JavaScript 实现线程锁

ECMAScript 2018 中增加了 SharedArrayBuffer 和 Atomics ，利用它们可以实现锁（Lock），即页面主线程和 Web Worker 线程间的锁。

SharedArrayBuffer

SharedArrayBuffer（以下简称为SAB） 是一个可以主线程和 Web Worker 线程间共享数据的对象，即同一个 SAB 可以被多个线程读写。

let sab = new SharedArrayBuffer(1024);
worker.postMessage(sab);

SAB 避免了多个线程间为了传递数据而进行数据拷贝，但同时缺引入了经典的数据访问「冲突」：

// 线程A
let sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);
let sharedArray = new Int32Array(sab);

let worker = new Worker("browser-worker.js");
worker.postMessage(sab);

sharedArray[1] = 1;

// 线程B
onmessage = function (e) {
  let sharedBuffer = e.data;
  let sharedArray = new Int32Array(sab);

  sharedArray[1] = 10;
  sharedArray[2] = sharedArray[1] + sharedArray[1];
  // sharedArray[2] = ? :(
}

这时候就需要原子操作。

Atomics

Atomics 可以实现对于 SAB 原子访问，其包含很多操作。

我们下面会用到的：

Atomics.store(typedArray, index, value)：向 SAB 的 index 位置赋值 value。

Atomics.wait(typedArray, index, value[, timeout])：验证 Int32Array 的 index 位置是否为给定的 value，是则睡眠（阻塞），否则继续执行。

Atomics.wake(typedArray, index, count)：唤醒 Int32Array 的 index 位置上wait 队列（Atomics.wait 产生）。

Atomics.sub(typedArray, index, value)：index 位置的值减去 value 并保存到 index 位置，返回原值。

Atomics.compareExchange(typedArray, index, expectedValue, replacementValue)：如果 index 位置的值为 expectedValue，则与 replcementValue 交换，返回原值。

Lock

有了上面的 SAB 和 Atomics 就可以实现一个很「简单」的线程锁，

简单来说，就是利用 SAB 在多个线程间共享控制位，当控制位为「已锁」时，则暂停线程，这些操作都依赖 Atomics。

注意：这个算法是 Futex，参考了Futexes Are Tricky。

// lock 
if ((c = Atomics.compareExchange(SAB, index, 0, 1)) !== 0) { // 不为0，说明其他人持锁
  do {
       // 如果依旧得不到锁
    if (c === 2 || Atomics.compareExchange(SAB, index, 1, 2) != 0) {
      Atomics.wait(SAB, index, 2); // 暂停
    }
    // 再次尝试获取锁
  } while ((c = Atomics.compareExchange(SAB, index, 0, 2)) !== 0)
}

// unlock
let v0 = Atomics.sub(SAB, index, 1);
// 此时拥有锁，状态为1或2
if (v0 != 1) {
  Atomics.store(SAB, index, 0); // 释放锁
  Atomics.wake(SAB, index, 1); // 唤醒一个 wait 的
}

参考

1. Shared memory and atomics

2. A Taste of JavaScript’s New Parallel Primitives

3. https://www.akkadia.org/drepper/futex.pdf