发布于 由admin

JS `Worklets` (AudioWorklet, PaintWorklet) 独立线程的计算模型与限制

各位好，欢迎来到今天的Worklet专场脱口秀（技术版）！咱们今天不聊八卦，专啃硬骨头，聊聊那些藏在浏览器背后的“独立思考者”——Worklets。

开场白：主线程，你歇歇吧！

作为前端开发者，我们都对主线程爱恨交加。爱它，因为它是我们代码执行的舞台；恨它，因为一旦它卡壳，整个页面就跟得了帕金森综合症似的，抖个不停。

想象一下，你在做一个超炫酷的音频可视化效果，或是用Canvas画一个复杂的动画。这些计算密集型的任务，如果都挤在主线程里，那用户体验绝对是灾难级别的。这时候，Worklets就闪亮登场了，它们就像是主线程的“外包团队”，专门负责处理这些繁重的计算任务，让主线程得以喘息。

Worklets：独立思考的“打工人”

Worklets本质上是一段运行在独立线程中的JavaScript代码。它们与主线程隔离，通过消息传递进行通信。目前，比较常用的Worklets主要有：

  • AudioWorklet: 用于处理音频数据，比如实时音频处理、音频合成等。
  • PaintWorklet: 用于自定义CSS Painting API，可以绘制各种复杂的背景、边框等。
  • AnimationWorklet: 用于实现高性能的动画效果，避免主线程阻塞。
  • LayoutWorklet: 用于自定义布局算法，例如网格布局、瀑布流布局等。

咱们今天重点聊聊AudioWorklet和PaintWorklet，因为它们的应用场景比较典型。

AudioWorklet：让音频处理不再卡顿

先来说说AudioWorklet。在Web Audio API中，AudioWorklet允许我们自定义音频处理节点。这些节点运行在独立的线程中，可以对音频数据进行实时处理，而不会阻塞主线程。

场景： 设想你要做一个实时音频均衡器，用户可以调节不同频段的增益。如果直接在主线程中处理音频数据，一旦计算量稍微大一点，就会出现明显的卡顿，影响用户体验。

AudioWorklet解决方案：

  1. 注册AudioWorkletProcessor： 首先，我们需要定义一个AudioWorkletProcessor，它负责实际的音频处理逻辑。

    // my-audio-processor.js
class MyAudioProcessor extends AudioWorkletProcessor {
  constructor() {
    super();
    this.gain = 0.5; // 初始增益
    this.port.onmessage = (event) => {
      if (event.data.type === 'gain') {
        this.gain = event.data.value;
      }
    };
  }

  process(inputs, outputs, parameters) {
    const input = inputs[0];
    const output = outputs[0];

    for (let channel = 0; channel < output.length; ++channel) {
      for (let i = 0; i < output[channel].length; ++i) {
        output[channel][i] = input[channel][i] * this.gain;
      }
    }

    return true;
  }
}

registerProcessor('my-audio-processor', MyAudioProcessor);

    代码解释：

    • MyAudioProcessor继承自AudioWorkletProcessor。
    • constructor中初始化增益，并监听来自主线程的消息。
    • process方法是核心，它接收输入音频数据(inputs)，处理后输出到outputs。
    • registerProcessor函数将我们的Processor注册到AudioWorklet系统中。

  2. 在主线程中使用AudioWorklet：

    // main.js
async function initAudioWorklet() {
  const audioContext = new AudioContext();
  await audioContext.audioWorklet.addModule('my-audio-processor.js'); // 加载AudioWorklet模块

  const oscillator = audioContext.createOscillator();
  const myAudioProcessorNode = new AudioWorkletNode(audioContext, 'my-audio-processor'); // 创建AudioWorkletNode

  oscillator.connect(myAudioProcessorNode);
  myAudioProcessorNode.connect(audioContext.destination);
  oscillator.start();

  // 监听用户调整增益的操作
  document.getElementById('gain-slider').addEventListener('input', (event) => {
    const gainValue = parseFloat(event.target.value);
    myAudioProcessorNode.port.postMessage({ type: 'gain', value: gainValue }); // 向AudioWorklet发送消息
  });
}

initAudioWorklet();

    代码解释：

    • 创建AudioContext。
    • 使用audioContext.audioWorklet.addModule加载AudioWorklet模块。
    • 创建AudioWorkletNode，并将其连接到音频处理流程中。
    • 通过myAudioProcessorNode.port.postMessage向AudioWorklet发送消息，传递增益值。

PaintWorklet：让CSS Painting更上一层楼

PaintWorklet允许我们自定义CSS Painting API，可以在CSS中使用paint()函数调用我们自定义的绘制逻辑。这为我们创造各种复杂的背景、边框、阴影效果提供了无限可能。

场景： 假设我们要实现一个波浪形的背景效果，用传统的CSS实现起来非常困难，而且性能也不好。

PaintWorklet解决方案：

  1. 注册PaintWorklet：

    // wavy-background.js
class WavyBackgroundPainter {
  static get inputProperties() {
    return ['--wave-color', '--wave-amplitude', '--wave-length'];
  }

  paint(ctx, geom, properties) {
    const waveColor = properties.get('--wave-color').toString() || 'blue';
    const waveAmplitude = parseFloat(properties.get('--wave-amplitude').toString()) || 20;
    const waveLength = parseFloat(properties.get('--wave-length').toString()) || 100;

    ctx.fillStyle = waveColor;
    ctx.beginPath();

    const width = geom.width;
    const height = geom.height;

    for (let i = 0; i < width; i++) {
      const y = height / 2 + Math.sin(i / waveLength * 2 * Math.PI) * waveAmplitude;
      ctx.lineTo(i, y);
    }

    ctx.lineTo(width, height);
    ctx.lineTo(0, height);
    ctx.closePath();
    ctx.fill();
  }
}

registerPaint('wavy-background', WavyBackgroundPainter);

    代码解释：

    • WavyBackgroundPainter类定义了绘制波浪背景的逻辑。
    • static get inputProperties定义了可以从CSS中传入的自定义属性，比如波浪颜色、振幅和长度。
    • paint方法是核心，它接收Canvas上下文(ctx)、几何信息(geom)和CSS属性(properties)，然后使用Canvas API绘制波浪。
    • registerPaint函数将我们的Painter注册到PaintWorklet系统中。

  2. 在CSS中使用PaintWorklet：

    /* style.css */
.wavy-container {
  width: 300px;
  height: 200px;
  background-image: paint(wavy-background);
  --wave-color: red;
  --wave-amplitude: 30;
  --wave-length: 80;
}
    <!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <link rel="stylesheet" href="style.css">
  <style>
    .wavy-container {
      width: 300px;
      height: 200px;
      background-image: paint(wavy-background);
      --wave-color: red;
      --wave-amplitude: 30;
      --wave-length: 80;
    }
  </style>
</head>
<body>
  <div class="wavy-container"></div>
  <script>
    CSS.paintWorklet.addModule('wavy-background.js'); // 加载PaintWorklet模块
  </script>
</body>
</html>

    代码解释：

    • 在CSS中，我们使用background-image: paint(wavy-background)来应用我们自定义的PaintWorklet。
    • 通过CSS自定义属性--wave-color、--wave-amplitude和--wave-length来控制波浪的样式。
    • 使用CSS.paintWorklet.addModule加载PaintWorklet模块。

Worklets的计算模型：隔离与通信

Worklets运行在独立的线程中，这意味着它们拥有自己的内存空间和执行上下文。这种隔离性带来了诸多好处：

  • 避免阻塞主线程： Worklets中的计算任务不会影响主线程的响应速度。
  • 提高性能： Worklets可以利用多核CPU的优势，并行执行计算任务。
  • 增强安全性： Worklets与主线程隔离，可以防止恶意代码篡改主线程的数据。

通信方式：

Worklets与主线程之间的通信主要通过消息传递机制实现。

  • 主线程 -> Worklet: 使用postMessage方法向Worklet发送消息。
  • Worklet -> 主线程: 使用port.postMessage方法向主线程发送消息。

Worklets的限制：并非万能药

虽然Worklets功能强大，但也存在一些限制：

限制项 说明
访问DOM Worklets无法直接访问DOM，因为它们运行在独立的线程中。如果需要操作DOM，必须通过消息传递，由主线程来执行。
访问Window/Document Worklets无法访问Window和Document对象。
存储 Worklets的存储空间有限，不适合存储大量数据。
调试 Worklets的调试相对复杂，需要使用浏览器的开发者工具进行调试。
API限制 Worklet API 相对较新，一些老旧浏览器可能不支持。
序列化/反序列化 通过postMessage传递的数据需要在主线程和 Worklet 线程之间进行序列化和反序列化，这可能会带来一定的性能开销，尤其是传递复杂对象时。因此，尽量传递简单的数据结构，避免不必要的数据拷贝。
内存管理 Worklet 线程的内存管理需要特别注意，避免出现内存泄漏。例如，在 AudioWorkletProcessor 中，如果长时间持有未释放的资源，可能会导致内存占用不断增加。需要手动释放不再使用的对象，或者使用 WeakRef 等机制来辅助内存管理。

Worklets的适用场景：对症下药

Worklets并非适用于所有场景，我们需要根据实际情况进行选择。以下是一些Worklets的适用场景：

  • 计算密集型任务： 比如音频处理、视频处理、图像处理、复杂的数学计算等。
  • 需要高性能的任务： 比如实时音频可视化、高性能动画等。
  • 需要在后台执行的任务： 比如数据预处理、数据分析等。

总结：让你的代码飞起来

Worklets是Web开发中一项强大的技术，它可以帮助我们将计算密集型任务从主线程中解放出来，从而提高Web应用的性能和用户体验。但是，Worklets也存在一些限制，我们需要根据实际情况进行选择。

希望今天的脱口秀（技术版）能帮助大家更好地理解Worklets，并在实际开发中灵活运用。记住，选择合适的工具，才能让你的代码飞起来！

最后，留个思考题：

除了AudioWorklet和PaintWorklet，你还知道哪些Worklets？它们分别适用于哪些场景？ 欢迎大家在评论区留言讨论！下次有机会咱们再聊聊AnimationWorklet和LayoutWorklet，它们也很有意思的！

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注