Node.js 中 Atomics 的底层探秘：wait() 与 notify() 的实现原理

你好！咱们今天来聊点硬核的，深入 Node.js 的底层，一起探究 Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 这两个原子操作函数的实现原理。相信你对多线程编程、共享内存这些概念并不陌生，那么在 Node.js 中，如何利用 Atomics 模块来实现线程间的同步和通信呢？这背后又隐藏着怎样的机制？别急，咱们一步步揭开它们的神秘面纱。

1. 为什么需要 Atomics？

在传统的 JavaScript 单线程模型中，我们通常不需要考虑线程同步的问题。但是，随着 Node.js worker_threads 模块的引入，我们可以在 Node.js 中创建多个线程，这些线程可以共享内存（通过 SharedArrayBuffer）。共享内存带来了便利，但也带来了数据竞争的风险。想象一下，多个线程同时读写同一块内存区域，如果没有适当的同步机制，很容易导致数据错乱、程序崩溃。

Atomics 模块正是为了解决这个问题而生的。它提供了一组原子操作函数，可以保证对共享内存的读写操作是原子性的，即不可分割的。这意味着，一个线程在执行原子操作时，其他线程无法中断它，从而避免了数据竞争。

2. Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 的作用

Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 是 Atomics 模块中两个非常重要的函数，它们用于实现线程间的等待和唤醒机制，类似于其他语言中的条件变量（Condition Variable）。

• Atomics.wait(typedArray, index, value, timeout): 让当前线程在 typedArray 的 index 位置上等待，直到被 Atomics.notify() 唤醒，或者超时。value 参数用于检查 typedArray[index] 的值是否仍然与预期值相等，如果不相等，则立即返回 'not-equal'。timeout 参数指定等待的超时时间（毫秒）。
• Atomics.notify(typedArray, index, count): 唤醒在 typedArray 的 index 位置上等待的一个或多个线程。count 参数指定要唤醒的线程数量，默认为 1。

这两个函数通常配合使用，一个线程调用 Atomics.wait() 进入等待状态，另一个线程调用 Atomics.notify() 唤醒它。这种机制可以实现线程间的同步和协作。

3. 底层实现原理：futex

Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 的底层实现依赖于操作系统提供的同步原语，其中最关键的就是 futex（Fast Userspace Mutexes）。

futex 是 Linux 内核提供的一种快速用户空间互斥锁机制。它允许用户空间的线程在没有竞争的情况下快速获取和释放锁，只有在发生竞争时才需要进入内核态进行处理。这种机制大大提高了同步操作的效率。

Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 的核心思想就是利用 futex 实现线程的等待和唤醒：

• Atomics.wait(): 当一个线程调用 Atomics.wait() 时，它首先检查 typedArray[index] 的值是否等于预期值。如果相等，则通过系统调用进入内核态，将当前线程添加到与 typedArray[index] 关联的等待队列中，并阻塞当前线程。如果不相等，则直接返回。
• Atomics.notify(): 当一个线程调用 Atomics.notify() 时，它通过系统调用进入内核态，找到与 typedArray[index] 关联的等待队列，并唤醒其中的一个或多个线程。

3.1 futex 系统调用

在 Linux 中，futex 的系统调用接口是 futex() 函数：

int futex(int *uaddr, int futex_op, int val, const struct timespec *timeout, int *uaddr2, int val3);

• uaddr: 指向用户空间内存地址的指针，通常是一个整数变量，用于表示锁的状态。
• futex_op: 指定 futex 操作的类型，例如 FUTEX_WAIT（等待）、FUTEX_WAKE（唤醒）等。
• val: 用于比较或传递值的参数，具体含义取决于 futex_op。
• timeout: 指定等待的超时时间。
• uaddr2 和 val3: 用于一些高级的 futex 操作。

Node.js 的 Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 内部会调用 futex() 函数，并根据不同的平台和操作系统版本进行适配。

4. 跨平台实现

虽然 futex 是 Linux 的特性，但 Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 可以在其他平台上使用。这是因为 Node.js 会根据不同的操作系统提供相应的实现：

• Linux: 使用 futex。
• Windows: 使用 WaitOnAddress 和 WakeByAddressSingle/All 函数，这些函数提供了类似 futex 的功能。
• macOS: 使用 ulock_wait 和 ulock_wake 函数，或者使用 pthread 的条件变量。

Node.js 内部通过条件编译和抽象层，屏蔽了不同平台的差异，使得开发者可以使用统一的 Atomics API 进行跨平台开发。

5. 示例代码

下面是一个简单的示例，演示了如何使用 Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 实现线程间的同步：

// main.js
const { Worker, isMainThread, workerData, parentPort } = require('worker_threads');
const { Buffer } = require('buffer');
 
if (isMainThread) {
  // 创建一个共享内存
  const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(4);
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);
 
  // 创建一个 worker 线程
  const worker = new Worker(__filename, { workerData: { sharedBuffer } });
 
  // 主线程等待 worker 线程完成
  console.log('Main thread: Waiting...');
  Atomics.wait(sharedArray, 0, 0); // 等待 sharedArray[0] 的值变为非 0
  console.log('Main thread: Notified!');
 
  // 输出共享内存的值
  console.log('Shared array:', sharedArray[0]);
} else {
  // worker 线程
  const { sharedBuffer } = workerData;
  const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);
 
  // 模拟一些耗时操作
  setTimeout(() => {
    // 修改共享内存的值
    Atomics.store(sharedArray, 0, 123);
 
    // 通知主线程
    console.log('Worker thread: Notifying...');
    Atomics.notify(sharedArray, 0, 1);
  }, 1000);
}

在这个例子中，主线程创建了一个 SharedArrayBuffer 和一个 worker 线程。worker 线程执行一些耗时操作后，修改共享内存的值，并通过 Atomics.notify() 通知主线程。主线程在 Atomics.wait() 处等待，直到被 worker 线程唤醒。

6. 注意事项

在使用 Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 时，需要注意以下几点：

• Atomics.wait() 只能在 worker 线程中调用，不能在主线程中调用。否则会抛出异常。
• Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 操作的是 Int32Array 或 BigInt64Array 类型的数据。
• Atomics.wait() 的 value 参数用于进行比较，确保在等待期间共享内存的值没有被其他线程修改。如果值被修改了，Atomics.wait() 会立即返回 'not-equal'。
• Atomics.notify() 可以唤醒多个等待的线程，count 参数指定了要唤醒的线程数量。
• 要特别注意死锁问题。不正确的等待和唤醒顺序可能导致死锁。

7. 总结

通过今天的探讨，我们深入了解了 Node.js 中 Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 的底层实现原理，以及它们与操作系统底层同步原语（如 futex）之间的关系。希望你对 Node.js 的多线程编程有了更深入的理解。掌握这些底层知识，可以帮助你更好地利用 Node.js 的多线程特性，编写出更高效、更可靠的程序。

记住，Atomics 模块是 Node.js 多线程编程的基石，而 Atomics.wait() 和 Atomics.notify() 则是实现线程间同步和通信的关键。虽然底层原理比较复杂，但只要理解了它们的核心思想，就能在实际开发中灵活运用，解决各种多线程编程的难题。

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