Как защитить SharedArrayBuffer от записи из разных worker_threads?nodejs-9

Проблема разделяемой памяти

SharedArrayBuffer позволяет нескольким потокам работать с общей областью памяти, что приводит к классическим проблемам параллелизма:

  • Состояния гонки (Race Conditions)
  • Непредсказуемое поведение при одновременной записи
  • Повреждение данных из-за неатомарных операций

Основные механизмы защиты

1. Atomics API

Специальный API для атомарных операций:

const { Worker, isMainThread, SharedArrayBuffer } = require('worker_threads');

if (isMainThread) {
  const sab = new SharedArrayBuffer(1024);
  const arr = new Int32Array(sab);

  // Инициализация защищенного значения
  Atomics.store(arr, 0, 0);

  new Worker(__filename, { workerData: sab });
} else {
  const arr = new Int32Array(workerData);

  // Атомарное увеличение значения
  Atomics.add(arr, 0, 1);
}

2. Мьютексы

Реализация взаимного исключения на основе Atomics:

class Mutex {
  constructor(sharedArray, index) {
    this.lock = new Int32Array(sharedArray);
    this.index = index;
  }

  acquire() {
    while (true) {
      if (Atomics.compareExchange(this.lock, this.index, 0, 1) === 0) {
        return;
      }
      Atomics.wait(this.lock, this.index, 1);
    }
  }

  release() {
    if (Atomics.compareExchange(this.lock, this.index, 1, 0) !== 1) {
      throw new Error('Mutex is not acquired');
    }
    Atomics.notify(this.lock, this.index, 1);
  }
}

3. Семафоры

Контроль доступа для ограниченного числа потоков:

class Semaphore {
  constructor(sharedArray, index, initial) {
    this.array = new Int32Array(sharedArray);
    this.index = index;
    Atomics.store(this.array, this.index, initial);
  }

  acquire() {
    while (true) {
      const current = Atomics.load(this.array, this.index);
      if (current > 0 &&
          Atomics.compareExchange(this.array, this.index, current, current - 1) === current) {
        return;
      }
      Atomics.wait(this.array, this.index, 0);
    }
  }

  release() {
    const current = Atomics.add(this.array, this.index, 1);
    Atomics.notify(this.array, this.index, 1);
  }
}

Практические примеры защиты

Защищенный счетчик:

// Главный поток
const sab = new SharedArrayBuffer(4);
const counter = new Int32Array(sab);
Atomics.store(counter, 0, 0);

// Воркер
Atomics.add(counter, 0, 1); // Атомарное увеличение

Безопасный обмен данными:

// Безопасная запись
Atomics.store(array, index, newValue);
// Безопасное чтение
const value = Atomics.load(array, index);

Опасные антипаттерны

  1. Прямые операции без синхронизации:

    // ОПАСНО! Возможна потеря данных
sharedArray[0] += 1;

  2. Неиспользование Atomics для координации:

    // Ненадежно
if (sharedArray[0] === 1) {
  // Условие может устареть к моменту выполнения
}

Резюмируем

  1. Всегда используйте Atomics API для работы с SharedArrayBuffer
  2. Основные механизмы:
    • Атомарные операции (add, sub, exchange)
    • Мьютексы для эксклюзивного доступа
    • Семафоры для ограниченного параллелизма
  3. Критические секции должны быть защищены:
    • При записи в общую память
    • При чтении, если данные должны быть согласованы
  4. Избегайте:
    • Прямых операций с памятью
    • Несинхронизированных проверок условий
    • Длинных операций в защищенных блоках

Правильная работа с SharedArrayBuffer требует дисциплины и понимания многопоточного программирования. Всегда тестируйте такие участки кода под нагрузкой!

Вопросы

Собеседования