JS `SharedArrayBuffer` `Memory Model` (`SC`, `Acquire/Release`, `Relaxed`) 与并发一致性

各位朋友，大家好！今天咱们聊聊JavaScript里一个挺刺激的东西：SharedArrayBuffer。这玩意儿一听就跟共享单车似的，大家都能用。但共享单车乱停乱放会出问题，SharedArrayBuffer用不好，也会让你的程序变得一团糟。所以，咱们今天就来好好唠唠它的内存模型，以及如何用各种姿势（SC, Acquire/Release, Relaxed）来保证并发一致性。

SharedArrayBuffer：一块共享的蛋糕

想象一下，你有一块蛋糕（ArrayBuffer），原本只有你自己能吃。但现在，你把它变成了SharedArrayBuffer，这意味着，多个JavaScript线程（Web Workers）都可以同时来啃这块蛋糕。这听起来很美好，大家一起吃蛋糕，效率多高啊！但是，问题来了：

• 你一口，我一口： 两个线程同时想吃同一块地方的蛋糕，谁先吃？吃多少？
• 蛋糕屑乱飞： 一个线程在切蛋糕，另一个线程在吃，结果切出来的形状不对，或者蛋糕屑乱飞，影响口感。

这些问题，在单线程的JavaScript世界里是不存在的。因为只有一个线程在操作数据，不存在并发冲突。但是，SharedArrayBuffer打破了这个宁静，引入了并发的挑战。

内存模型：游戏规则

为了解决并发问题，我们需要一套游戏规则，也就是内存模型。JavaScript的SharedArrayBuffer内存模型定义了线程之间如何交互，以及如何保证数据的一致性。简单来说，它规定了以下几点：

• 可见性： 一个线程对SharedArrayBuffer的修改，何时对其他线程可见？
• 顺序性： 线程内部的操作顺序，是否会影响到其他线程的观察结果？

JavaScript提供了三种主要的内存模型操作：

1. Sequential Consistency (SC)： 这是最严格的内存模型，也是默认的模型。
2. Acquire/Release： 一种更宽松的模型，允许一定的乱序执行，但保证了关键操作的同步。
3. Relaxed： 最宽松的模型，几乎不提供任何同步保证，通常用于对性能要求极高的场景。

咱们一个个来细说。

1. Sequential Consistency (SC)：一丝不苟的老大哥

SC就像一个一丝不苟的老大哥，它保证了所有线程的操作都按照全局唯一的顺序执行。也就是说，每个线程看到的操作顺序都是一样的，就像所有操作都发生在同一个线程里一样。

• 全局顺序： 所有线程的操作都按照一个全局唯一的顺序执行。
• 原子性： 每个读写操作都是原子的，不会被其他线程打断。
• 可见性： 一个线程的写入操作，会立即对其他线程可见。

用代码来解释：

// 共享内存
const sab = new SharedArrayBuffer(4);
const arr = new Int32Array(sab);

// 线程A
function threadA() {
  arr[0] = 1;
  Atomics.store(arr, 0, 2); // 显式同步
  console.log("Thread A: arr[0] set to 2");
}

// 线程B
function threadB() {
  while (Atomics.load(arr, 0) !== 2) {
    // 等待Thread A完成
  }
  console.log("Thread B: arr[0] is now 2");
  console.log("Thread B: arr[0] =", arr[0]);
}

// 启动线程
const workerA = new Worker("workerA.js");
const workerB = new Worker("workerB.js");

workerA.postMessage({sab});
workerB.postMessage({sab});

// workerA.js
onmessage = function(e) {
  const sab = e.data.sab;
  const arr = new Int32Array(sab);
  arr[0] = 1;
  Atomics.store(arr, 0, 2);
  console.log("Thread A: arr[0] set to 2");
}

// workerB.js
onmessage = function(e) {
  const sab = e.data.sab;
  const arr = new Int32Array(sab);
  while (Atomics.load(arr, 0) !== 2) {
    // 等待Thread A完成
  }
  console.log("Thread B: arr[0] is now 2");
  console.log("Thread B: arr[0] =", arr[0]);
}

在这个例子中，Thread A先将arr[0]设置为1，然后使用Atomics.store()将其设置为2。Atomics.store()是一个原子操作，它保证了写入操作的原子性和可见性。Thread B通过Atomics.load()不断读取arr[0]的值，直到它变成2，才继续执行。

由于SC的保证，我们可以确定，Thread B一定会在Thread A完成写入操作后，才能看到arr[0]的值变成2。也就是说，Thread B看到的arr[0]的值，一定是Thread A写入后的值。

优点：

• 简单易懂： SC的语义非常直观，易于理解和调试。
• 保证一致性： 提供了最强的并发一致性保证。

缺点：

• 性能较低： 为了保证全局顺序，SC可能会限制编译器的优化，导致性能下降。

2. Acquire/Release：精打细算的管家

Acquire/Release是一种更宽松的内存模型，它允许一定的乱序执行，但通过Acquire和Release操作来保证关键操作的同步。

• Acquire： 相当于“获得锁”，保证了在Acquire操作之后，才能读取数据。
• Release： 相当于“释放锁”，保证了在Release操作之前的所有写入操作，对其他线程可见。

用代码来解释：

// 共享内存
const sab = new SharedArrayBuffer(8);
const arr = new Int32Array(sab);

// 初始化锁 (0: unlocked, 1: locked)
Atomics.store(arr, 0, 0);

// 线程A (Producer)
function threadA() {
  const data = 42;
  arr[1] = data; // Write data

  // Release: Make data visible to other threads
  Atomics.store(arr, 0, 1); // Set lock to 1 (locked)
  Atomics.wake(arr, 0, 1); // Wake up waiting threads
  console.log("Thread A: Data written and lock released.");
}

// 线程B (Consumer)
function threadB() {
  // Acquire: Wait for data to be available
  while (Atomics.load(arr, 0) === 0) {
      Atomics.wait(arr, 0, 0, 100); // Wait for lock
  }

  const data = arr[1]; // Read data
  console.log("Thread B: Data read:", data);
}

// 启动线程
const workerA = new Worker("workerA.js");
const workerB = new Worker("workerB.js");

workerA.postMessage({sab});
workerB.postMessage({sab});

// workerA.js
onmessage = function(e) {
  const sab = e.data.sab;
  const arr = new Int32Array(sab);

  const data = 42;
  arr[1] = data; // Write data

  // Release: Make data visible to other threads
  Atomics.store(arr, 0, 1); // Set lock to 1 (locked)
  Atomics.wake(arr, 0, 1); // Wake up waiting threads
  console.log("Thread A: Data written and lock released.");
}

// workerB.js
onmessage = function(e) {
  const sab = e.data.sab;
  const arr = new Int32Array(sab);

  // Acquire: Wait for data to be available
  while (Atomics.load(arr, 0) === 0) {
      Atomics.wait(arr, 0, 0, 100); // Wait for lock
  }

  const data = arr[1]; // Read data
  console.log("Thread B: Data read:", data);
}

在这个例子中，arr[0]被用作一个锁。Thread A（生产者）先将数据写入arr[1]，然后使用Atomics.store()将arr[0]设置为1，表示锁被占用。Atomics.wake唤醒等待的线程。Thread B（消费者）通过Atomics.load()不断读取arr[0]的值，直到它变成1，才继续执行，读取arr[1]的数据。

Acquire/Release保证了，Thread B一定会在Thread A完成写入arr[1]的操作后，才能读取到数据。也就是说，Thread B读取到的数据，一定是Thread A写入后的数据。

优点：

• 性能较高： 允许一定的乱序执行，可以提高性能。
• 保证关键操作的同步： 通过Acquire和Release操作，保证了关键操作的同步。

缺点：

• 理解难度较高： 需要理解Acquire和Release的语义，以及它们如何保证同步。
• 容易出错： 如果Acquire和Release操作使用不当，可能会导致数据竞争或死锁。

3. Relaxed：放飞自我的艺术家

Relaxed是最宽松的内存模型，它几乎不提供任何同步保证。也就是说，线程之间的操作顺序是不确定的，一个线程的写入操作，不一定会立即对其他线程可见。

用代码来解释：

// 共享内存
const sab = new SharedArrayBuffer(4);
const arr = new Int32Array(sab);

// 线程A
function threadA() {
  arr[0] = 1; // Relaxed write
  console.log("Thread A: arr[0] set to 1");
}

// 线程B
function threadB() {
  let value = arr[0]; // Relaxed read
  console.log("Thread B: arr[0] =", value);
}

// 启动线程
const workerA = new Worker("workerA.js");
const workerB = new Worker("workerB.js");

workerA.postMessage({sab});
workerB.postMessage({sab});

// workerA.js
onmessage = function(e) {
  const sab = e.data.sab;
  const arr = new Int32Array(sab);
  arr[0] = 1; // Relaxed write
  console.log("Thread A: arr[0] set to 1");
}

// workerB.js
onmessage = function(e) {
  const sab = e.data.sab;
  const arr = e.data.arr;
  let value = arr[0]; // Relaxed read
  console.log("Thread B: arr[0] =", value);
}

在这个例子中，Thread A将arr[0]设置为1，Thread B读取arr[0]的值。由于Relaxed模型不提供任何同步保证，Thread B可能在Thread A写入之前读取到arr[0]的值，也可能在写入之后读取到。也就是说，Thread B读取到的值可能是0，也可能是1。

优点：

• 性能最高： 由于几乎不提供任何同步保证，编译器可以进行最大程度的优化，从而获得最高的性能。

缺点：

• 难以理解： 需要对底层硬件和编译器的行为有深入的了解。
• 容易出错： 如果使用不当，很容易导致数据竞争和不可预测的结果。
• 适用范围有限： 通常只适用于对性能要求极高，且对数据一致性要求不高的场景。

总结：选择合适的内存模型

选择哪种内存模型，取决于你的具体需求。

内存模型	优点	缺点	适用场景
Sequential Consistency (SC)	简单易懂，保证一致性	性能较低	对数据一致性要求极高，且对性能要求不高的场景
Acquire/Release	性能较高，保证关键操作的同步	理解难度较高，容易出错	对性能有一定要求，且需要保证关键操作的同步的场景
Relaxed	性能最高	难以理解，容易出错，适用范围有限	对性能要求极高，且对数据一致性要求不高的场景。例如，计数器，统计信息等，即使数据有一定偏差，也不会影响整体结果。需要非常谨慎的使用，确保理解其潜在的风险。

一些额外的建议：

• 尽量使用SC： 如果你对并发编程不太熟悉，或者对数据一致性要求很高，那么尽量使用SC。虽然性能可能稍低，但可以避免很多潜在的问题。
• 谨慎使用Acquire/Release： 如果你需要更高的性能，可以考虑使用Acquire/Release，但一定要仔细理解其语义，并进行充分的测试。
• 避免使用Relaxed： 除非你有充分的理由，并且对底层硬件和编译器的行为有深入的了解，否则尽量避免使用Relaxed。
• 使用Atomics： Atomics对象提供了一系列原子操作，可以保证对SharedArrayBuffer的读写操作是原子的。在进行并发编程时，一定要使用Atomics对象，避免数据竞争。
• 同步机制： 除了内存模型，还可以使用其他的同步机制，例如锁、信号量、条件变量等，来保证并发一致性。

结尾：并发编程，步步惊心

并发编程就像走钢丝，需要小心翼翼，步步惊心。SharedArrayBuffer为JavaScript带来了并发的能力，但也带来了新的挑战。理解内存模型，选择合适的同步机制，是编写安全可靠的并发程序的关键。

希望今天的讲座对大家有所帮助！记住，并发编程，安全第一！