100000
  console.log(ia[37]); // prints 163, the 38th prime
}

併發的問題和Atomics

上面咱們獲取到了ia[37]的值。由於是共享的，因此任何可以訪問到ia[37]的線程對該值的改變，均可能影響其餘線程的讀取操做。

好比咱們給ia[37]從新賦值爲123。雖然這個操做發生了，可是其餘線程何時可以讀取到這個數據是未知的，依賴於CPU的調度等等外部因素。

爲了解決這個問題，ES8引入了Atomics,咱們能夠經過Atomics的store和load功能來修改和監控數據的變化：

console.log(ia[37]);  // Prints 163, the 38th prime
Atomics.store(ia, 37, 123);

咱們經過store方法來向Array中寫入新的數據。

而後經過load來監聽數據的變化：

while (Atomics.load(ia, 37) == 163)
  ;
console.log(ia[37]);  // Prints 123

還記得java中的重排序嗎？

在java中，虛擬機在不影響程序執行結果的狀況下，會對java代碼進行優化，甚至是重排序。最終致使在多線程併發環境中可能會出現問題。

在JS中也是同樣，好比咱們給ia分別賦值以下：

ia[42] = 314159;  // was 191
ia[37] = 123456;  // was 163

按照程序的書寫順序，是先給42賦值，而後給37賦值。

console.log(ia[37]);
console.log(ia[42]);

可是由於重排序的緣由，可能37的值變成123456以後，42的值仍是原來的191。

咱們可使用Atomics來解決這個問題，全部在Atomics.store以前的寫操做，在Atomics.load發送變化以前都會發生。也就是說經過使用Atomics能夠禁止重排序。

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

咱們經過監測37的變化，若是發生了變化，則咱們能夠保證以前的42的修改已經發生。

一樣的，咱們知道在java中++操做並非一個原子性操做，在JS中也同樣。

在多線程環境中，咱們須要使用Atomics的add方法來替代++操做，從而保證原子性。

注意，Atomics只適用於Int8Array, Uint8Array, Int16Array, Uint16Array, Int32Array or Uint32Array。

上面例子中，咱們使用while循環來等待一個值的變化，雖然很簡單，可是並非頗有效。

while循環會佔用CPU資源，形成沒必要要的浪費。

爲了解決這個問題，Atomics引入了wait和wake操做。

咱們看一個應用：

console.log(ia[37]);  // Prints 163
Atomics.store(ia, 37, 123456);
Atomics.wake(ia, 37, 1);

咱們但願37的值變化以後通知監聽在37上的一個數組。

Atomics.wait(ia, 37, 163);
console.log(ia[37]);  // Prints 123456

當ia37的值是163的時候，線程等待在ia37上。直到被喚醒。

這就是一個典型的wait和notify的操做。

使用Atomics來建立lock

咱們來使用SharedArrayBuffer和Atomics建立lock。

咱們須要使用的是Atomics的CAS操做：

compareExchange(typedArray: Int8Array | Uint8Array | Int16Array | Uint16Array | Int32Array | Uint32Array, index: number, expectedValue: number, replacementValue: number): number;

只有當typedArray[index]的值 = expectedValue 的時候，纔會使用replacementValue來替換。 同時返回typedArray[index]的原值。

咱們看下lock怎麼實現：

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表示目前沒有上鎖，LOCKED_NO_WAITERS表示已經上鎖了，LOCKED_POSSIBLE_WAITERS表示上鎖了，而且還有其餘的worker在等待這個鎖。

iab表示要上鎖的SharedArrayBuffer，stateIdx是Array的index。

再看下tryLock和unlock:

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咱們實現了JS版本的lock。

固然，有了CAS，咱們能夠實現更加複雜的鎖操做，感興趣的朋友，能夠自行探索。

本文做者：flydean程序那些事

本文連接：http://www.flydean.com/es8-shared-memory/

本文來源：flydean的博客

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