解释 Web Locks API 如何在浏览器环境下实现资源互斥锁，避免多标签页或多 Web Workers 之间的并发冲突。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位同学，早上好！今天咱们来聊聊浏览器里的一把神奇的锁——Web Locks API。这玩意儿能帮咱们解决多标签页或者多 Web Workers 之间并发访问共享资源时可能发生的冲突问题。别担心，我尽量用大白话把这事儿给掰扯清楚，保证大家听完都能回去写出靠谱的代码。

一、并发，问题之源

在深入 Web Locks API 之前，咱们先得明白啥叫并发，以及并发访问共享资源会带来哪些麻烦。

想象一下，你和你媳妇儿同时想往同一个银行账户里存钱。如果你俩同时操作，银行的系统可能就会乱套了，结果可能和你俩预期的大相径庭。这就是典型的并发问题。

在浏览器里，并发场景主要出现在以下两种情况下：

多标签页/窗口共享资源: 比如你同时打开了同一个网站的两个标签页，这两个标签页都试图修改同一个 localStorage 的值。
多个 Web Workers 共享资源: Web Workers 运行在独立的线程中，它们可以并行执行任务。如果多个 Web Workers 试图访问同一个 IndexedDB 数据库，就可能发生冲突。

如果没有适当的机制来协调这些并发访问，轻则数据丢失，重则程序崩溃。所以，我们需要一种互斥锁来确保同一时刻只有一个“人”能访问共享资源。

二、Web Locks API：浏览器里的锁匠

Web Locks API 就是浏览器提供的一套用来创建和管理互斥锁的接口。它允许我们给特定的资源加上一把锁，只有拿到这把锁的线程/标签页才能访问该资源，其他的线程/标签页就只能乖乖等待。

1. navigator.locks：锁的管理器

navigator.locks 是 Web Locks API 的入口。它提供了一些方法来请求、查询和释放锁。

2. request()：请求上锁

request() 方法用于请求一把锁。它的基本语法如下：

navigator.locks.request(name, options, callback);

name (string): 锁的名称，用来唯一标识你要保护的资源。比如，你想保护 localStorage 里的 userProfile 数据，就可以把 name 设置为 "userProfile"。
options (可选对象): 用来配置锁的行为。
- mode (string): 锁的模式。有两种模式：
  - "exclusive" (默认值): 独占锁。只有拿到锁的线程/标签页才能访问资源。
  - "shared": 共享锁。允许多个线程/标签页同时以只读方式访问资源。
- ifAvailable (boolean): 如果为 true，并且锁立即可用，则立即执行回调。如果锁不可用，则直接返回 undefined 而不是等待。
- steal (boolean): 如果为 true，并且当前有其他线程/标签页持有锁，则强制抢占该锁。注意，这可能会导致数据损坏，慎用！
- signal (AbortSignal): 允许外部取消锁的请求。
callback (可选函数): 一个回调函数，当成功获取锁之后会被调用。这个回调函数接收一个参数，表示锁的Lock接口实例，可以用来释放锁。如果回调函数返回一个 Promise，锁会一直保持到 Promise resolve 或者 reject。

3. Lock 接口：锁的钥匙

Lock 接口代表一个锁的实例。它只有一个属性：

name (string): 锁的名称，跟 request() 方法的 name 参数一致。

Lock 接口的主要作用是用来在回调函数中隐式释放锁，当回调函数执行完毕或者返回的 Promise resolve/reject 时，锁会自动释放。

4. query()：查询锁的状态

query() 方法用于查询当前锁的状态。它返回一个 Promise，resolve 的值是一个对象，包含以下属性：

held (boolean): 表示当前线程/标签页是否持有锁。
pending (Array): 一个数组，包含所有正在等待锁的线程/标签页的信息。每个 LockInfo 对象包含以下属性：
- name (string): 锁的名称。
- mode (string): 锁的模式。
- clientId (string): 客户端ID。

三、代码示例：锁住你的 localStorage

咱们来写一个实际的例子，用 Web Locks API 保护 localStorage 中的数据。

假设我们有一个简单的计数器，多个标签页/窗口都可以修改这个计数器的值。为了防止并发冲突，我们用一把名为 "counterLock" 的锁来保护它。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>Web Locks Counter</title>
</head>
<body>
  <h1>Counter: <span id="counter">0</span></h1>
  <button id="increment">Increment</button>

  <script>
    const counterElement = document.getElementById('counter');
    const incrementButton = document.getElementById('increment');

    // 读取计数器的值
    function getCounterValue() {
      const value = localStorage.getItem('counter');
      return value ? parseInt(value, 10) : 0;
    }

    // 更新计数器的值
    function setCounterValue(value) {
      localStorage.setItem('counter', value.toString());
      counterElement.textContent = value;
    }

    // 初始化计数器
    setCounterValue(getCounterValue());

    incrementButton.addEventListener('click', () => {
      // 请求锁
      navigator.locks.request('counterLock', async (lock) => {
        // 成功获取锁
        try {
          // 读取当前计数器的值
          let currentValue = getCounterValue();

          // 模拟一个耗时操作
          await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 500));

          // 增加计数器的值
          currentValue++;

          // 更新计数器的值
          setCounterValue(currentValue);

        } finally {
          // 锁会在回调函数执行完毕后自动释放，或者你也可以手动释放
          // 如果callback是async函数，锁会在async函数执行完毕后自动释放。
          // lock.release(); // 虽然这里可以手动释放锁，但是通常不需要，由系统自动释放
          console.log('Lock released (automatically)');
        }
      });
    });
  </script>
</body>
</html>

在这个例子中，当点击 "Increment" 按钮时，会首先请求一把名为 "counterLock" 的锁。只有成功获取锁之后，才会读取计数器的值、增加计数器的值，然后更新 localStorage。

由于使用了锁，即使你同时点击多个标签页/窗口的 "Increment" 按钮，计数器的值也会正确递增，不会出现并发冲突。

四、高级用法：共享锁、强制抢占和锁状态查询

Web Locks API 还有一些高级用法，可以满足更复杂的需求。

1. 共享锁 ("shared" 模式)

如果你希望允许多个线程/标签页同时以只读方式访问资源，可以使用共享锁。

navigator.locks.request('resource', { mode: 'shared' }, (lock) => {
  // 以只读方式访问资源
  console.log('Resource accessed in shared mode.');
});

使用共享锁时，多个线程/标签页可以同时持有锁，但是任何线程/标签页都不能以独占方式获取锁。

2. 强制抢占 (steal 选项)

steal 选项允许你强制抢占其他线程/标签页持有的锁。但是，强烈不建议这样做，因为它可能会导致数据损坏。

navigator.locks.request('resource', { steal: true }, (lock) => {
  // 强制抢占锁
  console.warn('Stole the lock! Data corruption may occur.');
});

只有在万不得已的情况下，比如你需要从一个死锁状态中恢复，才能考虑使用 steal 选项。

3. 锁状态查询 (query() 方法)

query() 方法可以用来查询当前锁的状态，比如哪些线程/标签页正在等待锁，以及当前是否有线程/标签页持有锁。

navigator.locks.query().then(state => {
  console.log('Lock state:', state);
});

query() 方法返回的对象包含 held 和 pending 两个属性，可以用来判断锁的当前状态。

五、实战案例：优化 IndexedDB 并发访问

假设你有一个 Web 应用，使用 IndexedDB 存储大量数据。为了提高性能，你使用了多个 Web Workers 来并行读写 IndexedDB 数据库。

如果没有适当的并发控制，多个 Web Workers 可能会同时修改同一条记录，导致数据损坏。

为了解决这个问题，你可以使用 Web Locks API 来保护 IndexedDB 数据库的访问。

// 在 Web Worker 中
self.addEventListener('message', (event) => {
  const { type, data } = event.data;

  if (type === 'updateRecord') {
    const recordId = data.id;
    const newName = data.name;

    navigator.locks.request(`indexedDBLock-${recordId}`, async (lock) => {
      try {
        const db = await openDatabase(); // 假设这个函数用来打开数据库
        const transaction = db.transaction(['records'], 'readwrite');
        const objectStore = transaction.objectStore('records');

        const record = await objectStore.get(recordId);
        if (record) {
          record.name = newName;
          await objectStore.put(record);
        }

        await transaction.done;
        console.log(`Record ${recordId} updated successfully.`);
      } catch (error) {
        console.error(`Failed to update record ${recordId}:`, error);
      } finally {
        // 锁会自动释放
        console.log(`Lock for record ${recordId} released.`);
      }
    });
  }
});

在这个例子中，每个 Web Worker 在更新一条记录之前，都会先请求一把以记录 ID 为名称的锁。这样可以确保同一时刻只有一个 Web Worker 可以修改同一条记录，避免了并发冲突。

六、注意事项

在使用 Web Locks API 时，需要注意以下几点：

锁的名称: 锁的名称必须唯一，并且能够准确标识你要保护的资源。
锁的模式: 根据实际需求选择合适的锁模式。如果只需要只读访问，可以使用共享锁。如果需要修改资源，必须使用独占锁。
避免死锁: 死锁是指两个或多个线程/标签页互相等待对方释放锁，导致程序无法继续执行。要避免死锁，应该尽量减少锁的持有时间，并且避免嵌套锁。
错误处理: 在使用 Web Locks API 时，要做好错误处理。如果请求锁失败，应该及时通知用户，并且采取相应的措施。
性能考虑: 锁的获取和释放都会带来一定的性能开销。应该尽量减少锁的使用，并且选择合适的锁粒度。
steal 选项慎用: 除非万不得已，否则不要使用 steal 选项，因为它可能会导致数据损坏。
锁的持久性: Web Locks API 提供的锁是非持久化的。当浏览器关闭或者标签页刷新时，锁会自动释放。

七、总结

Web Locks API 提供了一种在浏览器环境中实现互斥锁的机制，可以有效地解决多标签页/窗口和多 Web Workers 之间的并发冲突。虽然使用起来稍微有点复杂，但是只要掌握了它的基本原理和用法，就可以编写出更加健壮和可靠的 Web 应用。

希望今天的讲座能对大家有所帮助。记住，锁是好东西，但也要用对地方，否则可能会适得其反。下课！

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