SharedArrayBuffer 和 Atomics 的初步了解

ES8 (ECMAScript 2017) 引入了两个重要的新特性：SharedArrayBuffer 和 Atomics，它们为 JavaScript 带来了真正的多线程编程能力。这两个特性主要解决了在 Web Worker 之间共享内存和同步访问的问题，为高性能计算和并行处理提供了基础支持。

SharedArrayBuffer 简介

SharedArrayBuffer 是一种特殊的 ArrayBuffer，它可以在多个 Web Worker 之间共享。与普通的 ArrayBuffer 不同，SharedArrayBuffer 的内容可以被多个执行上下文（如不同的 Worker 线程）同时访问和修改。

基本用法

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

// 将共享内存传递给Worker
const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage({ buffer: sharedBuffer });

// worker.js
self.onmessage = function(e) {
    const sharedBuffer = e.data.buffer;
    const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);
    // 现在可以在Worker中操作共享内存了
};

Atomics 对象

由于多个线程可以同时访问和修改共享内存，这就带来了竞态条件的问题。Atomics 对象提供了一组静态方法，用于对 SharedArrayBuffer 进行原子操作，确保操作的不可分割性。

主要方法

1. 原子读写操作

   • Atomics.load(typedArray, index) - 安全读取值
   • Atomics.store(typedArray, index, value) - 安全存储值

2. 原子修改操作

   • Atomics.add(typedArray, index, value) - 原子加法
   • Atomics.sub(typedArray, index, value) - 原子减法
   • Atomics.and(typedArray, index, value) - 原子与操作
   • Atomics.or(typedArray, index, value) - 原子或操作
   • Atomics.xor(typedArray, index, value) - 原子异或操作

3. 同步原语

   • Atomics.wait(typedArray, index, value[, timeout]) - 使线程等待
   • Atomics.notify(typedArray, index, count) - 唤醒等待的线程
   • Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue) - 比较并交换

示例：使用 Atomics 实现线程同步

// 主线程
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(4);
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

const worker = new Worker('worker.js');
worker.postMessage({ buffer: sharedBuffer });

// 等待worker完成工作
Atomics.wait(sharedArray, 0, 0);
console.log('Worker finished:', Atomics.load(sharedArray, 0));

// worker.js
self.onmessage = function(e) {
    const sharedArray = new Int32Array(e.data.buffer);
    
    // 模拟工作
    setTimeout(() => {
        Atomics.store(sharedArray, 0, 123);
        Atomics.notify(sharedArray, 0, 1); // 通知主线程
    }, 1000);
};

安全考虑

由于 SharedArrayBuffer 可能被用于 Spectre 等侧信道攻击，现代浏览器对其使用有严格限制：

1. 需要启用跨域隔离（Cross-Origin Isolation）
2. 需要设置正确的 HTTP 头：
   • Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin
   • Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp

应用场景

1. 高性能计算：如图像处理、物理模拟等
2. 游戏开发：多线程游戏逻辑处理
3. 科学计算：大规模数据处理和并行计算
4. 实时协作应用：多个用户同时编辑同一数据

总结

SharedArrayBuffer 和 Atomics 为 JavaScript 带来了真正的多线程编程能力，虽然使用它们需要额外的安全考虑和复杂性，但对于需要高性能并行处理的应用来说，它们是强大的工具。随着 WebAssembly 等技术的发展，这些特性将在未来的Web高性能应用中扮演越来越重要的角色。

在使用这些特性时，开发者需要特别注意线程安全和性能问题，合理使用同步原语来避免竞态条件和死锁等问题。