JavaScript Web Worker

2023-03-20 15:43 更新

概述

JavaScript 語(yǔ)言采用的是單線程模型，也就是說，所有任務(wù)只能在一個(gè)線程上完成，一次只能做一件事。前面的任務(wù)沒做完，后面的任務(wù)只能等著。隨著電腦計(jì)算能力的增強(qiáng)，尤其是多核 CPU 的出現(xiàn)，單線程帶來(lái)很大的不便，無(wú)法充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。

Web Worker 的作用，就是為 JavaScript 創(chuàng)造多線程環(huán)境，允許主線程創(chuàng)建 Worker 線程，將一些任務(wù)分配給后者運(yùn)行。在主線程運(yùn)行的同時(shí)，Worker 線程在后臺(tái)運(yùn)行，兩者互不干擾。等到 Worker 線程完成計(jì)算任務(wù)，再把結(jié)果返回給主線程。這樣的好處是，一些計(jì)算密集型或高延遲的任務(wù)可以交由 Worker 線程執(zhí)行，主線程（通常負(fù)責(zé) UI 交互）能夠保持流暢，不會(huì)被阻塞或拖慢。

Worker 線程一旦新建成功，就會(huì)始終運(yùn)行，不會(huì)被主線程上的活動(dòng)（比如用戶點(diǎn)擊按鈕、提交表單）打斷。這樣有利于隨時(shí)響應(yīng)主線程的通信。但是，這也造成了 Worker 比較耗費(fèi)資源，不應(yīng)該過度使用，而且一旦使用完畢，就應(yīng)該關(guān)閉。

Web Worker 有以下幾個(gè)使用注意點(diǎn)。

（1）同源限制

分配給 Worker 線程運(yùn)行的腳本文件，必須與主線程的腳本文件同源。

（2）DOM 限制

Worker 線程所在的全局對(duì)象，與主線程不一樣，無(wú)法讀取主線程所在網(wǎng)頁(yè)的 DOM 對(duì)象，也無(wú)法使用document、window、parent這些對(duì)象。但是，Worker 線程可以使用navigator對(duì)象和location對(duì)象。

（3）全局對(duì)象限制

Worker 的全局對(duì)象WorkerGlobalScope，不同于網(wǎng)頁(yè)的全局對(duì)象Window，很多接口拿不到。比如，理論上 Worker 線程不能使用console.log，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)里面沒有提到 Worker 的全局對(duì)象存在console接口，只定義了Navigator接口和Location接口。不過，瀏覽器實(shí)際上支持 Worker 線程使用console.log，保險(xiǎn)的做法還是不使用這個(gè)方法。

（4）通信聯(lián)系

Worker 線程和主線程不在同一個(gè)上下文環(huán)境，它們不能直接通信，必須通過消息完成。

（5）腳本限制

Worker 線程不能執(zhí)行alert()方法和confirm()方法，但可以使用 XMLHttpRequest 對(duì)象發(fā)出 AJAX 請(qǐng)求。

（6）文件限制

Worker 線程無(wú)法讀取本地文件，即不能打開本機(jī)的文件系統(tǒng)（file://），它所加載的腳本，必須來(lái)自網(wǎng)絡(luò)。

基本用法 

主線程 

主線程采用new命令，調(diào)用Worker()構(gòu)造函數(shù)，新建一個(gè) Worker 線程。

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

Worker()構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)是一個(gè)腳本文件，該文件就是 Worker 線程所要執(zhí)行的任務(wù)。由于 Worker 不能讀取本地文件，所以這個(gè)腳本必須來(lái)自網(wǎng)絡(luò)。如果下載沒有成功（比如404錯(cuò)誤），Worker 就會(huì)默默地失敗。

然后，主線程調(diào)用worker.postMessage()方法，向 Worker 發(fā)消息。

worker.postMessage('Hello World');
worker.postMessage({method: 'echo', args: ['Work']});

worker.postMessage()方法的參數(shù)，就是主線程傳給 Worker 的數(shù)據(jù)。它可以是各種數(shù)據(jù)類型，包括二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

接著，主線程通過worker.onmessage指定監(jiān)聽函數(shù)，接收子線程發(fā)回來(lái)的消息。

worker.onmessage = function (event) {
  doSomething(event.data);
}

function doSomething() {
  // 執(zhí)行任務(wù)
  worker.postMessage('Work done!');
}

上面代碼中，事件對(duì)象的data屬性可以獲取 Worker 發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。

Worker 完成任務(wù)以后，主線程就可以把它關(guān)掉。

worker.terminate();

Worker 線程 

Worker 線程內(nèi)部需要有一個(gè)監(jiān)聽函數(shù)，監(jiān)聽message事件。

self.addEventListener('message', function (e) {
  self.postMessage('You said: ' + e.data);
}, false);

上面代碼中，self代表子線程自身，即子線程的全局對(duì)象。因此，等同于下面兩種寫法。

// 寫法一
this.addEventListener('message', function (e) {
  this.postMessage('You said: ' + e.data);
}, false);

// 寫法二
addEventListener('message', function (e) {
  postMessage('You said: ' + e.data);
}, false);

除了使用self.addEventListener()指定監(jiān)聽函數(shù)，也可以使用self.onmessage指定。監(jiān)聽函數(shù)的參數(shù)是一個(gè)事件對(duì)象，它的data屬性包含主線程發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。self.postMessage()方法用來(lái)向主線程發(fā)送消息。

根據(jù)主線程發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，Worker 線程可以調(diào)用不同的方法，下面是一個(gè)例子。

self.addEventListener('message', function (e) {
  var data = e.data;
  switch (data.cmd) {
    case 'start':
      self.postMessage('WORKER STARTED: ' + data.msg);
      break;
    case 'stop':
      self.postMessage('WORKER STOPPED: ' + data.msg);
      self.close(); // Terminates the worker.
      break;
    default:
      self.postMessage('Unknown command: ' + data.msg);
  };
}, false);

上面代碼中，self.close()用于在 Worker 內(nèi)部關(guān)閉自身。

Worker 加載腳本 

Worker 內(nèi)部如果要加載其他腳本，有一個(gè)專門的方法importScripts()。

importScripts('script1.js');

該方法可以同時(shí)加載多個(gè)腳本。

importScripts('script1.js', 'script2.js');

錯(cuò)誤處理 

主線程可以監(jiān)聽 Worker 是否發(fā)生錯(cuò)誤。如果發(fā)生錯(cuò)誤，Worker 會(huì)觸發(fā)主線程的error事件。

worker.onerror = function (event) {
  console.log(
    'ERROR: Line ', event.lineno, ' in ', event.filename, ': ', event.message
  );
};

// 或者
worker.addEventListener('error', function (event) {
  // ...
});

Worker 內(nèi)部也可以監(jiān)聽error事件。

關(guān)閉 Worker 

使用完畢，為了節(jié)省系統(tǒng)資源，必須關(guān)閉 Worker。

// 主線程
worker.terminate();

// Worker 線程
self.close();

數(shù)據(jù)通信 

前面說過，主線程與 Worker 之間的通信內(nèi)容，可以是文本，也可以是對(duì)象。需要注意的是，這種通信是拷貝關(guān)系，即是傳值而不是傳址，Worker 對(duì)通信內(nèi)容的修改，不會(huì)影響到主線程。事實(shí)上，瀏覽器內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制是，先將通信內(nèi)容串行化，然后把串行化后的字符串發(fā)給 Worker，后者再將它還原。

主線程與 Worker 之間也可以交換二進(jìn)制數(shù)據(jù)，比如 File、Blob、ArrayBuffer 等類型，也可以在線程之間發(fā)送。下面是一個(gè)例子。

// 主線程
var uInt8Array = new Uint8Array(new ArrayBuffer(10));
for (var i = 0; i < uInt8Array.length; ++i) {
  uInt8Array[i] = i * 2; // [0, 2, 4, 6, 8,...]
}
worker.postMessage(uInt8Array);

// Worker 線程
self.onmessage = function (e) {
  var uInt8Array = e.data;
  postMessage('Inside worker.js: uInt8Array.toString() = ' + uInt8Array.toString());
  postMessage('Inside worker.js: uInt8Array.byteLength = ' + uInt8Array.byteLength);
};

但是，拷貝方式發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)，會(huì)造成性能問題。比如，主線程向 Worker 發(fā)送一個(gè) 500MB 文件，默認(rèn)情況下瀏覽器會(huì)生成一個(gè)原文件的拷貝。為了解決這個(gè)問題，JavaScript 允許主線程把二進(jìn)制數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)移給子線程，但是一旦轉(zhuǎn)移，主線程就無(wú)法再使用這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)了，這是為了防止出現(xiàn)多個(gè)線程同時(shí)修改數(shù)據(jù)的麻煩局面。這種轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的方法，叫做Transferable Objects。這使得主線程可以快速把數(shù)據(jù)交給 Worker，對(duì)于影像處理、聲音處理、3D 運(yùn)算等就非常方便了，不會(huì)產(chǎn)生性能負(fù)擔(dān)。

如果要直接轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的控制權(quán)，就要使用下面的寫法。

// Transferable Objects 格式
worker.postMessage(arrayBuffer, [arrayBuffer]);

// 例子
var ab = new ArrayBuffer(1);
worker.postMessage(ab, [ab]);

同頁(yè)面的 Web Worker 

通常情況下，Worker 載入的是一個(gè)單獨(dú)的 JavaScript 腳本文件，但是也可以載入與主線程在同一個(gè)網(wǎng)頁(yè)的代碼。

<!DOCTYPE html>
  <body>
    <script id="worker" type="app/worker">
      addEventListener('message', function () {
        postMessage('some message');
      }, false);
    </script>
  </body>
</html>

上面是一段嵌入網(wǎng)頁(yè)的腳本，注意必須指定<script>標(biāo)簽的type屬性是一個(gè)瀏覽器不認(rèn)識(shí)的值，上例是app/worker。

然后，讀取這一段嵌入頁(yè)面的腳本，用 Worker 來(lái)處理。

var blob = new Blob([document.querySelector('#worker').textContent]);
var url = window.URL.createObjectURL(blob);
var worker = new Worker(url);

worker.onmessage = function (e) {
  // e.data === 'some message'
};

上面代碼中，先將嵌入網(wǎng)頁(yè)的腳本代碼，轉(zhuǎn)成一個(gè)二進(jìn)制對(duì)象，然后為這個(gè)二進(jìn)制對(duì)象生成 URL，再讓 Worker 加載這個(gè) URL。這樣就做到了，主線程和 Worker 的代碼都在同一個(gè)網(wǎng)頁(yè)上面。

實(shí)例：Worker 線程完成輪詢 

有時(shí)，瀏覽器需要輪詢服務(wù)器狀態(tài)，以便第一時(shí)間得知狀態(tài)改變。這個(gè)工作可以放在 Worker 里面。

function createWorker(f) {
  var blob = new Blob(['(' + f.toString() + ')()']);
  var url = window.URL.createObjectURL(blob);
  var worker = new Worker(url);
  return worker;
}

var pollingWorker = createWorker(function (e) {
  var cache;

  function compare(new, old) { ... };

  setInterval(function () {
    fetch('/my-api-endpoint').then(function (res) {
      var data = res.json();

      if (!compare(data, cache)) {
        cache = data;
        self.postMessage(data);
      }
    })
  }, 1000)
});

pollingWorker.onmessage = function () {
  // render data
}

pollingWorker.postMessage('init');

上面代碼中，Worker 每秒鐘輪詢一次數(shù)據(jù)，然后跟緩存做比較。如果不一致，就說明服務(wù)端有了新的變化，因此就要通知主線程。

實(shí)例： Worker 新建 Worker 

Worker 線程內(nèi)部還能再新建 Worker 線程（目前只有 Firefox 瀏覽器支持）。下面的例子是將一個(gè)計(jì)算密集的任務(wù)，分配到10個(gè) Worker。

主線程代碼如下。

var worker = new Worker('worker.js');
worker.onmessage = function (event) {
  document.getElementById('result').textContent = event.data;
};

Worker 線程代碼如下。

// worker.js

// settings
var num_workers = 10;
var items_per_worker = 1000000;

// start the workers
var result = 0;
var pending_workers = num_workers;
for (var i = 0; i < num_workers; i += 1) {
  var worker = new Worker('core.js');
  worker.postMessage(i * items_per_worker);
  worker.postMessage((i + 1) * items_per_worker);
  worker.onmessage = storeResult;
}

// handle the results
function storeResult(event) {
  result += event.data;
  pending_workers -= 1;
  if (pending_workers <= 0)
    postMessage(result); // finished!
}

上面代碼中，Worker 線程內(nèi)部新建了10個(gè) Worker 線程，并且依次向這10個(gè) Worker 發(fā)送消息，告知了計(jì)算的起點(diǎn)和終點(diǎn)。計(jì)算任務(wù)腳本的代碼如下。

// core.js
var start;
onmessage = getStart;
function getStart(event) {
  start = event.data;
  onmessage = getEnd;
}

var end;
function getEnd(event) {
  end = event.data;
  onmessage = null;
  work();
}

function work() {
  var result = 0;
  for (var i = start; i < end; i += 1) {
    // perform some complex calculation here
    result += 1;
  }
  postMessage(result);
  close();
}

API 

主線程 

瀏覽器原生提供Worker()構(gòu)造函數(shù)，用來(lái)供主線程生成 Worker 線程。

var myWorker = new Worker(jsUrl, options);

Worker()構(gòu)造函數(shù)，可以接受兩個(gè)參數(shù)。第一個(gè)參數(shù)是腳本的網(wǎng)址（必須遵守同源政策），該參數(shù)是必需的，且只能加載 JS 腳本，否則會(huì)報(bào)錯(cuò)。第二個(gè)參數(shù)是配置對(duì)象，該對(duì)象可選。它的一個(gè)作用就是指定 Worker 的名稱，用來(lái)區(qū)分多個(gè) Worker 線程。

// 主線程
var myWorker = new Worker('worker.js', { name : 'myWorker' });

// Worker 線程
self.name // myWorker

Worker()構(gòu)造函數(shù)返回一個(gè) Worker 線程對(duì)象，用來(lái)供主線程操作 Worker。Worker 線程對(duì)象的屬性和方法如下。

  • Worker.onerror：指定 error 事件的監(jiān)聽函數(shù)。
  • Worker.onmessage：指定 message 事件的監(jiān)聽函數(shù)，發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)在Event.data屬性中。
  • Worker.onmessageerror：指定 messageerror 事件的監(jiān)聽函數(shù)。發(fā)送的數(shù)據(jù)無(wú)法序列化成字符串時(shí)，會(huì)觸發(fā)這個(gè)事件。
  • Worker.postMessage()：向 Worker 線程發(fā)送消息。
  • Worker.terminate()：立即終止 Worker 線程。

Worker 線程 

Web Worker 有自己的全局對(duì)象，不是主線程的window，而是一個(gè)專門為 Worker 定制的全局對(duì)象。因此定義在window上面的對(duì)象和方法不是全部都可以使用。

Worker 線程有一些自己的全局屬性和方法。

  • self.name： Worker 的名字。該屬性只讀，由構(gòu)造函數(shù)指定。
  • self.onmessage：指定message事件的監(jiān)聽函數(shù)。
  • self.onmessageerror：指定 messageerror 事件的監(jiān)聽函數(shù)。發(fā)送的數(shù)據(jù)無(wú)法序列化成字符串時(shí)，會(huì)觸發(fā)這個(gè)事件。
  • self.close()：關(guān)閉 Worker 線程。
  • self.postMessage()：向產(chǎn)生這個(gè) Worker 的線程發(fā)送消息。
  • self.importScripts()：加載 JS 腳本。

（完）


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