JavaScript内核与高级编程之：`SharedArrayBuffer`：其在多线程间共享内存的底层实现。

嘿，大家好！我是你们今天的JavaScript内核与高级编程的向导。今天要聊聊一个稍微有点儿“硬核”的东西——SharedArrayBuffer，这玩意儿可是JavaScript多线程编程的基石，别怕，咱们争取把它讲得像吃瓜一样轻松。

咱们先来热个身，想象一下：你有一个装满玩具的房间（内存），你的弟弟妹妹（线程）也想玩这些玩具。

• 传统模式： 你每次玩完一个玩具，都得小心翼翼地把它打包好，然后通过一个“快递员”（消息传递）送到你弟弟妹妹手里。他们玩完之后，还得再打包送回来。这效率，想想都头疼！

• SharedArrayBuffer模式： 现在，咱们把房间变成“共享玩具房”，大家可以直接进去拿玩具玩，玩完放回去就行。是不是方便多了？

这就是SharedArrayBuffer的核心思想：共享内存。

一、SharedArrayBuffer：是啥？能吃吗？

SharedArrayBuffer是ES2017引入的一个对象，它允许在多个线程（或者更精确地说，多个Web Workers）之间共享内存区域。

别把它和普通的ArrayBuffer搞混了。ArrayBuffer是不可共享的，每个线程都有自己独立的ArrayBuffer副本。而SharedArrayBuffer则只有一个实例，所有线程都能访问和修改。

为什么要有这玩意儿？

因为JavaScript是单线程的语言（一直以来）。虽然有Web Workers，但它们只能通过消息传递进行通信，效率比较低。有了SharedArrayBuffer，我们就可以实现真正意义上的多线程并行计算，充分利用多核CPU的性能。

它能解决什么问题？

• 提升性能： 对于需要大量计算的任务，可以分配给多个线程并行处理，显著缩短处理时间。
• 复杂应用： 比如音视频处理、图像处理、游戏引擎等，这些应用通常需要实时处理大量数据，SharedArrayBuffer可以提供更流畅的用户体验。

二、SharedArrayBuffer：怎么用？来点代码！

光说不练假把式，咱们直接上代码。

1. 创建SharedArrayBuffer

// 创建一个1MB的SharedArrayBuffer
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024 * 1024);

很简单，对吧？ new SharedArrayBuffer(size) 就能创建一个指定大小的共享内存区域。

2. 创建TypedArray视图

SharedArrayBuffer本身只是一个原始的字节缓冲区，我们需要通过TypedArray（比如Int32Array、Float64Array等）来操作里面的数据。

// 创建一个Int32Array视图，指向sharedBuffer
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

现在，sharedArray就是一个可以用来读写sharedBuffer的Int32Array了。

3. Web Worker中使用SharedArrayBuffer

// 主线程 (main.js)
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

const worker = new Worker('worker.js');

// 将SharedArrayBuffer传递给Worker
worker.postMessage(sharedBuffer);

// 修改共享内存
sharedArray[0] = 42;
console.log('主线程修改 sharedArray[0] 为:', sharedArray[0]);

worker.onmessage = (event) => {
  console.log('主线程收到来自 worker 的消息:', event.data);
  console.log('主线程读取 sharedArray[0]:', sharedArray[0]);
};

// Worker线程 (worker.js)
self.onmessage = (event) => {
  const sharedBuffer = event.data;
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

  console.log('Worker线程收到 sharedBuffer');
  console.log('Worker线程读取 sharedArray[0]:', sharedArray[0]);

  // 修改共享内存
  sharedArray[0] = 100;
  console.log('Worker线程修改 sharedArray[0] 为:', sharedArray[0]);

  // 向主线程发送消息
  self.postMessage('Worker线程完成修改');
};

代码解释：

• 主线程创建了一个SharedArrayBuffer，并通过postMessage将其传递给Worker线程。
• Worker线程接收到SharedArrayBuffer后，也创建了一个Int32Array视图。
• 主线程和Worker线程都可以通过sharedArray来读写共享内存中的数据。

运行结果：

你会发现，主线程和Worker线程都可以看到对方对sharedArray[0]的修改。这就是共享内存的魅力！

三、SharedArrayBuffer：坑在哪里？如何避免？

SharedArrayBuffer很强大，但也很危险。由于多个线程可以同时访问和修改共享内存，如果没有适当的同步机制，就会出现数据竞争（race condition）的问题。

想象一下：两个线程同时想把sharedArray[0]的值加1。如果没有同步机制，可能会出现以下情况：

1. 线程A读取sharedArray[0]的值（比如是5）。
2. 线程B读取sharedArray[0]的值（也是5）。
3. 线程A将5加1，得到6，并写回sharedArray[0]。
4. 线程B将5加1，得到6，并写回sharedArray[0]。

最终，sharedArray[0]的值是6，而不是我们期望的7。这就是典型的数据竞争。

解决数据竞争的法宝：原子操作和锁

• 原子操作： 原子操作是指不可分割的操作，要么全部执行，要么全部不执行。JavaScript提供了Atomics对象，里面包含了一系列原子操作方法，可以用来安全地读写共享内存中的数据。

• 锁： 锁是一种同步机制，可以确保在同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。JavaScript没有内置的锁机制，但我们可以使用SharedArrayBuffer和Atomics来实现自定义的锁。

1. 使用Atomics进行原子操作

// 主线程 (main.js)
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(4); // 4个字节，可以存储一个Int32
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

const worker = new Worker('worker.js');

worker.postMessage(sharedBuffer);

// 使用原子操作增加 sharedArray[0] 的值
Atomics.add(sharedArray, 0, 1);
console.log('主线程原子操作增加后，sharedArray[0] 的值:', sharedArray[0]);

worker.onmessage = (event) => {
  console.log('主线程收到消息:', event.data);
  console.log('主线程读取 sharedArray[0]:', sharedArray[0]);
};

// Worker线程 (worker.js)
self.onmessage = (event) => {
  const sharedBuffer = event.data;
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

  // 使用原子操作增加 sharedArray[0] 的值
  Atomics.add(sharedArray, 0, 1);
  console.log('Worker线程原子操作增加后，sharedArray[0] 的值:', sharedArray[0]);

  self.postMessage('Worker线程完成');
};

在这个例子中，我们使用了Atomics.add()方法来原子地增加sharedArray[0]的值。这样就可以避免数据竞争的问题。Atomics对象还提供了很多其他的原子操作方法，比如Atomics.load()、Atomics.store()、Atomics.compareExchange()等，可以根据需要选择使用。

2. 实现一个简单的锁

// 主线程 (main.js)
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(4); // 4个字节，可以存储一个Int32
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

// 初始化锁的状态为0（未锁定）
sharedArray[0] = 0;

const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage(sharedBuffer);

// 获取锁
function acquireLock(array, index) {
  while (Atomics.compareExchange(array, index, 0, 1) !== 0) {
    // 如果锁已被占用，则等待
    Atomics.wait(array, index, 1); // 等待锁被释放
  }
}

// 释放锁
function releaseLock(array, index) {
  Atomics.store(array, index, 0);
  Atomics.notify(array, index, 1); // 唤醒等待的线程
}

// 主线程尝试获取锁
acquireLock(sharedArray, 0);
console.log('主线程获取到锁');

// 模拟一些需要保护的操作
sharedArray[1] = 100;
console.log('主线程修改 sharedArray[1] 为:', sharedArray[1]);

// 释放锁
releaseLock(sharedArray, 0);
console.log('主线程释放锁');

worker.onmessage = (event) => {
  console.log('主线程收到消息:', event.data);
  console.log('主线程读取 sharedArray[1]:', sharedArray[1]);
};

// Worker线程 (worker.js)
self.onmessage = (event) => {
  const sharedBuffer = event.data;
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

  // 获取锁
  function acquireLock(array, index) {
    while (Atomics.compareExchange(array, index, 0, 1) !== 0) {
      // 如果锁已被占用，则等待
      Atomics.wait(array, index, 1); // 等待锁被释放
    }
  }

  // 释放锁
  function releaseLock(array, index) {
    Atomics.store(array, index, 0);
    Atomics.notify(array, index, 1); // 唤醒等待的线程
  }

  // Worker线程尝试获取锁
  acquireLock(sharedArray, 0);
  console.log('Worker线程获取到锁');

  // 模拟一些需要保护的操作
  sharedArray[1] = 200;
  console.log('Worker线程修改 sharedArray[1] 为:', sharedArray[1]);

  // 释放锁
  releaseLock(sharedArray, 0);
  console.log('Worker线程释放锁');

  self.postMessage('Worker线程完成');
};

代码解释：

• 我们使用sharedArray[0]来表示锁的状态：0表示未锁定，1表示已锁定。
• acquireLock()函数尝试原子地将sharedArray[0]从0修改为1。如果修改成功，则表示获取锁成功；否则，表示锁已被占用，线程进入等待状态。
• releaseLock()函数将sharedArray[0]设置为0，释放锁，并唤醒等待的线程。
• Atomics.wait()函数用于让线程进入等待状态，直到另一个线程调用Atomics.notify()唤醒它。
• Atomics.compareExchange(array, index, expectedValue, newValue)函数原子地比较 array[index] 的值是否等于 expectedValue，如果相等，则将 array[index] 的值设置为 newValue。 它返回 array[index] 的原始值。

注意事项：

• SharedArrayBuffer的安全性依赖于浏览器的实现和操作系统的支持。
• 使用SharedArrayBuffer时，一定要仔细考虑数据同步的问题，避免出现数据竞争。
• Atomics.wait()函数会阻塞线程，长时间的等待可能会影响性能。

四、SharedArrayBuffer：还能干啥？

除了上面提到的提升性能、复杂应用之外，SharedArrayBuffer还有一些其他的应用场景：

• WebAssembly： SharedArrayBuffer可以与WebAssembly结合使用，实现更高效的计算密集型任务。
• 游戏开发： 可以用于在多个线程之间共享游戏状态、物理引擎数据等。

五、SharedArrayBuffer：总结一下

咱们用一张表格来总结一下今天的内容：

特性	ArrayBuffer	SharedArrayBuffer
可共享	否	是
线程安全	是（单线程）	否（需要同步机制）
用途	存储二进制数据	在多个线程之间共享内存
同步机制	无需	Atomics、锁等
应用场景	图片处理、文件上传等	并行计算、音视频处理、游戏引擎等
安全性	相对安全	需要谨慎处理数据同步，防止数据竞争

总而言之，SharedArrayBuffer是一个强大的工具，可以用于实现高性能的多线程JavaScript应用。但是，使用SharedArrayBuffer也需要谨慎，一定要注意数据同步的问题，避免出现数据竞争。

六、SharedArrayBuffer：最后几句掏心窝子的话

SharedArrayBuffer就像一把双刃剑，用得好，可以事半功倍；用不好，可能会伤到自己。所以在实际使用中，一定要仔细评估风险，选择合适的同步机制，并进行充分的测试。

希望今天的讲座能让你对SharedArrayBuffer有一个更深入的了解。如果还有什么疑问，欢迎随时提问。祝大家编程愉快！