W ramach serii tłumaczeń artykułów z bloga Mozilla Hacks, przedstawiam dzisiaj tłumaczenie artykułu Using Web Workers – Working Smarter, Not Harder. Oryginalny artykuł i jego tłumaczenie dostępne są na warunkach licencji Creative Commons Attribution 3.0 USA.
Korzystanie z Web Workers – jak pracować mądrze, a nie ciężko
Autorem tego artykułu jest Malte Ubl, który wykonał sporo dobrej roboty przy użyciu technologii Web Workers w ramach projektu bespin.
W ostatnim czasie aplikacje webowe stały się znacznie bogatsze. Programy działające w przeglądarce, takie jak GMail, Meebo i Bespin pokazują nam, jak WWW będzie wyglądać i zachowywać się w przyszłości. Kluczowym aspektem tworzenia przyjaznej dla użytkownika aplikacji jest wysoka responsywność. Użytkownicy nie lubią czekać, a szczególnie nie lubią sytuacji, w których wydaje się, że program działa, po czym przestaje reagować.
W sercu współczesnych aplikacji WWW po stronie klienta leży język programowania JavaScript. JavaScript wraz z obiektowym modelem dokumentu DOM jest całkowicie jednowątkowy. Oznacza to, że w JavaScripcie tylko jedna rzecz może się zdarzyć w danej chwili. Nawet jeśli komputer ma 32-rdzeniowy procesor, tylko jeden rdzeń będzie zajęty podczas długich obliczeń. Na przykład, obliczając idealną trajektorię lotu na Księżyc nie można jednocześnie renderować animacji, która pokazuje trajektorię w tym samym czasie i nie ma możliwości reagowania na zdarzenia użytkownika, takie jak kliknięcia myszą czy pisanie na klawiaturze podczas obliczeń.
Współbieżność
Dla zachowania responsywności podczas intensywnych obliczeń większość współczesnych języków programowania wykorzystuje współbieżność. W przeszłości do uzyskania współbieżności często wykorzystywano wątki. Klasyczne wątki utrudniają jednakże programiście zrozumienie przebiegu programu, co często prowadzi do trudnych do zrozumienia błędów i chaotycznego zachowania w chwili, gdy różne wątki próbują równocześnie operować na tych samych danych.
Technologia wątków roboczych – Web Workers – zalecana przez WHATWG, pojawiła się w Firefoksie 3.5, pozwalając na wzbogacenie programów w JavaScripcie o współbieżność, unikając problemów związanych z typowymi programami wielowątkowymi. Rozpoczęcie wątku roboczego jest bardzo proste – wystarczy użyć konstruktora new Worker.
W tym przykładzie plik worker.js zostanie wczytany i uruchomiony w nowym wątku, dla niego utworzonym.
// Utwórz wątek roboczy na bazie pliku "worker.js"
var worker = new Worker("worker.js");
Komunikacja między głównym wątkiem interfejsu użytkownika a wątkami roboczymi opiera się na przesyłaniu komunikatów przy użyciu metody postMessage. Metoda ta została dodana do Firefoksa 3 by zapewnić komunikację między oknami. Aby przesłać komunikat z wątku roboczego do strony, wystarczy użyć tej metody:
// Wyślij komunikat do głównego wątku UI
postMessage("Witaj, strono!");
Aby odebrać wiadomość od wątku roboczego, na obiekcie typu Worker należy określić procedurę obsługi zdarzenia “onmessage”. Tutaj po prostu wyświetlimy dane zdarzenia, przekazane do tej procedury. W naszym przypadku własność “event.data” zawiera tekst “Witaj, strono!”, przesłany powyżej.
worker.onmessage = function (event) {
alert(event.data);
// Wyślij wiadomość do wątku roboczego
worker.postMessage("Witaj, wątku!");
}
Do wysłania komunikatów do wątku roboczego wywołujemy metodę postMessage na obiekcie wątku. Aby odebrać te komunikaty w wątku, należy zdefiniować funkcję onmessage, która będzie wywoływana po każdym przesłaniu do niego komunikatu.
Obsługa błędów
Istnieją dwa sposoby obsługi błędów czasu wykonania w wątku. Po pierwsze, wewnątrz wątku można zdefiniować funkcję onerror. Po drugie, można obsłużyć błędy z zewnątrz wątku, przypisując procedurę onerror obiektowi typu Worker:
worker.onerror = function (event) {
alert(event.message);
event.preventDefault();
}
Metoda event.preventDefault() zapobiega wykonaniu domyślnej operacji, którą byłoby tutaj wyświetlenie błędu użytkownikowi lub wypisanie jej w konsoli błędów. Zamiast tego, w tym miejscu wyświetlmy treść błędu w oknie powiadomienia.
Brak współdzielenia
Wątki robocze nie dzielą żadnych stanów ze stroną, z którą są powiązane, ani z żadnymi innymi wątkami roboczymi; jedyną możliwą interakcją jest przesyłanie komunikatów przy użyciu metody postMessage. Wątki robocze nie mają dostępu do DOM, nie mogą więc manipulować stroną WWW. W ten sposób nie ma żadnego ryzyka dla integralności danych w sytuacji, gdy wiele wątków chce równocześnie operować na tych samych danych.
Typowe wykorzystanie wątków roboczych składa się ze strony-komponentu JavaScript, oczekującej na zdarzenia użytkownika. Kiedy nastąpi zdarzenie wywołujące intensywne obliczenia, do wątku roboczego przesyłany jest komunikat, który powoduje rozpoczęcie obliczeń. Skrypt na stronie może jednak natychmiast powrócić do oczekiwania na dalsze zdarzenia. W momencie, gdy wątek roboczy skończy pracę, przesyła wiadomość do strony, która może wówczas np. wyświetlić wyniki.
Ostrzeżenie przed nieresponsywnym skryptem, wyświetlane przez przeglądarki, gdy skrypt wykonuje się zbyt długo, odchodzi w przeszłość dzięki wątkom roboczym.
Przykład – ciąg Fibonacciego
W kolejnym przykładzie wątek roboczy oblicza w tle liczby Fibonacciego od 0 do 99. W rzeczywistości, ponieważ obliczanie liczb Fibonacciego tą nieefektywną
metodą może trwać długo przy większych liczbach (np. większych niż 30), skrypt może nawet nigdy nie zakończyć się na komputerze (albo „wyłożyć sie” z powodu przepełnienia stosu), ale ponieważ dzieje się to w wątku roboczym, nie ma to żadnego skutku co do responsywności strony. Można więc nadal wyświetlać skomplikowaną animację, by uprzyjemnić oczekiwanie na kolejną liczbę.
Poniższa strona HTML zawiera skrypt uruchamiający wątek roboczy z pliku „fib-worker.js”. Komunikaty z wątku roboczego wyświetlane są w konsoli przeglądarki (czy raczej Firebuga – przyp. tłum.) przy użyciu console.log.
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Web Worker API Demo</title>
<script type="text/javascript">
var worker = new Worker("fib-worker.js");
worker.onmessage = function (event) {
console.log(event.data.index +" -> " + event.data.value)
}
</script>
</head>
<body>
</body>
</html>
Plik JavaScript z implementacją wątku roboczego zawiera pętlę, która wylicza liczby Fibonacciego i przesyła wyniki do strony.
// Plik fib-worker.js
function fib(n) {
return n < 2 ? n : fib(n-1) + fib(n-2);
}
for(var i = 0; i < 100; ++i) {
postMessage({
index: i,
value: fib(i)
})
}
W powyższym przykładzie widać też, że przy użyciu postMessage można przesyłać złożone obiekty. Obiekty takie mogą zawierać wszystko to, co można przesłać w formacie JSON. Oznacza to, że nie można przesłać funkcji, a obiekty przekazywane są przez wartość, a nie przez referencję.
API wątków roboczych
Wątki robocze obsługują funkcję o nazwie importScripts. Dzięki niej można wczytać do wątku roboczego więcej plików źródłowych.
importScripts("file.js");
importScripts("foo.js", "bar.js");
Jeśli funkcja zostanie wywołana z wieloma argumentami, skrypty zostaną pobrane równolegle, ale wykonane w kolejności zdefiniowania. Funkcja ta jest blokująca – bieg wątku zostanie wstrzymany do momentu pobrania i wykonania wszystkich skryptów.
W kolejnym przykładzie wczytujemy zewnętrzny plik JavaScript, który oblicza wartość funkcji SHA-1 z ciągów znaków, a następnie wykorzystujemy go do wyliczania wartości SHA-1 dla zawartości odczytanej poprzez żądanie AJAX. Używamy tu standardowego obiektu XMLHttpRequest do pobrania zawartości z adresu URL przekazanego do zdarzenia onmessage. Co ciekawe, nie musimy budować tutaj asynchronicznego żądania AJAX, jako że wątek sam w sobie jest asynchroniczny względem strony, tak więc oczekiwanie na żądanie HTTP nie jest tu żadnym problemem.
importScripts("sha1.js")
function onmessage(event) {
var xhr = new XMLHttpRequest();
xhr.open('GET', event.data, false);
xhr.send();
postMessage(sha1(xhr.responseText));
}
Inne API dostępne dla wątków roboczych
Wątki mogą używać XMLHttpRequest do żądań AJAX, jak w powyższym przykładzie, jak również mają dostęp do bazy danych po stronie klienta dzięki API Web Storage. API te w wątkach roboczych są takie same jak w „zwykłym” JavaScripcie.
Funkcje setTimeout i setInterval (oraz clearTimeout i clearInterval) są dostępne, co pozwala na wykonywanie kodu po upływie danego czasu lub co pewien interwał. Dostępny jest też obiekt navigator object, udostępniający informacje o przeglądarce.
Dodatkowe API mogą zostać dodane w przyszłości.
Zgodność z przeglądarkami
W momencie pisania tego artykułu, o ile wiadomo jego autorowi, tylko Firefox 3.5 obsługuje możliwość przesyłania złożonych obiektów poprzez postMessage i implementuje rozszerzone API opisane powyżej. Safari 4 zawiera prostą implementację API Worker. W innych przeglądarkach można korzystać z Workers poprzez wtyczkę Google Gears, w której technologia ta pojawiła się na początku.
Przykład wykorzystania na prawdziwej stronie
W ramach projektu Bespin, opartego na przeglądarce edytora kodu źródłowego, z powodzeniem wykorzystujemy wątki robocze do implementacji intensywnych dla procesora funkcji, takich jak sprawdzanie poprawności kodu na bieżąco czy podpowiadanie kodu. Stworzyliśmy także nakładkę, implementującą API Worker w ramach Google Gears, która także dodaje brakującą funkcjonalność w Safari 4, a także umożliwiliśmy korzystanie ze transparentnych zdarzeń własnych, na bazie interfejsu postMessage. Komponenty te zostaną upublicznione jako odrębna biblioteka, do wykorzystania przez inne projekty.
Technologia Web Workers odgrywa istotną rolę w próbie uczynienia z Otwartej Sieci WWW jeszcze potężniejszej platformy dla złożonych programów. Jako że wszystko, co robią wątki robocze, to wykonywanie JavaScriptu, łatwo jest napisać skrypty, które działają także w przeglądarkach nie zapewniających luksusu wątków roboczych. Polecamy dodanie Web Workers do Twoich programów, aby stały się bardziej responsywne i przyjemniejsze w użyciu.
marcoos.techblog 