【转向Javascript系列】深入理解Web Worker

本文首发在alloyteam团队博客，链接地址http://www.alloyteam.com/2015/11/deep-in-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

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

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

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。

// 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：

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。

SwingWorker testWorker = new SwingWorker<Icon , Void>(){  
      @Override  
       protected Icon doInBackground() throws Exception {  
        Icon icon = retrieveImage(strImageUrl);   
            return icon;   
       }   
  
       protected void done(){   
            Icon icon= get();  
            lblImage.setIcon(icon); //lblImage可通过构造函数传入  
      }             
}  
testWorker.execute();

上述代码中，我们在按钮的事件处理函数中，创建了一个swingworker实例对象。调用构造函数时，指定第一个泛型参数为Icon，这是一个自定义类型，这里代表一个Icon图片对象。指定这一泛型参数，是为了指定doInBackground()方法的返回值，并在done()方法中获取。

doInBackground方法作为工作线程的一部分执行，它负责完成线程的基本任务，并以返回值来作为线程的执行结果。在doInBackground方法完成之后，SwingWorker调用done方法。如果任务需要在完成后，使用工作线程执行结果来更新GUI组件或者做些清理工作，可覆盖done方法来完成它们。使用SwingWorker的get方法可以获取doInBackground方法的结果，done方法是调用get方法的最好地方，因为此时已知道线程任务完成了，SwingWorker在EDT上激活done方法，因此可以在此方法内安全地和任何GUI组件交互。execute方法是异步执行，它立即返回到调用者。在execute方法执行后，EDT立即继续执行。

2.3 WebWorker vs SwingWorker

Swing Worker还有一些其他的方法，这里不再讨论。我们可以结合Web Worker，对比看看两者异同。

两者编程模型相同，都是在主线程中，将耗时工作交由工作线程去异步的完成，从而避免主线程的阻塞。

两者线程通信机制不同，Web Worker线程通信限制严格，仅能通过postMessage方法通信，而且参数传递均为值传递，没有引用传递；Swing Worker参数传递灵活，上述事例中，testWorker的doInBackground方法直接引用了strImageUrl变量，不过这一方式并不推荐，而是应当定义一个新类继承自SwingWorker，并在构造函数中传入imgUrl变量，然后在实例化worker线程中传入变量。

两者对UI界面的更新限制不同，Web Worker禁止在worker线程中操作dom元素，所以不能在worker中更新UI；Swing Worker允许在done方法中更新UI，这里并没有违背Swing的事件分发模型，因为最终还是在EDT上激活的done方法，依然遵循着事件分发模型。

3. Web Worker带来了什么

最后来总结Web Worker为javascript带来了什么，学习过程中，看到一些文章认为Web Worker为Javascript带来了多线程编程能力，我不认可这种观点。

3.1 Web Worker带来后台计算能力

Web Worker自身是由webkit多线程实现，但它并没有为Javasctipt语言带来多线程编程特性，我们现在仍然不能在Javascript代码中创建并管理一个线程，或者主动控制线程间的同步与锁等特性。

在我看来，Web Worker是worker编程模型在浏览器端Javascript语言中的应用。浏览器的运行时,同其他GUI程序类似，核心逻辑像是下面这个无限循环: 

while(true){  
    1 更新数据和对象状态  
    2 渲染可视化UI  
}

在Web Worker之前，Javascript执行引擎只能在一个单线程环境中完成这两项任务。而在其他典型GUI框架，如前文Swing库中，早已引入了Swing Worker来解决大量计算对UI渲染的阻塞问题。Web Worker的引入，是借鉴了worker编程模型，给单线程的Javascript带来了后台计算的能力。

3.2 Web Worker典型应用场景

既然Web Worker为浏览器端Javascript带来了后台计算能力，我们便可利用这一能力，将无限循环中第一项“更新数据和对象状态”的耗时部分交由Web Worker执行，提升页面性能。

部分典型的应用场景如下

1）  使用专用线程进行数学运算

Web Worker最简单的应用就是用来做后台计算，而这种计算并不会中断前台用户的操作

2）  图像处理

通过使用从<canvas>或者<video>元素中获取的数据，可以把图像分割成几个不同的区域并且把它们推送给并行的不同Workers来做计算

3）  大量数据的检索

当需要在调用 ajax后处理大量的数据，如果处理这些数据所需的时间长短非常重要，可以在Web Worker中来做这些，避免冻结UI线程。

4）  背景数据分析

由于在使用Web Worker的时候，我们有更多潜在的CPU可用时间，我们现在可以考虑一下JavaScript中的新应用场景。例如，我们可以想像在不影响UI体验的情况下实时处理用户输入。利用这样一种可能，我们可以想像一个像Word（Office Web Apps 套装）一样的应用：当用户打字时后台在词典中进行查找，帮助用户自动纠错等等。

参考文章

1.The Basics of Web Workers

http://www.html5rocks.com/en/tutorials/workers/basics/

2. 深入 HTML5 Web Worker 应用实践：多线程编程

http://www.ibm.com/developerworks/cn/web/1112_sunch_webworker/index.html

3. JavaScript 工作线程实现方式

http://www.ibm.com/developerworks/cn/web/1105_chengfu_jsworker/index.html

4.HTML5 与 ”性工能“障碍

http://fins.iteye.com/blog/1747321

5.Web Worker在WebKit中的实现机制

http://blog.csdn.net/codigger/article/details/40581343

6. SwingWorker的用法

http://blog.csdn.net/vking_wang/article/details/8994882