JS `SharedArrayBuffer` 内存模型：`sequentially consistent` 与 `acquire/release` 语义

各位观众老爷，大家好！我是今天的主讲人，咱们今天聊点刺激的：JS SharedArrayBuffer 的内存模型，以及它背后那些让人头疼又兴奋的 sequentially consistent 和 acquire/release 语义。

别害怕，虽然听起来高大上，但其实没那么可怕。我会尽量用最接地气的方式，把这些概念掰开了、揉碎了，喂到你嘴里。保证你听完之后，不仅能明白，还能拿出去装X。

咱们先来个开胃小菜：

SharedArrayBuffer 是个啥？

简单来说，SharedArrayBuffer 允许 JavaScript 和 WebAssembly 共享同一块内存空间。这意味着，不同的线程（worker）可以同时读写同一块数据，而不需要通过繁琐的消息传递。

听起来是不是很美好？但是，共享内存也带来了新的问题：并发访问。如果多个线程同时修改同一个数据，会发生什么？结果可能让你怀疑人生。

这就是内存模型登场的地方。内存模型定义了程序中各个线程如何看到内存中的数据。它决定了哪些操作是允许的，以及它们执行的顺序。

Sequentially Consistent：最理想的世界

最简单的内存模型是 sequentially consistent (顺序一致性)。在这个模型中，所有线程看到的操作顺序都是一样的，就像有一个全局时钟一样。

想象一下，有三个线程：A, B, C。它们分别执行以下操作：

线程 A: x = 1;
线程 B: y = 2;
线程 C: print(x); print(y);

如果内存模型是 sequentially consistent，那么无论 C 线程在什么时候执行，它要么打印 1 2，要么打印 0 0 （假设 x 和 y 初始值为 0）。不会出现 1 0 或者 0 2 这样的结果。

为什么？因为所有线程都按照相同的顺序看到操作。如果 C 线程在 A 和 B 之前执行，那么它会看到 x 和 y 的初始值 0。如果 C 线程在 A 之后，B 之前执行，那么它必须看到 x 的值 1，但是 y 的值仍然是 0。

这种模型非常容易理解，程序员不需要考虑复杂的并发问题。但是，sequentially consistent 的性能很差。为了保证所有线程看到的操作顺序一致，需要进行大量的同步，这会降低程序的运行速度。

所以，JS 的 SharedArrayBuffer 没有采用完全的 sequentially consistent 模型。它使用了更宽松的模型，叫做 acquire/release 语义。

Acquire/Release 语义：有条件的顺序一致性

acquire/release 语义是一种更灵活的内存模型。它允许在某些情况下放宽顺序一致性的要求，从而提高性能。

关键概念：

Acquire (获取): 一个 acquire 操作保证，在它之后发生的读写操作，能够看到在它之前发生的写操作的结果。相当于获取锁，确保你拿到的是最新的数据。
Release (释放): 一个 release 操作保证，在它之前发生的读写操作的结果，能够被其他线程在 acquire 操作之后看到。相当于释放锁，让其他线程可以访问你的数据。

听起来有点绕？没关系，我们用一个例子来说明。

假设有两个线程：A 和 B。它们共享一个变量 flag，初始值为 0。

线程 A:

data = 42; // 写数据
Atomics.store(sharedArray, 0, 1); // 写 flag， release 语义

线程 B:

while (Atomics.load(sharedArray, 0) === 0) {
  // 等待 flag 变为 1， acquire 语义
}
console.log(data); // 读数据

在这个例子中，Atomics.store 使用了 release 语义， Atomics.load 使用了 acquire 语义。

这意味着：

线程 A 在 Atomics.store 之前写入的 data 的值 (42)，必须在线程 B Atomics.load 之后可见。
线程 B 只有在看到 flag 变为 1 之后，才能读取 data 的值。

所以，线程 B 肯定会打印出 42。 acquire/release 语义保证了 data = 42; 发生在 console.log(data); 之前，即使它们在不同的线程中执行。

但是，注意！ acquire/release 语义只保证了与 acquire 和 release 操作相关的操作的顺序。对于其他的操作，顺序是不确定的。

为什么需要 Acquire/Release？

sequentially consistent 虽然简单，但是性能太差。 acquire/release 语义在保证一定程度的同步的前提下，允许编译器和 CPU 进行更多的优化，从而提高性能。

例如，编译器可以对代码进行重排序，只要不改变 acquire 和 release 操作之间的依赖关系。 CPU 也可以乱序执行指令，只要保证 acquire 和 release 操作的顺序。

SharedArrayBuffer 和 Atomics：黄金搭档

SharedArrayBuffer 通常和 Atomics API 一起使用。 Atomics 提供了一组原子操作，可以安全地读写共享内存，而不会出现数据竞争。

常用的 Atomics 操作：

操作	描述	语义
`Atomics.load`	原子地读取共享内存中的一个值。	`acquire` (取决于架构，通常是)
`Atomics.store`	原子地写入共享内存中的一个值。	`release` (取决于架构，通常是)
`Atomics.compareExchange`	原子地比较并交换共享内存中的一个值。	`acquire/release` (取决于架构，通常是)
`Atomics.add`	原子地将一个值加到共享内存中的一个值。	`acquire/release` (取决于架构，通常是)
`Atomics.sub`	原子地从共享内存中的一个值减去一个值。	`acquire/release` (取决于架构，通常是)
`Atomics.and`	原子地将共享内存中的一个值与另一个值进行按位与操作。	`acquire/release` (取决于架构，通常是)
`Atomics.or`	原子地将共享内存中的一个值与另一个值进行按位或操作。	`acquire/release` (取决于架构，通常是)
`Atomics.xor`	原子地将共享内存中的一个值与另一个值进行按位异或操作。	`acquire/release` (取决于架构，通常是)

一个更复杂的例子：生产者-消费者模型

让我们用一个更实际的例子来说明 SharedArrayBuffer 和 Atomics 的用法。假设我们有一个生产者线程和一个消费者线程，它们共享一个缓冲区。

// 生产者线程
function producer(sharedArray, data) {
  for (let i = 0; i < data.length; i++) {
    // 等待缓冲区为空
    while (Atomics.load(sharedArray, 0) !== 0) {
      // 忙等待，可以优化为使用 Atomics.wait()
    }

    // 写入数据到缓冲区
    Atomics.store(sharedArray, 1, data[i]);

    // 设置缓冲区为已满
    Atomics.store(sharedArray, 0, 1); // release 语义
  }
}

// 消费者线程
function consumer(sharedArray, result) {
  for (let i = 0; i < result.length; i++) {
    // 等待缓冲区为满
    while (Atomics.load(sharedArray, 0) !== 1) {
      // 忙等待，可以优化为使用 Atomics.wait()
    }

    // 读取数据从缓冲区
    result[i] = Atomics.load(sharedArray, 1); // acquire 语义

    // 设置缓冲区为空
    Atomics.store(sharedArray, 0, 0);
  }
}

// 主线程
const sab = new SharedArrayBuffer(8); // 8 字节，用于存储状态和数据
const sharedArray = new Int32Array(sab); // 解释为 Int32Array
const data = [1, 2, 3, 4, 5];
const result = new Int32Array(data.length);

// 创建生产者和消费者线程
const producerThread = new Worker('producer.js');
const consumerThread = new Worker('consumer.js');

// 传递 SharedArrayBuffer 给线程
producerThread.postMessage({ sharedArrayBuffer: sab, data: data });
consumerThread.postMessage({ sharedArrayBuffer: sab, result: result });

// 监听线程完成
Promise.all([
  new Promise(resolve => producerThread.onmessage = resolve),
  new Promise(resolve => consumerThread.onmessage = resolve)
]).then(() => {
  console.log('Result:', result); // 应该打印 [1, 2, 3, 4, 5]
});

在这个例子中，sharedArray[0] 用作标志位，表示缓冲区是否已满。 sharedArray[1] 用来存储数据。

生产者线程在写入数据到缓冲区之后，设置 sharedArray[0] 为 1，表示缓冲区已满。消费者线程在读取数据之后，设置 sharedArray[0] 为 0，表示缓冲区为空。

Atomics.store 和 Atomics.load 的 acquire/release 语义保证了生产者线程写入的数据，能够被消费者线程正确读取。

注意事项和最佳实践

避免数据竞争： 使用 Atomics API 来安全地读写共享内存。不要直接使用普通的读写操作，否则可能会导致数据竞争。
理解内存模型： acquire/release 语义比 sequentially consistent 更复杂，需要仔细理解。如果不确定，最好使用更严格的同步机制，例如锁。
减少竞争： 尽量减少多个线程同时访问同一块数据的频率。可以使用局部变量或者数据复制来避免竞争。
使用 Atomics.wait 和 Atomics.wake： 不要使用忙等待 (busy-waiting)，例如 while (condition) {}。忙等待会浪费 CPU 资源。可以使用 Atomics.wait 和 Atomics.wake 来让线程进入睡眠状态，并在条件满足时被唤醒。这可以提高程序的效率。

性能考量

虽然 SharedArrayBuffer 和 Atomics 提供了共享内存的机制，但是使用它们也需要考虑性能问题。

同步开销： Atomics 操作比普通的读写操作更慢，因为它们需要进行同步。过度使用 Atomics 会降低程序的性能。
缓存一致性： 多个线程共享同一块内存，可能会导致缓存一致性问题。当一个线程修改了数据，其他的线程需要更新它们的缓存。这会增加内存访问的延迟。
False Sharing： 当多个线程访问不同的变量，但是这些变量位于同一个缓存行中时，也会发生缓存一致性问题。这叫做 False Sharing。为了避免 False Sharing，可以将不同的变量分配到不同的缓存行中。

总结

SharedArrayBuffer 提供了 JavaScript 和 WebAssembly 共享内存的能力，但是也带来了并发访问的问题。 acquire/release 语义是一种更灵活的内存模型，可以在保证一定程度的同步的前提下，提高程序的性能。 Atomics API 提供了一组原子操作，可以安全地读写共享内存。

掌握 SharedArrayBuffer 和 Atomics，可以让你编写出更高效、更强大的并发程序。但是，也需要仔细理解内存模型，并避免数据竞争和性能问题。

代码示例：改进的生产者-消费者模型（使用 Atomics.wait 和 Atomics.wake）

// 生产者线程
function producer(sharedArray, data) {
  for (let i = 0; i < data.length; i++) {
    // 等待缓冲区为空
    while (Atomics.load(sharedArray, 0) !== 0) {
      Atomics.wait(sharedArray, 0, 1); // 等待消费者唤醒
    }

    // 写入数据到缓冲区
    Atomics.store(sharedArray, 1, data[i]);

    // 设置缓冲区为已满
    Atomics.store(sharedArray, 0, 1); // release 语义

    // 唤醒消费者
    Atomics.notify(sharedArray, 0, 1);
  }
}

// 消费者线程
function consumer(sharedArray, result) {
  for (let i = 0; i < result.length; i++) {
    // 等待缓冲区为满
    while (Atomics.load(sharedArray, 0) !== 1) {
      Atomics.wait(sharedArray, 0, 0); // 等待生产者唤醒
    }

    // 读取数据从缓冲区
    result[i] = Atomics.load(sharedArray, 1); // acquire 语义

    // 设置缓冲区为空
    Atomics.store(sharedArray, 0, 0);

    // 唤醒生产者
    Atomics.notify(sharedArray, 0, 1);
  }
}

// 主线程
const sab = new SharedArrayBuffer(8); // 8 字节，用于存储状态和数据
const sharedArray = new Int32Array(sab); // 解释为 Int32Array
const data = [1, 2, 3, 4, 5];
const result = new Int32Array(data.length);

// 创建生产者和消费者线程
const producerThread = new Worker('producer.js');
const consumerThread = new Worker('consumer.js');

// 传递 SharedArrayBuffer 给线程
producerThread.postMessage({ sharedArrayBuffer: sab, data: data });
consumerThread.postMessage({ sharedArrayBuffer: sab, result: result });

// 监听线程完成
Promise.all([
  new Promise(resolve => producerThread.onmessage = resolve),
  new Promise(resolve => consumerThread.onmessage = resolve)
]).then(() => {
  console.log('Result:', result); // 应该打印 [1, 2, 3, 4, 5]
});

这个改进后的版本使用了 Atomics.wait 和 Atomics.notify，避免了忙等待，提高了程序的效率。

好了，今天的讲座就到这里。希望大家有所收获！记住，并发编程是一门艺术，需要不断学习和实践。祝大家在并发的世界里玩得开心！

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