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How JavaScript works: The building blocks of Web Workers + 5 cases when you should use them

JavaScript的工作原理：Web Workers的构建块+当您应该使用它们时的5个案例

您应该已经熟悉JavaScript在单个线程上运行的事实，正如我们之前非常详细地讨论过的那样。但是，JavaScript为开发人员提供了编写异步代码的机会。

异步编程的局限性

异步编程使您的应用程序UI能够及时响应，通过“调度”部分代码在事件循环中稍后执行，从而允许首先执行UI呈现。

异步编程的一个很好的用例就是发出AJAX请求。由于请求可能需要花费大量时间，因此可以异步进行，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，这会产生一个问题 - 请求由浏览器的WEB API处理，但其他代码如何异步？例如，如果成功回调内部的代码非常占用CPU，那该怎么办：

var result = performCPUIntensiveCalculation();

如果performCPUIntensiveCalculation不是HTTP请求而是阻塞代码（例如巨大的for循环），则无法释放事件循环并取消阻止浏览器的UI - 它将冻结并对用户无响应。

这意味着异步函数只解决了JavaScript语言的一小部分单线程限制。

在某些情况下，使用setTimeout可以在长时间运行的计算中取消阻止UI，从而获得良好的效果。例如，通过在单独的setTimeout调用中对复杂计算进行批处理，您可以将它们放在事件循环中的不同“位置”上，这样就可以花时间来执行UI呈现/响应。

我们来看一个计算数值数组平均值的简单函数：

functionaverage(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：

functionaverageAsync(numbers, callback) {var len =numbers.length,sum= 0;if (len === 0) {return 0;}functioncalculateSumAsync(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中进一步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。

Web Workers将拯救你

HTML5为我们带来了许多开箱即用的好东西，包括：

• SSE
• Geolocation
• Application cache
• Local Storage
• Drag and Drop
• Web Workers

Web Workers是浏览器中的线程，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的整个范例都是基于单线程环境的思想，但Web Workers可以删除（部分）这种限制。

Web Workers允许开发人员在后台运行长时间运行且计算密集的任务，而不会阻止UI，从而使您的应用程序更具响应性。更重要的是，为了破解事件循环的方式，不需要使用setTimeout的技巧。

这是一个简单的演示，显示了使用和不使用Web Workers对数组进行排序的区别。

Web Worker概述

Web Workers允许您执行一些操作，例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，这一切都是并行发生的。 Web Workers是真正的多线程。

您可能会说 - “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“啊哈！”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，它有点不同。

值得注意的是，该规范提到了三种类型的Web Worker：

• Dedicated Workers
• Shared Workers
• Service workers

Dedicated Workers（专用Workers）

专用Web Worker由主进程实例化，只能与之通信。

Shared Workers（共享Workers）

在同一来源（不同的浏览器选项卡，iframe或其他共享工作者）上运行的所有进程都可以访问共享工作者。

Service Workers（服务Workers）

服务工作者是针对原点和路径注册的事件驱动的工作者。它可以控制与之关联的网页/网站，拦截和修改导航和资源请求，以及以非常精细的方式缓存资源，让您可以很好地控制应用在特定情况下的行为（例如，当网络不是可用。）

在这篇文章中，我们将专注于“专用Workers”，并将他们称为“Web Workers”或“Workers”。

Web Worker是如何工作的

Web Workers是以.js的文件形式来呈现的，这些文件通过页面中的异步HTTP请求被引进来。 Web Worker API完全隐藏了这些请求。

Workers利用类似线程的消息传递来实现并行性。它们非常适合用户保持UI最新，高性能和响应性。

Web Workers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单独的文件中。记住这一点非常重要。

让我们看看如何创建基本的Worker：

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

如果“task.js”文件存在且可访问，则浏览器将生成一个新线程，该线程异步下载该文件。下载完成后，它将立即执行，worker将开始。
如果提供的文件路径返回404，则工作程序将以静默方式失败。

要启动创建的worker，需要调用postMessage方法：

worker.postMessage();

Web Worker通信

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

postMessage方法

较新的浏览器支持JSON对象作为方法的第一个参数，而较旧的浏览器仅支持字符串。

让我们看一个示例，通过将JSON对象作为一个更“复杂”的示例传递，创建工作者的页面如何与之来回通信。传递一个字符串是完全一样的。

让我们看看下面的HTML页面（或者更精确的部分）：

<button οnclick="startComputation()">Start computation</button><script>functionstartComputation() {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>

这就是我们的Worker脚本：

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);

单击该按钮时，将从主页面调用postMessage。 worker.postMessage行将JSON对象传递给worker，添加cmd和数据键及其各自的值。 worker将通过定义的消息处理程序处理该消息。

当消息到达时，实际计算正在worker中执行，而不会阻止事件循环。worker正在检查传递的事件e并像标准JavaScript函数一样执行。完成后，结果将传递回主页面。

在worker的上下文中，self和this都引用了worker的全局范围。

有两种方法可以停止worker：通过从主进程中调用worker.terminate（）或通过调用worker本身内部的self.close（）。

Broadcast Channel

广播频道是一种更通用的通信API。它允许我们向共享相同来源的所有上下文广播消息。从同一来源提供的所有浏览器标签，iframe或worker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，您可以看到广播频道的外观更清晰：

广播频道的浏览器支持有限：

消息的大小

有两种方法可以向Web Workers发送消息：

• 复制消息：消息被序列化，复制，发送，然后在另一端反序列化。页面和worker不共享同一个实例，因此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开销。消息越大，发送的时间越长。
• 转移邮件：这意味着原始发件人一旦发送就无法再使用它。传输数据几乎是即时的。限制是只有ArrayBuffer可以转移。

Web Workers可用的功能

Web Workers由于具有多线程特性，因此只能访问JavaScript功能的子集。以下是功能列表：

• The navigator object
• The location object (read-only)
• XMLHttpRequest
• setTimeout()/clearTimeout() and setInterval()/clearInterval()
• The Application Cache
• Importing external scripts using importScripts()
• Creating other web workers

Web Worker的局限

遗憾的是，Web Workers无法访问一些非常关键的JavaScript功能：

• The DOM (it’s not thread-safe)
• The window object
• The document object
• The parent object

这意味着Web Worker无法操纵DOM（以及UI）。它有时会很棘手，但是一旦你学会了如何正确使用Web Workers，你就会开始将它们作为单独的“计算机器”使用，而所有的UI更改都将在你的页面代码中进行。Worker将为您完成所有繁重的工作，一旦完成工作，您将把结果传递给对UI进行必要更改的页面。

处理错误

与任何JavaScript代码一样，您将需要处理Web Workers中引发的任何错误。如果在执行worker时发生错误，则会触发ErrorEvent。该界面包含三个有用的属性，用于确定出现了什么问题：

• filename - 导致错误的工作程序脚本的名称
• lineno - 发生错误的行号
• message - 错误的描述

以下是示例：

functiononError(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个worker并开始侦听错误事件。

在worker内部（在workerWithError.js中），我们通过将x乘以2来创建故意异常，而x未在该范围中定义。异常传播到初始脚本，并且正在调用onError以及有关错误的信息。

Web Worker的好用例

到目前为止，我们已经列出了Web Workers的优势和局限性。现在让我们看看它们最强大的用例是什么：

• 光线跟踪：光线跟踪是一种渲染技术，用于通过将光线路径跟踪为像素来生成图像。光线跟踪使用非常耗费CPU的数学计算来模拟光的路径。这个想法是模拟一些效果，如反射，折射，材料等。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 - 您可以轻松地在几个工作者（以及几个CPU之间）之间分割图像渲染。以下是使用Web Workers进行光线跟踪的简单演示 - https://nerget.com/rayjs-mt/rayjs.html。
• 加密：由于对个人和敏感数据的监管越来越严格，端到端加密越来越受欢迎。加密可能是非常耗时的事情，特别是如果有大量数据必须经常加密（例如，在将其发送到服务器之前）。这是一个非常好的场景，可以使用Web Worker，因为它不需要任何访问DOM或任何花哨的东西 - 它是纯粹的算法来完成它们的工作。一旦进入工作人员，它对最终用户是无缝的，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提前加载和存储一些数据，以便以后在需要时使用它。在这种情况下，Web Workers非常棒，因为它们不会影响应用程序的UI，这与没有工作人员的情况不同。
• 渐进式Web应用程序：即使网络连接不稳定，也必须快速加载。这意味着数据必须本地存储在浏览器中。这是IndexDB或类似API发挥作用的地方。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，必须在Web Workers中完成工作。好吧，在IndexDB的情况下，有一个异步API，即使没有工作人员也允许你这样做，但之前有一个同步API（可能会再次引入），它只能在worker中使用。
• 拼写检查：基本的拼写检查工具按以下方式工作 - 程序读取带有正确拼写单词列表的字典文件。该字典被解析为搜索树，以使实际文本搜索有效。当向检查器提供单词时，程序检查它是否存在于预构建的搜索树中。如果在树中找不到该单词，则可以通过替换替换字符来为用户提供替代拼写，并测试它是否是有效单词 - 如果它是用户想要写的单词。所有这些处理都可以轻松卸载到Web Worker，这样用户只需键入单词和句子而不会阻止UI，而工作人员可以执行所有搜索和提供建议。

—— 完 ——