【转向Javascript系列】深入理解Web Worker

上一篇文章《从setTimeout说事件循环模型》从setTimeout入手,探讨了Javascript的事件循环模型。有别于Java/C#等编程语言,Javascript运行在一个单线程环境中,对setTimeout/setInterval、ajax和dom事件的异步处理是依赖事件循环实现的。作为一个转向Javascript的开发人员,很自然的产生一个疑问,如何实现Javascript多线程编程呢?随着学习的深入,我了解到HTML5 Web Worker,本文将分析Web Worker为Javascript带来了什么,同时带大家看看worker模型在其他语言的应用。

1.Web Worker是什么

Web Worker 是HTML5标准的一部分,这一规范定义了一套 API,它允许一段JavaScript程序运行在主线程之外的另外一个线程中。Web Worker 规范中定义了两类工作线程,分别是专用线程Dedicated Worker和共享线程 Shared Worker,其中,Dedicated Worker只能为一个页面所使用,而Shared Worker则可以被多个页面所共享,本文示例为专用线程Dedicated Worker。

1.1 API快速上手

使用Dedicated Worker的主页面代码main.js

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

worker.postMessage(

        {

            id:1,

            msg:'Hello World'

        }

);

worker.onmessage=function(message){

    var data = message.data;

    console.log(JSON.stringify(data));

worker.terminate();

};

worker.onerror=function(error){

    console.log(error.filename,error.lineno,error.message);

}

Dedicated Worker所执行的代码task.js

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onmessage = function(message){

    var data=message.data;

    data.msg = 'Hi from task.js';

    postMessage(data);

}

在main.js代码中,首先通过调用构造函数,传入了worker脚本文件名,新建了一个worker对象,在我的理解中,这一对象是新创建的工作线程在主线程的引用。随后调用worker.postMessage()方法,与新创建的工作线程通信,这里传入了一个json对象。随后分别定义了worker对象的onmessage事件和onerror事件的回调处理函数,当woker线程返回数据时,onmessage回调函数执行,数据封装在message参数的data属性中,调用 worker 的 terminate()方法可以终止worker线程的运行;当worker线程执行出错时,onerror回调函数执行,error参数中封装了错误对象的文件名、出错行号和具体错误信息。

在task.js代码中,定义了onmessage事件处理函数,由主线程传入的数据,封装在message对象的data属性中,数据处理完成后,通过postMessage方法完成与主线程通信。在工作线程代码中,onmessage事件和postMessage方法在其全局作用域可以访问。

1.2  worker线程执行流程

通过查阅资料,webKit加载并执行worker线程的流程如下图所示

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1)     worker线程的创建的是异步的

代码执行到"var worker = new Worker(task.js')“时,在内核中构造WebCore::JSWorker对象(JSBbindings层)以及对应的WebCore::Worker对象(WebCore模块),根据初始化的url地址"task.js"发起异步加载的流程;主线程代码不会阻塞在这里等待worker线程去加载、执行指定的脚本文件,而是会立即向下继续执行后面代码。

2)     postMessage消息交互由内核调度

main.js中,在创建woker线程后,立即调用了postMessage方法传递了数据,在worker线程还没创建完成时,main.js中发出的消息,会先存储在一个临时消息队列中,当异步创建worker线程完成,临时消息队列中的消息数据复制到woker对应的WorkerRunLoop的消息队列中,worker线程开始处理消息。在经过一轮消息来回后,继续通信时, 这个时候因为worker线程已经创建,所以消息会直接添加到WorkerRunLoop的消息队列中;

1.3 worker线程数据通讯方式

主线程与子线程数据通信方式有多种,通信内容,可以是文本,也可以是对象。需要注意的是,这种通信是拷贝关系,即是传值而不是地址,子线程对通信内容的修改,不会影响到主线程。事实上,浏览器内部的运行机制是,先将通信内容串行化,然后把串行化后的字符串发给子线程,后者再将它还原。

主线程与子线程之间也可以交换二进制数据,比如File、Blob、ArrayBuffer等对象,也可以在线程之间发送。但是,用拷贝方式发送二进制数据,会造成性能问题。比如,主线程向子线程发送一个50MB文件,默认情况下浏览器会生成一个原文件的拷贝。为了解决这个问题,JavaScript允许主线程把二进制数据直接转移给子线程,转移后主线程无法再使用这些数据,这是为了防止出现多个线程同时修改数据的问题,这种转移数据的方法,叫做Transferable Objects。

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// Create a 32MB "file" and fill it.

var uInt8Array = new Uint8Array(1024*1024*32); // 32MB

for (var i = 0; i < uInt8Array .length; ++i) {

    uInt8Array[i] = i;

}

worker.postMessage(uInt8Array.buffer, [uInt8Array.buffer]);

1.4  API进阶

在worker线程中,可以获得下列对象

1)     navigator对象

2)     location对象,只读

3)     XMLHttpRequest对象

4)     setTimeout/setInterval方法

5)     Application Cache

6)     通过importScripts()方法加载其他脚本

7)     创建新的Web Worker

worker线程不能获得下列对象

1)     DOM对象

2)     window对象

3)     document对象

4)     parent对象

上述的规范,限制了在worker线程中获得主线程页面相关对象的能力,所以在worker线程中,不能进行dom元素的更新。

2. 似曾相识worker模型

我在学习Web Worker过程中,总有一种似曾相似的感觉。在以往的学习经验中,了解过Java Swing GUI库中的Swing Worker,我们可以看看worker模型在Swing中的应用。

2.1 Swing事件分发模型

同Winform/WPF等其他GUI库一样,Swing是一个基于事件队列的单线程编程模型。Swing将GUI请求放入一个事件队列EventQueue 中等待执行,EventQueue的派发机制由单独的一个线程管理,这个线程称为事件派发线程(EventDispatchThread),负责GUI组件的绘制和更新。这一事件分发模型如下图所示:

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Swing单线程模型的一个问题是,如果在“事件派发线程”上执行的运算太多,那么GUI界面就会停住,系统响应和运算就会非常缓慢。

既然事件派发线程是为了处理GUI事件而设的,那么,我们只应该把GUI事件处理相关的代码,放在事件派发线程中执行。其他与界面无关的代码,应该放在Java其他的线程中执行。这样,我们在Swing的事件处理中,仍然使用Swing的单线程编程模型,而其他业务操作均使用多线程编程模型,这就可以大大提高Swing程序的响应和运行速度,充分运用Java多线程编程的优势。

2.2 Swing Worker

Java SE 6提供了javax.swing.SwingWorker类,Swing Worker 设计用于需要在后台线程中运行长时间运行任务的情况,并可在完成后或者在处理过程中向 UI 提供更新。

假定我们在UI界面点击一次下载按钮,在按钮的事件处理函数中,需要去加载一张Icon图片,图片加载完成后,将icon在UI界面展示出来。

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SwingWorker testWorker = new SwingWorker<Icon , Void>(){  

      @Override  

       protected Icon doInBackground() throws Exception