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    JavaScript 语言采用的是单线程模型,也就是说,所有任务只能在一个线程上完成,一次只能做一件事。前面的任务没做完,后面的任务只能等着。随着电脑计算能力的增强,尤其是多核 CPU 的出现,单线程带来很大的不便,无法充分发挥计算机的计算能力。

    Web Worker 的作用,就是为 JavaScript 创造多线程环境,允许主线程创建 Worker 线程,将一些任务分配给后者运行。在主线程运行的同时,Worker 线程在后台运行,两者互不干扰。等到 Worker 线程完成计算任务,再把结果返回给主线程。这样的好处是,一些计算密集型或高延迟的任务可以交由 Worker 线程执行,主线程(通常负责 UI 交互)能够保持流畅,不会被阻塞或拖慢。

    Worker 线程一旦新建成功,就会始终运行,不会被主线程上的活动(比如用户点击按钮、提交表单)打断。这样有利于随时响应主线程的通信。但是,这也造成了 Worker 比较耗费资源,不应该过度使用,而且一旦使用完毕,就应该关闭。

    Web Worker 有以下几个使用注意点。

    (1)同源限制

    分配给 Worker 线程运行的脚本文件,必须与主线程的脚本文件同源。

    (2)DOM 限制

    Worker 线程所在的全局对象,与主线程不一样,无法读取主线程所在网页的 DOM 对象,也无法使用documentwindowparent这些对象。但是,Worker 线程可以使用navigator对象和location对象。

    (3)全局对象限制

    Worker 的全局对象WorkerGlobalScope,不同于网页的全局对象Window,很多接口拿不到。比如,理论上 Worker 线程不能使用console.log,因为标准里面没有提到 Worker 的全局对象存在console接口,只定义了Navigator接口和Location接口。不过,浏览器实际上支持 Worker 线程使用console.log,保险的做法还是不使用这个方法。

    (4)通信联系

    Worker 线程和主线程不在同一个上下文环境,它们不能直接通信,必须通过消息完成。

    (5)脚本限制

    Worker 线程不能执行alert()方法和confirm()方法,但可以使用 XMLHttpRequest 对象发出 AJAX 请求。

    (6)文件限制

    Worker 线程无法读取本地文件,即不能打开本机的文件系统(file://),它所加载的脚本,必须来自网络。

    基本用法

    主线程

    主线程采用new命令,调用Worker()构造函数,新建一个 Worker 线程。

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

    Worker()构造函数的参数是一个脚本文件,该文件就是 Worker 线程所要执行的任务。由于 Worker 不能读取本地文件,所以这个脚本必须来自网络。如果下载没有成功(比如404错误),Worker 就会默默地失败。

    然后,主线程调用worker.postMessage()方法,向 Worker 发消息。

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

    worker.postMessage()方法的参数,就是主线程传给 Worker 的数据。它可以是各种数据类型,包括二进制数据。

    接着,主线程通过worker.onmessage指定监听函数,接收子线程发回来的消息。

    worker.onmessage = function (event) {
      doSomething(event.data);
    }
    
    function doSomething() {
      // 执行任务
      worker.postMessage('Work done!');
    }
    

    上面代码中,事件对象的data属性可以获取 Worker 发来的数据。

    Worker 完成任务以后,主线程就可以把它关掉。

    worker.terminate();
    

    Worker 线程

    Worker 线程内部需要有一个监听函数,监听message事件。

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

    上面代码中,self代表子线程自身,即子线程的全局对象。因此,等同于下面两种写法。

    // 写法一
    this.addEventListener('message', function (e) {
      this.postMessage('You said: ' + e.data);
    }, false);
    
    // 写法二
    addEventListener('message', function (e) {
      postMessage('You said: ' + e.data);
    }, false);
    

    除了使用self.addEventListener()指定监听函数,也可以使用self.onmessage指定。监听函数的参数是一个事件对象,它的data属性包含主线程发来的数据。self.postMessage()方法用来向主线程发送消息。

    根据主线程发来的数据,Worker 线程可以调用不同的方法,下面是一个例子。

    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);
    

    上面代码中,self.close()用于在 Worker 内部关闭自身。

    Worker 加载脚本

    Worker 内部如果要加载其他脚本,有一个专门的方法importScripts()

    importScripts('script1.js');
    

    该方法可以同时加载多个脚本。

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

    错误处理

    主线程可以监听 Worker 是否发生错误。如果发生错误,Worker 会触发主线程的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 内部也可以监听error事件。

    关闭 Worker

    使用完毕,为了节省系统资源,必须关闭 Worker。

    // 主线程
    worker.terminate();
    
    // Worker 线程
    self.close();
    

    数据通信

    前面说过,主线程与 Worker 之间的通信内容,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,即是传值而不是传址,Worker 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 Worker,后者再将它还原。

    主线程与 Worker 之间也可以交换二进制数据,比如 File、Blob、ArrayBuffer 等类型,也可以在线程之间发送。下面是一个例子。

    // 主线程
    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 线程
    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,拷贝方式发送二进制数据,会造成性能问题。比如,主线程向 Worker 发送一个 500MB 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,但是一旦转移,主线程就无法再使用这些二进制数据了,这是为了防止出现多个线程同时修改数据的麻烦局面。这种转移数据的方法,叫做Transferable Objects。这使得主线程可以快速把数据交给 Worker,对于影像处理、声音处理、3D 运算等就非常方便了,不会产生性能负担。

    如果要直接转移数据的控制权,就要使用下面的写法。

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

    同页面的 Web Worker

    通常情况下,Worker 载入的是一个单独的 JavaScript 脚本文件,但是也可以载入与主线程在同一个网页的代码。

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

    上面是一段嵌入网页的脚本,注意必须指定<script>标签的type属性是一个浏览器不认识的值,上例是app/worker

    然后,读取这一段嵌入页面的脚本,用 Worker 来处理。

    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'
    };
    

    上面代码中,先将嵌入网页的脚本代码,转成一个二进制对象,然后为这个二进制对象生成 URL,再让 Worker 加载这个 URL。这样就做到了,主线程和 Worker 的代码都在同一个网页上面。

    实例:Worker 线程完成轮询

    有时,浏览器需要轮询服务器状态,以便第一时间得知状态改变。这个工作可以放在 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');
    

    上面代码中,Worker 每秒钟轮询一次数据,然后跟缓存做比较。如果不一致,就说明服务端有了新的变化,因此就要通知主线程。

    实例: Worker 新建 Worker

    Worker 线程内部还能再新建 Worker 线程(目前只有 Firefox 浏览器支持)。下面的例子是将一个计算密集的任务,分配到10个 Worker。

    主线程代码如下。

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

    Worker 线程代码如下。

    // 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!
    }
    

    上面代码中,Worker 线程内部新建了10个 Worker 线程,并且依次向这10个 Worker 发送消息,告知了计算的起点和终点。计算任务脚本的代码如下。

    // 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

    主线程

    浏览器原生提供Worker()构造函数,用来供主线程生成 Worker 线程。

    var myWorker = new Worker(jsUrl, options);
    

    Worker()构造函数,可以接受两个参数。第一个参数是脚本的网址(必须遵守同源政策),该参数是必需的,且只能加载 JS 脚本,否则会报错。第二个参数是配置对象,该对象可选。它的一个作用就是指定 Worker 的名称,用来区分多个 Worker 线程。

    // 主线程
    var myWorker = new Worker('worker.js', { name : 'myWorker' });
    
    // Worker 线程
    self.name // myWorker
    

    Worker()构造函数返回一个 Worker 线程对象,用来供主线程操作 Worker。Worker 线程对象的属性和方法如下。

    • Worker.onerror:指定 error 事件的监听函数。
    • Worker.onmessage:指定 message 事件的监听函数,发送过来的数据在Event.data属性中。
    • Worker.onmessageerror:指定 messageerror 事件的监听函数。发送的数据无法序列化成字符串时,会触发这个事件。
    • Worker.postMessage():向 Worker 线程发送消息。
    • Worker.terminate():立即终止 Worker 线程。

    Worker 线程

    Web Worker 有自己的全局对象,不是主线程的window,而是一个专门为 Worker 定制的全局对象。因此定义在window上面的对象和方法不是全部都可以使用。

    Worker 线程有一些自己的全局属性和方法。

    • self.name: Worker 的名字。该属性只读,由构造函数指定。
    • self.onmessage:指定message事件的监听函数。
    • self.onmessageerror:指定 messageerror 事件的监听函数。发送的数据无法序列化成字符串时,会触发这个事件。
    • self.close():关闭 Worker 线程。
    • self.postMessage():向产生这个 Worker 的线程发送消息。
    • self.importScripts():加载 JS 脚本。

    上篇:IndexedDB API