解释 `JavaScript Memory Model` (内存模型) `SharedArrayBuffer` 与 `Atomics` 如何保证并发环境下的内存一致性。

大家好，我是你们今天的并发问题解决专家，今天我们来聊聊 JavaScript 内存模型中的 SharedArrayBuffer 和 Atomics，看看它们是如何在并发环境下保证内存一致性的，让我们的多线程代码不再像脱缰的野马，而是井然有序的交响乐。

开场白：JavaScript 的并发世界

JavaScript 长期以来被认为是单线程的，就像一个厨师一次只能炒一道菜。但随着 Web 应用越来越复杂，单线程的限制变得越来越明显。想象一下，如果一个网页需要处理大量的图像，或者进行复杂的计算，单线程的 JavaScript 会阻塞 UI 线程，导致页面卡顿，用户体验极差。

为了解决这个问题，HTML5 引入了 Web Workers，允许我们在后台运行 JavaScript 代码，而不会阻塞主线程。这就像请了几个帮厨，可以同时处理不同的菜，大大提高了效率。

但 Web Workers 之间的通信方式比较麻烦，需要通过 postMessage 进行消息传递，这就像厨师之间只能通过喊话来交流，效率不高。更重要的是，这种方式无法直接共享内存，每个 Worker 都有自己的内存空间，数据传递需要复制，开销很大。

这时候，SharedArrayBuffer 和 Atomics 就闪亮登场了，它们就像给厨师们提供了一个公共的操作台，大家可以在上面共享食材，高效协作。

SharedArrayBuffer：共享的舞台

SharedArrayBuffer 顾名思义，是一个可以在多个执行上下文（例如，主线程和 Web Workers）之间共享的 ArrayBuffer。它提供了一块原始的内存区域，多个线程可以直接读写这块内存，而无需复制数据。

这就好比一个公共的黑板，每个厨师都可以在上面写字、擦字，互相交流信息。

// 创建一个 SharedArrayBuffer
const sab = new SharedArrayBuffer(1024); // 1KB 的共享内存

// 在主线程中创建一个 Int32Array 视图
const view1 = new Int32Array(sab);

// 在 Worker 线程中创建一个 Int32Array 视图
// Worker 线程的代码 (worker.js)
// self.onmessage = function(event) {
//   const sab = event.data;
//   const view2 = new Int32Array(sab);
//   console.log("Worker 线程读取到的值:", view2[0]);
//   view2[0] = 42;
//   console.log("Worker 线程修改后的值:", view2[0]);
// };

// 主线程发送 SharedArrayBuffer 给 Worker
const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage(sab);

// 主线程读取并修改共享内存
console.log("主线程读取到的初始值:", view1[0]);
view1[0] = 10;
console.log("主线程修改后的值:", view1[0]);

setTimeout(() => {
  console.log("主线程再次读取到的值:", view1[0]); // 可能会输出 42，也可能输出 10，取决于执行顺序
}, 100);

在这个例子中，我们创建了一个 SharedArrayBuffer，并在主线程和 Worker 线程中分别创建了 Int32Array 视图。主线程和 Worker 线程都可以通过这些视图读写共享内存。

并发问题：共享的风险

SharedArrayBuffer 带来了共享内存的便利，但也引入了并发问题。如果没有适当的同步机制，多个线程同时读写同一块内存区域，可能会导致数据竞争和不一致的结果。

想象一下，如果两个厨师同时想在黑板上写字，可能会发生什么？一个厨师可能会覆盖另一个厨师写的内容，导致信息丢失或错误。

例如，在上面的例子中，如果主线程和 Worker 线程同时修改 view1[0]，可能会出现以下情况：

1. 主线程读取 view1[0] 的值为 0。
2. Worker 线程读取 view1[0] 的值为 0。
3. 主线程将 view1[0] 修改为 10。
4. Worker 线程将 view1[0] 修改为 42。

最终，view1[0] 的值可能是 10 或 42，取决于主线程和 Worker 线程的执行顺序。这种不确定性使得程序难以调试和维护。

Atomics：同步的守护者

为了解决并发问题，JavaScript 引入了 Atomics 对象。Atomics 提供了一组原子操作，可以确保对共享内存的读写操作是原子性的，即不可中断的。

这就好比给黑板配备了一个管理员，只有管理员才能在黑板上写字或擦字，确保每个厨师的操作都是有序的，不会互相干扰。

Atomics 提供了一系列静态方法，用于执行原子操作，包括：

• Atomics.load(typedArray, index): 原子性地读取 typedArray 中指定索引的元素。
• Atomics.store(typedArray, index, value): 原子性地将 value 写入 typedArray 中指定索引的元素。
• Atomics.add(typedArray, index, value): 原子性地将 value 加到 typedArray 中指定索引的元素。
• Atomics.sub(typedArray, index, value): 原子性地将 value 从 typedArray 中指定索引的元素减去。
• Atomics.exchange(typedArray, index, value): 原子性地将 typedArray 中指定索引的元素替换为 value，并返回原始值。
• Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue): 原子性地比较 typedArray 中指定索引的元素与 expectedValue，如果相等，则将其替换为 replacementValue，并返回原始值。
• Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout): 原子性地检查 typedArray 中指定索引的元素是否等于 value，如果相等，则阻塞当前线程，直到该元素的值发生变化或超时。
• Atomics.wake(typedArray, index, count): 唤醒在 typedArray 中指定索引的元素上等待的最多 count 个线程。

代码示例：使用 Atomics 解决数据竞争

// 创建一个 SharedArrayBuffer
const sab = new SharedArrayBuffer(4); // 4 字节，用于存储一个整数

// 创建一个 Int32Array 视图
const view = new Int32Array(sab);

// 初始化共享内存的值
Atomics.store(view, 0, 0);

// 模拟多个线程同时增加共享内存的值
function increment(id) {
  for (let i = 0; i < 1000; i++) {
    // 原子性地增加共享内存的值
    Atomics.add(view, 0, 1);
  }
  console.log(`线程 ${id} 完成增加操作`);
}

// 创建两个 Worker 线程
const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

// worker.js 的代码
// self.onmessage = function(event) {
//   const sab = event.data.sab;
//   const id = event.data.id;
//   const view = new Int32Array(sab);
//   for (let i = 0; i < 1000; i++) {
//     Atomics.add(view, 0, 1);
//   }
//   console.log(`线程 ${id} 完成增加操作`);
//   self.postMessage("done");
// };
worker1.postMessage({sab: sab, id: 1});
worker2.postMessage({sab: sab, id: 2});

Promise.all([
    new Promise(resolve => worker1.onmessage = resolve),
    new Promise(resolve => worker2.onmessage = resolve)
]).then(() => {
    console.log("最终结果:", Atomics.load(view, 0)); // 预期结果：2000
});

// 主线程也增加共享内存的值
increment(0);

setTimeout(() => {
  console.log("最终结果:", Atomics.load(view, 0)); // 预期结果：3000
}, 1000);

在这个例子中，我们创建了一个 SharedArrayBuffer，并使用 Atomics.add 原子性地增加共享内存的值。即使多个线程同时增加共享内存的值，由于 Atomics.add 的原子性，最终结果仍然是正确的，不会出现数据竞争。

Atomics.wait() 和 Atomics.wake()：线程间的信号灯

除了原子读写操作，Atomics 还提供了 Atomics.wait() 和 Atomics.wake() 方法，用于实现线程间的同步和通信。

Atomics.wait() 方法允许线程等待共享内存中的某个值发生变化。如果该值没有发生变化，线程将被阻塞，直到该值发生变化或超时。

Atomics.wake() 方法可以唤醒在 Atomics.wait() 上等待的线程。

这就好比在厨房里安装了一个信号灯，当某个食材不足时，厨师可以通过 Atomics.wait() 等待其他厨师补充食材。当其他厨师补充完食材后，可以通过 Atomics.wake() 唤醒等待的厨师。

// 创建一个 SharedArrayBuffer
const sab = new SharedArrayBuffer(8); // 8 字节，用于存储两个整数

// 创建一个 Int32Array 视图
const view = new Int32Array(sab);

// 初始化共享内存的值
Atomics.store(view, 0, 0); // 数据
Atomics.store(view, 1, 0); // 信号量 (0: 空闲, 1: 有数据)

// 消费者线程
function consumer(id) {
  console.log(`消费者 ${id} 启动`);
  while (true) {
    // 等待数据可用
    console.log(`消费者 ${id} 等待数据`);
    Atomics.wait(view, 1, 0); // 等待信号量变为 1

    // 读取数据
    const data = Atomics.load(view, 0);
    console.log(`消费者 ${id} 读取到数据: ${data}`);

    // 重置信号量
    Atomics.store(view, 1, 0);

    // 模拟处理数据
    //await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 100));
    if(data > 5) break;
  }
  console.log(`消费者 ${id} 退出`);
}

// 生产者线程
function producer() {
  console.log("生产者启动");
  for (let i = 1; i <= 5; i++) {
    console.log(`生产者生产数据: ${i}`);
    // 写入数据
    Atomics.store(view, 0, i);

    // 设置信号量
    Atomics.store(view, 1, 1);

    // 唤醒消费者线程
    Atomics.wake(view, 1, 1);

    // 模拟生产数据
    //await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 50));
  }
  Atomics.store(view, 0, 10);
  Atomics.store(view, 1, 1);
  Atomics.wake(view, 1, 1);
  console.log("生产者退出");
}

// 创建两个 Worker 线程作为消费者
const worker1 = new Worker('worker.js');
const worker2 = new Worker('worker.js');

worker1.postMessage({sab: sab, type: "consumer", id: 1});
worker2.postMessage({sab: sab, type: "consumer", id: 2});

// 启动生产者线程
producer();

// worker.js
// self.onmessage = function(event) {
//     const sab = event.data.sab;
//     const type = event.data.type;
//     const id = event.data.id;
//     const view = new Int32Array(sab);
//     if (type === "consumer") {
//         console.log(`消费者 ${id} 启动`);
//         while (true) {
//           // 等待数据可用
//           console.log(`消费者 ${id} 等待数据`);
//           Atomics.wait(view, 1, 0); // 等待信号量变为 1
//
//           // 读取数据
//           const data = Atomics.load(view, 0);
//           console.log(`消费者 ${id} 读取到数据: ${data}`);
//
//           // 重置信号量
//           Atomics.store(view, 1, 0);
//
//           if(data > 5) break;
//         }
//         console.log(`消费者 ${id} 退出`);
//     }
// };

在这个例子中，我们使用 Atomics.wait() 和 Atomics.wake() 实现了一个简单的生产者-消费者模型。生产者线程生产数据，并使用 Atomics.wake() 唤醒消费者线程。消费者线程等待数据可用，并使用 Atomics.wait() 等待生产者线程的通知。

内存一致性模型：保证数据的一致性

SharedArrayBuffer 和 Atomics 的内存一致性模型定义了多个线程如何看到共享内存中的数据。JavaScript 使用的是顺序一致性模型，这意味着：

1. 每个线程的操作都按照程序代码的顺序执行。
2. 所有线程的操作都按照一个全局的顺序执行。
3. 每个线程都能够立即看到其他线程对共享内存的修改。

简单来说，顺序一致性模型保证了所有线程都看到相同的操作顺序，并且能够立即看到其他线程的修改。

总结：SharedArrayBuffer 和 Atomics 的优势

SharedArrayBuffer 和 Atomics 提供了以下优势：

• 共享内存: 允许多个线程直接读写共享内存，无需复制数据，提高了效率。
• 原子操作: 提供了一组原子操作，确保对共享内存的读写操作是原子性的，避免数据竞争。
• 线程同步: 提供了 Atomics.wait() 和 Atomics.wake() 方法，用于实现线程间的同步和通信。
• 内存一致性: 使用顺序一致性模型，保证了所有线程都看到相同的数据视图。

注意事项：SharedArrayBuffer 和 Atomics 的限制

虽然 SharedArrayBuffer 和 Atomics 提供了强大的并发编程能力，但也存在一些限制：

• 需要浏览器支持: SharedArrayBuffer 和 Atomics 需要浏览器支持，较老的浏览器可能不支持。
• 需要服务器配置: 为了防止 Spectre 漏洞，使用 SharedArrayBuffer 需要服务器配置 Cross-Origin Opener Policy (COOP) 和 Cross-Origin Embedder Policy (COEP) 响应头。
• 调试困难: 并发代码的调试比单线程代码更加困难，需要仔细考虑线程间的同步和通信。
• 性能开销: 原子操作的性能开销比普通操作要大，需要根据实际情况进行权衡。

表格总结

特性	描述	优势	风险
SharedArrayBuffer	允许在多个线程之间共享内存区域。	避免了数据复制的开销，提高了多线程程序的效率。	需要手动管理内存同步，容易出现数据竞争和死锁等问题。
Atomics	提供原子操作，确保对共享内存的读写操作是原子性的。	保证了多线程程序的数据一致性，避免了数据竞争。	原子操作的性能开销比普通操作要大，过度使用可能会降低程序的性能。
Atomics.wait()	允许线程等待共享内存中的某个值发生变化。	可以实现线程间的同步和通信。	如果等待条件永远无法满足，线程可能会永远阻塞。
Atomics.wake()	唤醒在 Atomics.wait() 上等待的线程。	可以实现线程间的同步和通信。	如果唤醒的线程数量过多，可能会导致性能问题。
内存一致性模型	定义了多个线程如何看到共享内存中的数据。JavaScript 使用顺序一致性模型，保证了所有线程都看到相同的操作顺序，并且能够立即看到其他线程的修改。	保证了多线程程序的数据一致性，简化了并发编程的难度。	顺序一致性模型的性能开销比较大，可能会降低程序的性能。

结束语：并发的未来

SharedArrayBuffer 和 Atomics 是 JavaScript 并发编程的重要组成部分，它们为我们提供了构建高性能、高并发 Web 应用的能力。虽然使用 SharedArrayBuffer 和 Atomics 存在一定的挑战，但随着浏览器和 JavaScript 引擎的不断优化，它们将会变得越来越易于使用，并成为 Web 开发的标配。

希望今天的讲座能够帮助大家更好地理解 SharedArrayBuffer 和 Atomics，并在实际项目中灵活运用它们，构建更加强大的 Web 应用。

感谢大家的聆听！