使用 Web Workers 和 SIMD.js 在 JavaScript 中进行并行编程

JavaScript 是一种多功能编程语言，可以在客户端和服务器端运行。传统上，JavaScript 以单线程方式执行任务，这限制了其有效处理计算密集型操作的能力。然而，随着 Web 技术的进步，通过使用 Web Workers 和 SIMD.js，JavaScript 中的并行编程已成为可能。本文旨在介绍 JavaScript 中的并行编程概念，重点关注 Web Workers 和 SIMD.js，并提供代码示例来说明其用法。

了解并行编程

并行编程涉及将任务划分为可以并发执行的更小的子任务，从而利用多个资源来提高性能。在 JavaScript 中，并行编程对于涉及复杂计算、数据处理和模拟的任务特别有益。通过利用并行性，开发人员可以利用现代多核处理器并更有效地执行任务。

网络工作者

Web Workers 允许 JavaScript 代码在单独的后台线程中执行，从而实现并行处理。与处理用户交互和渲染的主 UI 线程不同，Web Workers 独立运行，不会阻塞 UI 线程。这使得能够执行计算密集型任务而不影响用户界面的响应能力。

创建 Web Worker

要创建 Web Worker，我们需要创建一个专用于该 Worker 代码的新 JavaScript 文件。

让我们考虑一个使用 Web Worker 计算数字阶乘的示例。

示例

考虑下面所示的代码。

// 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);
};

下面是worker.js代码。

// 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);
   }
}

说明

在上面的示例中，主 JavaScript 文件 main.js 使用 Worker 构造函数创建一个新的 Web Worker，并在单独的文件worker.js 中指定该 Worker 的代码。 postMessage() 方法向工作线程发送数据，onmessage事件处理程序接收工作线程计算的结果。

限制和沟通

Web Workers 有局限性，包括无法直接访问 DOM 或执行同步操作。然而，它们通过 postMessage() 方法和 onmessage 事件处理程序在主线程和工作线程之间提供了通信机制。这允许主线程和工作线程之间交换数据并返回结果。

SIMD.js

单指令、多数据 (SIMD) 是一种并行计算技术，允许使用矢量化同时执行多个操作。 SIMD.js 是一个 JavaScript 扩展，支持 SIMD 计算，为涉及密集数学计算的任务提供性能优势。

SIMD 数据类型

SIMD.js 引入了新的数据类型，例如 SIMD.Float32x4 和 SIMD.Int32x4，它们分别表示四个浮点值和整数值的向量。这些数据类型可以同时对多个数据元素进行并行计算。 SIMD.js 对这些向量进行操作，高效地执行计算并利用现代 CPU 的并行处理能力。

执行 SIMD 操作

让我们探索一个示例，演示如何执行 SIMD 操作以按元素相乘两个数组。

示例

考虑下面所示的代码。

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.');
}

说明

在上面的示例中，我们首先检查当前浏览器是否支持 SIMD.js API。如果支持，我们可以通过从常规 JavaScript 数组加载值来创建两个 SIMD 数组（simdArray1 和 simdArray2）。然后，我们使用 SIMD.Float32x4.mul() 函数对 SIMD 数组执行逐元素乘法。最后，我们使用 SIMD.Float32x4.extractLane() 函数提取车道值。

代码片段的输出将取决于浏览器对 SIMD.js 的支持。如果支持 SIMD.js，输出将是两个数组按元素相乘的结果，即 [5, 12, 21, 32]。否则，代码将记录一条消息，指示当前浏览器不支持 SIMD。

结论

使用 Web Workers 和 SIMD.js 在 JavaScript 中进行并行编程，为优化性能和处理计算密集型任务开辟了新的可能性。 Web Workers 允许 JavaScript 在后台同时执行任务，而 SIMD.js 利用 SIMD 计算来实现更快的数学运算。通过利用这些并行编程技术，开发人员可以增强 JavaScript 应用程序的响应能力和效率。

在本文中，我们探讨了 JavaScript 并行编程的基础知识，重点关注 Web Workers 和 SIMD.js。我们讨论了如何创建 Web Workers 并与之通信，以及它们提供的限制和好处。此外，我们还探索了 SIMD.js 扩展，展示了如何在数组上执行 SIMD 操作。通过利用并行编程的力量，开发人员可以释放 JavaScript 的全部潜力，以完成复杂和资源密集型任务。