技术讲座：JavaScript中的原子操作实现互斥锁（Mutex）

引言

在多线程编程中，互斥锁（Mutex）是一种常用的同步机制，用于确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。在JavaScript中，由于它是单线程的，所以传统的互斥锁并不适用。然而，随着WebAssembly和SharedArrayBuffer的出现，JavaScript现在可以在共享内存上执行原子操作，从而实现互斥锁。本文将深入探讨如何在JavaScript中使用原子操作实现一个简单的互斥锁。

原子操作简介

原子操作是指不可分割的操作，它在单个步骤中完成，不会受到其他线程的干扰。在JavaScript中，Atomics对象提供了一系列原子操作，包括读取、写入和比较共享内存。

互斥锁的原理

互斥锁的核心思想是使用一个共享变量来表示锁的状态。当锁处于“开”状态时，线程可以进入临界区；当锁处于“关”状态时，线程必须等待。

实现互斥锁

以下是一个使用JavaScript和SharedArrayBuffer实现互斥锁的示例：

class Mutex {
  constructor() {
    this.lock = new SharedArrayBuffer(4);
    Atomics.store(this.lock, 0, 1); // 初始化锁为“开”状态
  }

  acquire() {
    while (true) {
      const currentLock = Atomics.load(this.lock, 0);
      if (currentLock === 0) {
        Atomics.store(this.lock, 0, 1); // 尝试获取锁
        if (Atomics.compareExchange(this.lock, 0, 1, 1) === 1) {
          break; // 成功获取锁
        }
      }
      Atomics.wait(this.lock, 0, 0); // 等待锁变为“开”状态
    }
  }

  release() {
    Atomics.store(this.lock, 0, 0); // 释放锁
    Atomics.notify(this.lock, 0, 1); // 唤醒等待的线程
  }
}

代码解析

1. Mutex类构造函数初始化一个SharedArrayBuffer，用于存储锁的状态。
2. acquire方法尝试获取锁。如果锁处于“开”状态，则将其设置为“关”状态，并返回。如果锁处于“关”状态，则使用Atomics.wait方法等待锁变为“开”状态。
3. release方法将锁的状态设置为“开”，并使用Atomics.notify方法唤醒等待的线程。

互斥锁的使用

以下是一个使用互斥锁的示例：

const mutex = new Mutex();

async function criticalSection() {
  await mutex.acquire();
  try {
    // 执行临界区代码
    console.log('Critical section');
  } finally {
    mutex.release();
  }
}

async function task1() {
  for (let i = 0; i < 5; i++) {
    await criticalSection();
  }
}

async function task2() {
  for (let i = 0; i < 5; i++) {
    await criticalSection();
  }
}

task1();
task2();

代码解析

1. 创建一个Mutex实例。
2. 定义criticalSection函数，它使用mutex.acquire和mutex.release方法来确保临界区代码的执行。
3. 定义task1和task2函数，它们分别执行5次临界区代码。
4. 同时执行task1和task2函数。

总结

本文介绍了如何在JavaScript中使用原子操作实现互斥锁。通过Atomics对象提供的原子操作，我们可以确保临界区代码的线程安全执行。在实际应用中，互斥锁可以用于保护共享资源，防止数据竞争和死锁等问题。

参考资料

1. MDN Atomics
2. MDN SharedArrayBuffer