使用 Web Workers 和 SIMD.js 進行 JavaScript 並行程式設計

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JavaScript 是一種多功能的程式語言，可以在客戶端和伺服器端執行。傳統上，JavaScript 以單執行緒方式執行任務，這限制了其有效處理計算密集型操作的能力。但是，隨著 Web 技術的進步，透過使用 Web Workers 和 SIMD.js，JavaScript 中的並行程式設計已成為可能。本文旨在介紹 JavaScript 中的並行程式設計概念，重點介紹 Web Workers 和 SIMD.js，並附帶程式碼示例來說明其用法。

理解並行程式設計

並行程式設計涉及將任務分解成可以併發執行的較小子任務，從而利用多個資源來提高效能。在 JavaScript 中，並行程式設計對於涉及複雜計算、資料處理和模擬的任務特別有用。透過利用並行性，開發人員可以利用現代多核處理器並更有效地執行任務。

Web Workers

Web Workers 允許 JavaScript 程式碼在單獨的後臺執行緒中執行，從而實現並行處理。與處理使用者互動和渲染的主 UI 執行緒不同，Web Workers 獨立執行，不會阻塞 UI 執行緒。這使得執行計算密集型任務不會影響使用者介面的響應能力。

建立 Web Worker

要建立 Web Worker，我們需要建立一個新的 JavaScript 檔案，專門用於 worker 的程式碼。

讓我們考慮一個使用 Web Worker 計算數字階乘的示例。

示例

請考慮以下程式碼。

// main.js
const worker = new Worker('worker.js');

worker.postMessage(10); // Send data to the worker

worker.onmessage = function (event) {
   const result = event.data; // Receive data from the worker
   console.log(result);
};

以下是 worker.js 程式碼。

// worker.js
self.onmessage = function (event) {
   const num = event.data;
   const result = calculateFactorial(num);
   self.postMessage(result);
};

function calculateFactorial(num) {
   if (num === 0 || num === 1) {
      return 1;
   } else {
      return num * calculateFactorial(num - 1);
   }
}

解釋

在上面的示例中，主 JavaScript 檔案 main.js 使用 Worker 建構函式建立一個新的 Web Worker，在單獨的檔案 worker.js 中指定 worker 的程式碼。postMessage() 方法將資料傳送到 worker，而 **onmessage** 事件處理程式接收 worker 計算的結果。

限制和通訊

Web Workers 有一些限制，包括無法直接訪問 DOM 或執行同步操作。但是，它們透過 postMessage() 方法和 onmessage 事件處理程式提供主執行緒和 worker 執行緒之間的通訊機制。這允許在主執行緒和 worker 執行緒之間交換資料和返回結果。

SIMD.js

單指令多資料 (SIMD) 是一種平行計算技術，允許使用向量化同時執行多個操作。SIMD.js 是一個 JavaScript 擴充套件，它支援 SIMD 計算，為涉及密集數學計算的任務提供效能優勢。

SIMD 資料型別

SIMD.js 引入了新的資料型別，例如 **SIMD.Float32x4** 和 **SIMD.Int32x4**，它們分別表示四個浮點值和整數值的向量。這些資料型別能夠同時對多個數據元素進行平行計算。SIMD.js 在這些向量上執行，有效地執行計算並利用現代 CPU 的並行處理能力。

執行 SIMD 操作

讓我們探索一個演示如何執行 SIMD 操作以逐元素相乘兩個陣列的示例。

示例

請考慮以下程式碼。

if (typeof SIMD !== 'undefined') {
   const array1 = [1, 2, 3, 4];
   const array2 = [5, 6, 7, 8];

   const simdArray1 = SIMD.Float32x4.load(array1, 0);
   const simdArray2 = SIMD.Float32x4.load(array2, 0);

   const result = SIMD.Float32x4.mul(simdArray1, simdArray2);
   const output = SIMD.Float32x4.extractLane(result, 0);

   console.log(output); // Output: 5, 12, 21, 32
} else {
   console.log('SIMD not supported in this browser.');
}

解釋

在上面的示例中，我們首先檢查當前瀏覽器是否支援 SIMD.js API。如果支援，我們透過從常規 JavaScript 陣列載入值來建立兩個 SIMD 陣列 (simdArray1 和 simdArray2)。然後，我們使用 SIMD.Float32x4.mul() 函式對 SIMD 陣列執行逐元素相乘。最後，我們使用 SIMD.Float32x4.extractLane() 函式提取通道值。

程式碼片段的輸出將取決於瀏覽器對 SIMD.js 的支援。如果支援 SIMD.js，輸出將是兩個陣列逐元素相乘的結果，即 [5, 12, 21, 32]。否則，程式碼將記錄一條訊息，指示當前瀏覽器不支援 SIMD。

結論

使用 Web Workers 和 SIMD.js 進行 JavaScript 並行程式設計為最佳化效能和處理計算密集型任務開闢了新的可能性。Web Workers 允許 JavaScript 併發執行後臺任務，而 SIMD.js 利用 SIMD 計算來加快數學運算。透過利用這些並行程式設計技術，開發人員可以增強其 JavaScript 應用程式的響應能力和效率。

在本文中，我們探討了 JavaScript 並行程式設計的基礎知識，重點介紹了 Web Workers 和 SIMD.js。我們討論瞭如何建立和與 Web Workers 通訊，以及它們提供的限制和好處。此外，我們還探討了 SIMD.js 擴充套件，展示瞭如何在陣列上執行 SIMD 操作。透過利用並行程式設計的強大功能，開發人員可以釋放 JavaScript 用於複雜和資源密集型任務的全部潛力。