如何在JavaScript中进行多线程和并行编程？

JavaScript是一种单线程语言，这意味着它只能同时执行一个任务。因此，在处理大量数据或执行复杂计算时，JavaScript可能会变得非常缓慢。为了解决这个问题，JavaScript需要一些多线程和并行编程技术和工具。

在本文中，我们将深入了解如何在JavaScript中实现多线程和并行编程。我们将调查JavaScript中使用的一些工具，例如Web Workers、SharedArrayBuffer和Atomics等。我们还将探讨如何使用Promise、async/await、Generators和Iterators等JavaScript语言功能来写出更加高效的并行代码。最后，我们还将看看一些优秀的开源JavaScript并行编程框架和库。

什么是多线程和并行编程？

在计算机科学中，多线程是指在同一个程序中运行多个线程的技术。每个线程都在其自己的时间片内运行，同时与其他线程共享同一个内存空间。这种技术通常用于并发处理任务，例如分布式计算、数据分析和图形处理等。多线程编程的一个常见应用是同时处理多个IO请求，例如同时从多个网站下载数据等。

并行编程则是指在不同的计算机上同时运行多个程序或线程，每个程序或线程都在自己的计算机上运行。这种技术通常用于大规模计算和数据处理，例如分布式数据库管理、大数据分析和高档游戏等。

在JavaScript中，我们面临的最大问题是单线程模型，它会使我们的程序变得非常缓慢。为了解决这个问题，我们需要一些多线程和并行编程技术和工具。

使用Web Workers实现多线程编程

Web Workers是指运行在浏览器上的多线程技术。它允许我们在后台运行JavaScript代码，并且不会影响主线程的性能。这种技术非常适合用于处理大量数据、复杂计算和长时间运行的任务等。Web Workers的一个很好的例子是在网页上实时处理视频流，以便快速分析和显示视频的内容。

要使用Web Workers，在JavaScript中创建一个新的Worker对象，它将启动一个新的线程。例如，以下代码会让浏览器创建一个新的Web Worker：

var worker = new Worker(‘worker.js’);

在这里，我们向Worker构造函数提供了一个指向JavaScript文件的字符串。Worker.js文件包含了将要在新线程中进行的代码，例如：

// worker.js

function processData(data) {
// Process the data…
}

self.addEventListener(‘message’, function(e) {
// Get the data from the message…
var data = e.data;

// Process the data in a new thread…
processData(data);

// Send the data back to the main thread…
self.postMessage(‘Data processed.’);
}, false);

Worker对象的postMessage方法可以用来向Worker发送消息。例如，以下代码会将消息发送给Worker线程：

worker.postMessage(‘Some data.’);

Worker对象的onmessage属性用于设置消息处理程序。例如，以下代码将在接收到从Worker线程发送回的消息时被调用：

worker.onmessage = function(e) {
console.log(‘Worker thread says:’, e.data);
};

使用SharedArrayBuffer和Atomic操作实现并行编程

SharedArrayBuffer是一种让JavaScript线程之间共享内存的技术。它让多个线程可以访问相同的内存地址，从而加速数据处理。

然而，由于SharedArrayBuffer存在一些安全隐患（例如，它可能导致数据竞争和死锁等问题），Chrome浏览器已禁用了它。因此，使用SharedArrayBuffer应当谨慎并遵循安全约定。

Atomics是一组JavaScript函数，它们使用SharedArrayBuffer操作进行原子操作。这意味着它们保证操作的原子性，从而不仅达到并行编程的目的，而且还保证操作的正确性。以下是一些可以用Atomics操作实施的原子操作：

1. atomicAdd：将一个数字原子地加到SharedArrayBuffer中的另一个数字上。

2. atomicExchange：将一个数字原子地替换为SharedArrayBuffer中的另一个数字。

3. atomicCompareExchange：如果预期值与SharedArrayBuffer中的值匹配，则用一个新值原子地替换这个值。

4. atomicWait：阻塞线程，直到SharedArrayBuffer达到指定的条件。

5. atomicNotify：通知正在等待SharedArrayBuffer的线程。

以下代码展示了如何在SharedArrayBuffer中使用原子操作实现多线程数学计算：

// main.js

var data = new SharedArrayBuffer(8);
var num1 = new Int32Array(data)[0];
Atomics.store(new Int32Array(data), 0, 10);

var worker = new Worker(‘worker.js’);
worker.postMessage(data);

worker.onmessage = function(e) {
console.log(‘Result:’, e.data[0]);
};

// worker.js

self.addEventListener(‘message’, function(e) {
var data = e.data;

var num1 = new Int32Array(data)[0];
var num2 = 20;

Atomics.add(new Int32Array(data), 0, num2);
var result = new Int32Array(data);

self.postMessage(result);
}, false);

在这里，我们首先在主线程中创建了一个新的SharedArrayBuffer数组。然后，我们使用一个Int32Array视图将SharedArrayBuffer中的第一个数字读取到num1变量中。

在Web Worker中，我们读取了SharedArrayBuffer中的num1值，并将num2值（等于20）原子地添加到num1值上。最后，我们将结果发送回主线程。

使用Promise和async/await实现更好的异步操作

Promise和async/await是两种使现代JavaScript编程更加便捷的语言功能。它们提供了更好的异步编程支持，并且使代码更加易于阅读和理解。

如果你使用Promise和async/await，你可以通过一个声明式的API来定义异步操作，并且更容易地对这些操作进行组合和调用。以下是一个使用async/await编写的以下函数：

async function getData(url) {
let response = await fetch(url);
let data = await response.json();
return data;
}

在这里，我们定义了一个名为getData的函数。它使用async关键字定义，表示这个函数是异步的。我们使用await操作符告诉它在后台获取数据。最后，我们返回从服务器检索到的数据。

使用Generators和Iterators实现更加高效的迭代器

Generators和Iterators是JavaScript中的两个非常强大的功能。它们使得开发人员可以定义高级的迭代操作，并将它们配合使用。

Generators用于生成一系列值的函数，这些值可以通过for循环来遍历。以下是一个使用Generators的简单示例：

function* getNumbers() {
yield 1;
yield 2;
yield 3;
}

在这里，我们用一个名称为getNumbers的函数定义了一个新的Generator。这个函数中使用yield关键字分别返回了数字1、2和3。当我们稍后需要这些数字时，我们可以像这样调用它们：

let numbers = getNumbers();
for (let number of numbers) {
console.log(number);
}

代码的输出结果将依次是1、2和3。

Iterators允许开发人员定义自己的迭代器，这些迭代器可以自行定义如何处理数据。以下是一个使用Iterators的简单示例：

// Define a custom iterator
let customIterator = {
data: [1, 2, 3],

[Symbol.iterator]() {
let index = 0;
let data = this.data;

return {
next() {
return {
value: data[index++],
done: index > data.length
}
}
};
}
}

// Iterate over the custom iterator
for (let number of customIterator) {
console.log(number);
}

在这里，我们定义了一个名为customIterator的自定义迭代器。它有一个数据数组和一个方法，该方法返回一个带有next函数的对象。next函数返回一个值和一个标志，指示迭代器是否迭代完毕。

最后，我们使用for循环迭代了这个新的自定义迭代器。

使用其他JavaScript并行编程框架和库

另外，还有许多其他优秀的JavaScript并行编程框架和库可供使用。其中一些是：

1. Parallel.js：一个开源的JavaScript框架，可以在浏览器和Node.js中使用。它提供了Map、Reduce和Filter等高级函数，可以用于处理数值和数组等数据类型。

2. p-Thread：一个简单易用的JavaScript并行编程库。它可用于创建并发的Web应用程序和Node.js服务，从而使开发人员可以更快地处理大量数据。

3. Clusterize.js：一个用于创建高性能、交互式Web应用程序的JavaScript库。它使用Web Workers和SharedArrayBuffer进行并行计算，并与算法和可视化类库进行复合。

结论

在本文中，我们了解了如何在JavaScript中实现多线程和并行编程。我们研究了一些常用的工具和技术，例如Web Workers、SharedArrayBuffer和Atomics等。我们还探讨了如何使用Promise、async/await、Generators和Iterators等JavaScript语言功能编写更加高效的并行代码。最后，我们介绍了一些优秀的开源JavaScript并行编程框架和库。

尽管JavaScript是一种单线程语言，但通过使用这些技术和工具，我们可以使其更具并发性、更加高效。如果你面临的是处理大量数据和计算密集型任务的问题，那么学习JavaScript并行编程将会成为你非常有价值的技能。