JavaScript工作原理（七）：Web Workers的构建快和5种使用场景

摘要：异步编程通过在事件循环中调度要稍后执行的部分代码来使应用程序能够响应，从而允许首先执行渲染。工作人员将通过定义的消息处理程序处理该消息。的应用场景到目前为止，我们列出了的优势和局限性。

这一次我们将分拆Web Workers：我们将提供一个概述，讨论不同类型的workers，他们的组成部分如何共同发挥作用，以及他们在不同情况下提供的优势和局限性。最后，我们将提供5个用例，其中Web Workers将是不错的选择。

您应该已经熟悉JavaScript在单个线程上运行的事实，因为我们之前已经详细讨论过它。但是，JavaScript也为开发人员提供了编写异步代码的机会。

我们之前已经讨论过异步编程，何时应该使用它。

异步编程通过在事件循环中“调度”要稍后执行的部分代码来使应用程序UI能够响应，从而允许首先执行UI渲染。

异步编程的一个很好的用例是制作AJAX请求。 由于请求可能需要很长时间，因此可以异步制作请求，并且在客户端等待响应时，可以执行其他代码。

// This is assuming that you"re using jQuery
jQuery.ajax({
    url: "https://api.example.com/endpoint",
    success: function(response) {
        // Code to be executed when a response arrives.
    }
});

但是，这会带来一个问题 - 请求由浏览器的WEB API处理，但其他代码如何可以异步？ 例如，如果成功回调中的代码是CPU密集型的：

var result = performCPUIntensiveCalculation();

如果performCPUIntensiveCalculation不是一个HTTP请求，而是一个阻塞代码（例如一个巨大的for循环），则无法释放事件循环并解除浏览器的用户界面 - 它会冻结并对用户无响应。

这意味着异步函数仅解决JavaScript语言的单线程局限性的一小部分。

在某些情况下，通过使用setTimeout，您可以在从更长时间运行的计算中解除UI的情况下取得良好结果。例如，通过在独立的setTimeout调用中对复杂的计算进行批处理，您可以将它们置于事件循环中的多带带“位置”，这样就可以获得UI渲染/响应性所需的时间。

我们来看看一个计算数值数组平均值的简单函数：

function average(numbers) {
    var len = numbers.length,
        sum = 0,
        i;

    if (len === 0) {
        return 0;
    } 
    
    for (i = 0; i < len; i++) {
        sum += numbers[i];
    }
   
    return sum / len;
}

这就是你如何重写上面的代码并“模拟”异步性：

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);
}

这将使用setTimeout函数，该函数将在事件循环的更下方添加计算的每个步骤。 在每次计算之间，将有足够的时间进行其他计算，这是解冻浏览器所必需的。

HTML5给我们带来了很多很棒的东西，包括：

SSE（我们已经在之前的文章中描述并与WebSockets进行了比较）

地理位置

应用程序缓存

本地存储

拖放

Web Worker

Web Workers是浏览器内的线程，可用于执行JavaScript代码而不会阻止事件循环。

这真是太神奇了。 JavaScript的整个范例基于单线程环境的思想，但在这里来自网络工作者（Web Workers），它解除了（部分）这种限制。

Web Workers允许开发人员将长时间运行和计算密集型任务放在后台，而不会阻止用户界面，从而使您的应用程序更具响应能力。更重要的是，为了解决事件循环的问题，不需要使用setTimeout技巧。

下面是一个简单的演示，显示了在有和没有Web Workers的情况下对数组进行排序的区别。

Web Workers允许您执行诸如启动长时间运行的脚本来处理计算密集型任务，但不会阻止UI。实际上，这一切都是平行进行的。Web Workers真正是多线程的。

你可能会说 - “JavaScript不是单线程语言吗？”。

当你意识到JavaScript是一种没有定义线程模型的语言时，这应该是你的"aha！"时刻。 Web Workers不是JavaScript的一部分，它们是可以通过JavaScript访问的浏览器功能。大多数浏览器历来都是单线程的（当然，这已经改变了），并且大多数JavaScript实现都发生在浏览器中。 Web Worker没有在Node.JS中实现 - 它有一个“cluster”或“child_process”的概念，有点不同。

值得注意的是，这个规范提到了三种类型的Web Workers：

Dedicated Worker

Shared Worker

Service Worker

专用Web Worker由主进程实例化，并且只能与其进行通信。

共享工作人员可以通过运行在同一来源的所有进程（不同的浏览器选项卡，iframe或其他共享工作人员）访问。

服务工作人员是一个事件驱动的工作人员，针对原点和路径进行了注册。 它可以控制与之关联的网页/网站，拦截并修改导航和资源请求，并以非常细化的方式缓存资源，从而使您可以很好地控制应用在某些情况下的行为方式（例如，当网络不是可用。）

在这篇文章中，我们将关注Dedicated Workers(专职工作者)并将他们称为“(Web Workders)网络工作者”或“(Workers)工作者”。

Web Workers被实现为.js文件，这些文件通过页面中的异步HTTP请求提供。 Web Worker API完全隐藏了这些请求。

工作人员利用类似线程的消息传递来实现并行性。 它们非常适合保持您的用户界面的最新性，性能和响应能力。

Web工作人员在浏览器中的独立线程中运行。 因此，它们执行的代码需要包含在多带带的文件中。 记住这一点非常重要。

让我们看看如何创建一个基本的工作人员：

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

如果“task.js”文件存在且可访问，浏览器将产生一个新的线程，以异步方式下载文件。 下载完成后，它将被执行，工作人员将开始工作。
如果提供的文件路径返回404，工作人员将自动失败。

为了启动创建的worker，你需要调用postMessage方法：

worker.postMessage();

为了在Web Worker和创建它的页面之间进行通信，您需要使用postMessage方法或广播频道。

较新的浏览器支持将JSON对象作为该方法的第一个参数，而旧版浏览器只支持一个字符串。

让我们看一个创建worker的页面如何与它进行通信的例子，通过传递一个JSON对象作为一个更“复杂”的例子。 传递一个字符串是完全一样的。

我们来看看下面的HTML页面（或者更精确一些）：

Start computation

这就是我们的工作人员脚本的外观：

self.addEventListener("message", function(e) {
  var data = e.data;
  switch (data.cmd) {
    case "average":
      var result = calculateAverage(data); // Some function that calculates the average from the numeric array.
      self.postMessage(result);
      break;
    default:
      self.postMessage("Unknown command");
  }
}, false);

点击按钮后，将从主页面调用postMessage。 worker.postMessage行将JSON对象传递给worker，并添加cmd和数据键及其各自的值。 工作人员将通过定义的消息处理程序处理该消息。

当消息到达时，实际的计算正在工作者中执行，而不会阻塞事件循环。 工作人员正在检查传递的事件e并执行，就像标准的JavaScript函数一样。 完成后，结果会传回主页面。

在一名工人的背景下，自我和这一点都指向了工人的全球范围。

有两种方法可以阻止工作人员：通过从主页面调用worker.terminate（）或在worker本身内部调用self.close（）。

广播频道是更通用的通信API。 它允许我们将消息广播到共享相同来源的所有上下文。 所有浏览器选项卡，iframe或从同一来源提供服务的工作人员都可以发送和接收消息：

// 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()

在视觉上，你可以看到广播频道的样子，使其更加清晰：

虽然广播频道的浏览器支持有限，

有两种方式将消息发送给Web Workers：

复制消息：消息被序列化，复制，发送，然后在另一端解除序列化。页面和工作人员不共享同一个实例，所以最终结果是每次传递都会创建一个副本。大多数浏览器通过自动JSON编码/解码任何一端的值来实现此功能。正如所料，这些数据操作为消息传输增加了大量的开销。信息越大，发送时间越长。

转发邮件：这意味着原始发件人在发送后不能再使用它。传输数据几乎是瞬间的。限制是只有ArrayBuffer可以转让。

由于Web Worker的多线程特性，Web Worker只能访问JavaScript特性的一个子集。以下是功能列表：

navigator对象

location对象（只读）

XMLHttpRequest

setTimeout（）/ clearTimeout（）和setInterval（）/ clearInterval（）

应用程序缓存

使用importScripts（）导入外部脚本

创建其他Web Workers

可悲的是，Web Workers没有访问一些非常关键的JavaScript特性：

DOM（它不是线程安全的）

窗口对象

文档对象

父对象

这意味着Web Worker不能操纵DOM（以及UI）。它有时可能会非常棘手，但是一旦您学会如何正确使用Web Workers，您将开始将它们作为多带带的“计算机”使用，而所有UI更改将发生在您的页面代码中。工作人员将为您完成所有繁重的工作，一旦工作完成，您会将结果传递给对UI进行必要更改的页面。

与任何JavaScript代码一样，您需要处理在Web Workers中引发的任何错误。如果在执行工作时发生错误，则会触发ErrorEvent。该接口包含三个有用的属性，用于确定出错的地方：

filename - 导致错误的工作者脚本的名称

lineno - 发生错误的行号

message - 错误的描述

这是一个例子：

function onError(e) {
  console.log("Line: " + e.lineno);
  console.log("In: " + e.filename);
  console.log("Message: " + e.message);
}

var worker = new Worker("workerWithError.js");
worker.addEventListener("error", onError, false);
worker.postMessage(); // Start worker without a message.

self.addEventListener("message", function(e) {
  postMessage(x * 2); // Intentional error. "x" is not defined.
};

在这里，您可以看到我们创建了一geWorker并开始监听错误事件。

在worker的内部（在workerWithError.js中），我们通过将x乘以2来创建一个有意的异常，而未在该范围中定义x。 异常传播到初始脚本，并且正在调用有关错误信息的onError。

到目前为止，我们列出了Web Workers的优势和局限性。现在让我们看看最佳应用场景：

光线追踪：光线追踪是一种通过将光线追踪为像素来生成图像的渲染技术。光线追踪使用CPU密集型数学计算来模拟光线路径。这个想法是模拟反射，折射，材质等一些效果。所有这些计算逻辑都可以添加到Web Worker中以避免阻塞UI线程。更好的是 - 您可以轻松地将几个工作人员（以及多个CPU之间）之间的图像渲染分开。这里是使用Web Workers进行光线追踪的简单演示 - https://nerget.com/rayjs-mt/r...。

加密：由于对个人和敏感数据的监管日益严格，端到端加密越来越受欢迎。加密可能是一件非常耗时的事情，特别是如果有很多数据必须经常加密（例如在将数据发送到服务器之前）。这是一个非常好的场景，可以使用Web Worker，因为它不需要访问DOM或任何想象的东西 - 这是纯粹的算法来完成他们的工作。一旦进入工作人员，它对最终用户而言是无缝的，并且不会影响他们的体验。

预取数据：为了优化您的网站或Web应用程序并缩短数据加载时间，您可以利用Web Workers预先加载和存储一些数据，以便稍后在需要时使用它。在这种情况下，Web Workers是惊人的，因为它们不会影响您的应用的用户界面，而不像工作时没有工作人员那样。

渐进式Web应用程序：即使网络连接不稳定，它们也必须快速加载。这意味着数据必须存储在本地浏览器中。这是IndexDB或类似的API进场的地方。基本上，需要客户端存储。为了在不阻塞UI线程的情况下使用，工作必须在Web Workers中完成。那么，就IndexDB而言，有一个异步API，即使没有工作人员也可以执行此操作，但之前有一个同步API（可能会再次引入），只能在工作人员中使用。

拼写检查：基本拼写检查程序按以下方式工作 - 程序读取带有拼写正确单词列表的字典文件。正在将字典解析为搜索树以使实际的文本搜索效率更高。当一个单词被提供给检查器时，程序检查它是否存在于预先构建的搜索树中。如果在树中没有找到该单词，则可以通过替代字符并测试它是否是有效的单词 - 如果它是用户想要写的单词来为用户提供替代拼写。所有这些处理都可以轻松卸载到Web Worker中，以便用户可以在没有任何UI阻塞的情况下键入单词和句子，而工作人员则执行所有搜索和提供建议。