這是JavaScript欄目專門探索javascript及其所構(gòu)建的組件的系列文章。

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這次我們會逐步講解 Web Workers，先說個簡單的概念，接著討論不同類型的 Web Workers，他們的組成部分是如何一起工作的，以及不同場景下它們各自優(yōu)勢和限制。最后，提供5個正確使用 Web Workers 的場景。

正如我們前面文章討論的那樣，你應(yīng)該知道 JavaScript 語言采用的是單線程模型。然而，JavaScript 也為開發(fā)人員提供了編寫異步代碼的機會。

異步編程的局限性

以前的文章討論過異步編程，以及應(yīng)該在什么時候使用它。

異步編程可以讓UI界面是響應(yīng)式(渲染速度快)的，通過"代碼調(diào)度"，讓需要請求時間的代碼先放到在 event loop中晚一點再執(zhí)行，這樣就允許UI先行渲染展示。

異步編程的一個很好的用例就 AJAX 請求。由于請求可能花費大量時間，因此可以使用異步請求，在客戶端等待響應(yīng)的同時還可以執(zhí)行其他代碼。

然而，這帶來了一個問題——請求是由瀏覽器的WEB API處理的，但是如何使其他代碼是異步的呢?例如，如果成功回調(diào)中的代碼非常占用CPU:

var result = performCPUIntensiveCalculation();

如果 performCPUIntensiveCalculation 不是一個HTTP請求而是一個阻塞代碼(比如一個內(nèi)容很多的for loop循環(huán))，就沒有辦法及時清空事件循環(huán)，瀏覽器的 UI 渲染就會被阻塞，頁面無法及時響應(yīng)給用戶。

這意味著異步函數(shù)只能解決一小部分 JavaScript 語言單線程中的局限性問題。

在某些情況下，可以使用 setTimeout 對長時間運行的計算阻塞的，可以使用 setTimeout暫時放入異步隊列中，從讓頁面得到更快的渲染。例如，通過在單獨的 setTimeout 調(diào)用中批處理復(fù)雜的計算，可以將它們放在事件循環(huán)中單獨的“位置”上，這樣可以爭取為 UI 渲染/響應(yīng)的執(zhí)行時間。

看一個簡單的函數(shù)，計算一個數(shù)字?jǐn)?shù)組的平均值:

以下是重寫上述代碼并“模擬”異步性的方法:

function averageAsync(numbers, callback) {     var len = numbers.length,         sum = 0;      if (len === 0) {         return 0;     }       function calculateSumAsync(i) {         if (i < len) {             // Put the next function call on the event loop.             setTimeout(function() {                 sum += numbers[i];                 calculateSumAsync(i + 1);             }, 0);         } else {             // The end of the array is reached so we're invoking the callback.             callback(sum / len);         }     }      calculateSumAsync(0); }

使用setTimeout函數(shù)，該函數(shù)將在事件循環(huán)中進(jìn)一步添加計算的每個步驟。在每次計算之間，將有足夠的時間進(jìn)行其他計算，從而可以讓瀏覽器進(jìn)行渲染。

Web Worker 可以解決這個問題

HTML5為我們帶來了很多新的東西，包括:

• SSE(我們在前一篇文章中已經(jīng)描述并與WebSockets進(jìn)行了比較)
• Geolocation
• Application cache
• Local Storage
• Drag and Drop
• Web Workers

Web Worker 概述

Web Worker 的作用，就是為 JavaScript 創(chuàng)造多線程環(huán)境，允許主線程創(chuàng)建 Worker 線程，將一些任務(wù)分配給后者運行。在主線程運行的同時，Worker 線程在后臺運行，兩者互不干擾。等到 Worker 線程完成計算任務(wù)，再把結(jié)果返回給主線程。這樣的好處是，一些計算密集型或高延遲的任務(wù)，被 Worker 線程負(fù)擔(dān)了，主線程（通常負(fù)責(zé) UI 交互）就會很流暢，不會被阻塞或拖慢。

你可能會問：“JavaScript不是一個單線程的語言嗎？”

事實上 JavaScript 是一種不定義線程模型的語言。Web Workers 不是 JavaScript 的一部分，而是可以通過 JavaScript 訪問的瀏覽器特性。歷史上，大多數(shù)瀏覽器都是單線程的(當(dāng)然，這已經(jīng)改變了)，大多數(shù) JavaScript 實現(xiàn)都入發(fā)生在瀏覽器中。Web Workers 不是在 Node.JS 中實現(xiàn)的。Node.js 中有類似的集群(cluster)、子進(jìn)程概念(child_process)，他們也是多線程但是和 Web Workers 還是有區(qū)別 。

值得注意的是，規(guī)范 中提到了三種類型的 Web Workers:

• 專用 Workers (Dedicated Workers)
• 共享 Workers (Shared Workers)
• 服務(wù) Workers (Service workers)

Dedicated Workers

專用 Workers 只能被創(chuàng)建它的頁面訪問，并且只能與它通信。以下是瀏覽器支持的情況：

Shared Workers

共享 Workers 在同一源(origin)下面的各種進(jìn)程都可以訪問它，包括：iframes、瀏覽器中的不同tab頁(一個tab頁就是一個單獨的進(jìn)程，所以Shared Workers可以用來實現(xiàn) tab 頁之間的交流)、以及其他的共享 Workers。以下是瀏覽器支持的情況：

Service workers

Service Worker 功能：

• 后臺消息傳遞
• 網(wǎng)絡(luò)代理，轉(zhuǎn)發(fā)請求，偽造響應(yīng)
• 離線緩存
• 消息推送

在目前階段，Service Worker 的主要能力集中在網(wǎng)絡(luò)代理和離線緩存上。具體的實現(xiàn)上，可以理解為 Service Worker 是一個能在網(wǎng)頁關(guān)閉時仍然運行的 Web Worker。以下是瀏覽器支持的情況：

本文主要討論 專用 Workers，沒有特別聲明的話，Web Workers、Workers都是指代的專用 Workers。

Web Workers 是如何工作

Web Workers 一般通過腳本為 .js 文件來構(gòu)建，在頁面中還通過了一些異步的 HTTP 請求，這些請求是完全被隱藏了的，你只需要調(diào)用 Web Worker API.

Worker 利用類線程間消息傳遞來實現(xiàn)并行性。它們保證界面的實時性、高性能和響應(yīng)性呈現(xiàn)給用戶。

Web Workers 在瀏覽器中的一個獨立線程中運行。因此，它們執(zhí)行的代碼需要包含在一個單獨的文件中。這一點很重要，請記住！

讓我們看看基本 Workers 是如何創(chuàng)建的:

var worker = new Worker('task.js');

Worker() 構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)是一個腳本文件，該文件就是 Worker 線程所要執(zhí)行的任務(wù)。由于 Worker 不能讀取本地文件，所以這個腳本必須來自網(wǎng)絡(luò)。如果下載沒有成功（比如404錯誤），Worker 就會默默地失敗。

為了啟動創(chuàng)建的 Worker，需要調(diào)用 postMessage 方法:

worker.postMessage();

Web Worker 通信

為了在 Web Worker 和創(chuàng)建它的頁面之間進(jìn)行通信，需要使用 postMessage 方法或 Broadcast Channel。

postMessage 方法

新瀏覽器支持JSON對象作為方法的第一個參數(shù)，而舊瀏覽器只支持字符串。

來看一個示例，通過將 JSON 對象作為一個更“復(fù)雜”的示例傳遞，創(chuàng)建 Worker 的頁面如何與之通信。傳遞字符串跟傳遞對象的方式也是一樣的。

讓我們來看看下面的 HTML 頁面(或者更準(zhǔn)確地說是它的一部分):

<button onclick="startComputation()">Start computation</button>  <script>   function startComputation() {     worker.postMessage({'cmd': 'average', 'data': [1, 2, 3, 4]});   }   var worker = new Worker('doWork.js');   worker.addEventListener('message', function(e) {     console.log(e.data);   }, false);    </script>

然后這是 worker 中的 js 代碼：

self.addEventListener('message', function(e) {   var data = e.data;   switch (data.cmd) {     case 'average':       var result = calculateAverage(data); // 從數(shù)值數(shù)組中計算平均值的函數(shù)       self.postMessage(result);       break;     default:       self.postMessage('Unknown command');   } }, false);

當(dāng)單擊該按鈕時，將從主頁調(diào)用 postMessage。postMessage 行將 JSON 對象傳給Worker。Worker 通過定義的消息處理程序監(jiān)聽并處理該消息。

當(dāng)消息到達(dá)時，實際的計算在worker中執(zhí)行，而不會阻塞事件循環(huán)。Worker 檢查傳遞的事件參數(shù) e，像執(zhí)行 JavaScript 函數(shù)一樣,處理完成后，把結(jié)果傳回給主頁。

在 Worker 作用域中，this 和 self 都指向 Worker 的全局作用域。

有兩種方法可以停止 Worker:從主頁調(diào)用 worker.terminate() 或在 worker 內(nèi)部調(diào)用 self.close()。

Broadcast Channel

Broadcast Channel API 允許同一原始域和用戶代理下的所有窗口,iFrames 等進(jìn)行交互。也就是說，如果用戶打開了同一個網(wǎng)站的的兩個標(biāo)簽窗口，如果網(wǎng)站內(nèi)容發(fā)生了變化，那么兩個窗口會同時得到更新通知。

還是不明白？就拿 Facebook 作為例子吧，假如你現(xiàn)在已經(jīng)打開 了Facebook 的一個窗口，但是你此時還沒有登錄，此時你又打開另外一個窗口進(jìn)行登錄，那么你就可以通知其他窗口/標(biāo)簽頁去告訴它們一個用戶已經(jīng)登錄了并請求它們進(jìn)行相應(yīng)的頁面更新。

// Connection to a broadcast channel var bc = new BroadcastChannel('test_channel');  // Example of sending of a simple message bc.postMessage('This is a test message.');  // Example of a simple event handler that only // logs the message to the console bc.onmessage = function (e) {    console.log(e.data);  }  // Disconnect the channel bc.close()

可以從下面這張圖，在視覺上來清晰地感受 Broadcast Channel：

Broadcast Channel 瀏覽器支持比較有限:

消息的大小

有兩種方式發(fā)送消息給Web Workers:

• 復(fù)制消息:消息被序列化、復(fù)制、發(fā)送，然后在另一端反序列化。頁面和 Worker 不共享相同的實例，因此最終的結(jié)果是每次傳遞都會創(chuàng)建一個副本大多數(shù)瀏覽器，在兩邊都是使用的JSON對值進(jìn)行編碼和解碼，這樣對數(shù)據(jù)的解碼、編碼操作，勢必會增加消息傳輸過程的時間開銷。信息越大，發(fā)送的時間就越長。
• 傳遞消息:這意味著原始發(fā)送方在一旦發(fā)送后不能再使用它。傳輸數(shù)據(jù)幾乎是瞬間的，這種傳輸方式的局限性在于只能用 ArrayBuffer 類型來傳遞。

Web Workers 可用的特性

由于 JavaScript的多線程特性，Web工作者只能訪問JavaScript特性的一個子集。以下是它的一些特點:

Web Workers 由于具有多線程特性，因此只能訪問 JavaScript 特性的子集。 以下是可使用特性列表：

• navigator 對象
• location 對象(只讀)
• MLHttpRequest
• setTimeout()/clearTimeout() and setInterval()/clearInterval()
• 應(yīng)用緩存(Application Cache)
• 使用 importScripts() 導(dǎo)入外部腳本
• 創(chuàng)建其他的 Web Workers

Web Workers 的局限性

遺憾的是，Web Workers 無法訪問一些非常關(guān)鍵的 JavaScript 特性:

• DOM(它會造成線程不安全)
• window 對象
• document 對象
• parent 對象

這意味著 Web Worker 不能操作 DOM (因此也不能操作 UI)。有時這可能很棘手，但是一旦你了解了如何正確使用 Web Workers，你就會開始將它們作為單獨的“計算機”使用，而所有 UI 更改都將發(fā)生在你的頁面代碼中。 Workers 將為你完成所有繁重的工作，然后一旦完成再把結(jié)果返回給 page 頁面。

處理錯誤

和 JavaScript 代碼一樣，Web workers 里拋出的錯誤，你也需要進(jìn)行處理。當(dāng) Worker 執(zhí)行過程中如果遇到錯誤，會觸發(fā)一個 ErrorEvent 事件。接口包含了三個有用的屬性來幫忙排查問題：

• filename – 導(dǎo)致 Worker 的腳本名稱
• lineno – 發(fā)生錯誤的行號
• message – 對錯誤的描述

例子如下：

在這里，可以看到我們創(chuàng)建了一個 worker 并開始偵聽錯誤事件。

在 worker 內(nèi)部(在 workerWithError.js 中)，我們通過將未定義 x 乘以 2 來創(chuàng)建一個異常。異常被傳播到初始腳本，然后通過頁面監(jiān)聽 error事件，對錯誤進(jìn)行捕獲。

5個好的 Web Workers 應(yīng)用實例

到目前為止，我們已經(jīng)列出了 Web Workers 的優(yōu)點和局限性。現(xiàn)在讓我們看看它們最強大的用例是什么:

• Ray tracing(光線追蹤)：光線追蹤是一種以像素為單位跟蹤光的路徑生成圖像的渲染技術(shù)。光線追蹤利用 CPU 密集型的數(shù)學(xué)計算來模擬光的路徑。其思想是模擬一些效果，如反射、折射、材料等。所有這些計算邏輯都可以添加到 Web Worker 中，以避免阻塞 UI線程。更好的是——可以很容易地在多個 workers 之間(以及在多個cpu之間)分割圖像呈現(xiàn)。下面是一個使用 Web Workers 的光線追蹤的簡單演示—https://nerget.com/rayjs-mt/r…。
• Encryption(加密)：由于對個人和敏感數(shù)據(jù)的監(jiān)管越來越嚴(yán)格，端到端加密越來越受歡迎。加密是一件非常耗時的事情，特別是如果有很多數(shù)據(jù)需要頻繁加密(例如，在發(fā)送到服務(wù)器之前)。這是一個使用 Web Worker 非常好的場景，因為它不需要訪問 DOM 或任何花哨的東西——它是完成其工作的純算法。只要是在 Web Worker 中工作的，對于端用戶就是無縫的，不會影響到體驗。
• Prefetching data(預(yù)取數(shù)據(jù))：為了優(yōu)化你的網(wǎng)站或 web 應(yīng)用程序并改進(jìn)數(shù)據(jù)加載時間，你可以利用 Web Workers 提前加載和存儲一些數(shù)據(jù)，以便在需要時稍后使用。Web Workers 在這種情況下非常棒，因為它們不會影響應(yīng)用程序的UI，這與不使用Workers 時是不同的。
• Progressive Web Apps(漸進(jìn)式Web應(yīng)用程序)：這種漸進(jìn)式Web應(yīng)用程序要求，即使在用戶網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的條件下，也能夠迅速的加載。這意味著數(shù)據(jù)必須本地存儲在瀏覽器中。這也是 IndexDB 或類似 api 發(fā)揮作用的地方。通常情況下，客戶端的存儲都是必要的，但使用起來需要不阻塞UI渲染線程，那么工作就需要在 Worker 中進(jìn)行了。不過，以IndexDB 為例，它提供了一些異步的API，調(diào)用它們的話也不需要使用 web worker，但如果是同步的 API，就必須要在 Worker 中使用了。

• Spell checking(拼寫檢查)：一個基本的拼寫檢查程序的工作流程如下-程序讀取一個字典文件與一個正確拼寫單詞列表。字典被解析為一個搜索樹，以使實際的文本搜索更有效。當(dāng)一個單詞被提供給檢查器時，程序檢查它是否存在于預(yù)先構(gòu)建的搜索樹中。如果在樹中沒有找到該單詞，可以通過替換替換字符并測試它是否是有效的單詞(如果是用戶想要寫的單詞)，為用戶提供替代拼寫。所有的這些處理過程都可以在 Web Worker中進(jìn)行了，用戶可以不被阻塞的輸入詞匯和句子，Web Worker 在后臺校驗詞匯是否正確以及提供備選詞匯。

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