【并发控制】：JavaScript中数据结构的多线程与锁机制揭秘

# 1. 并发控制概念解析

在现代编程中，随着多核处理器的普及和网络应用的复杂性增加，软件系统的并发操作变得越来越重要。并发控制是指在多线程或多进程环境下，确保数据的完整性和操作的有序性的一种机制。理解并发控制的概念对于编写可靠和高效的程序至关重要。

## 1.1 并发与并行的区别

首先，需要明确并发(Concurrency)与并行(Parallelism)的区别。并发是指两个或多个事件在同一时间段内发生，而并行则是在同一时刻发生。并发处理是程序设计中的一个重要方面，它允许程序分割任务，提高效率，尤其是在处理I/O密集型任务时。

## 1.2 并发控制的目的

并发控制的主要目的是避免竞争条件（Race Condition），确保线程安全（Thread Safety），避免死锁（Deadlock）和饥饿（Starvation）等并发问题。竞争条件是指当多个线程竞争访问同一资源时，最终的结果依赖于线程的具体执行顺序，这可能导致不可预测的行为。线程安全涉及编写能够适应多个线程同时访问的代码，而不会产生冲突或不一致的结果。死锁和饥饿是并发执行中可能出现的两个典型问题，其中死锁是指两个或多个线程无限期地等待对方释放资源，而饥饿则是指一个或多个线程由于资源被其他线程长时间占据而无法继续执行。

通过本章的学习，我们将建立起对并发控制概念的深刻理解，并为后续章节中深入探讨JavaScript中的并发控制实践打下坚实的基础。

# 2. JavaScript中数据结构的并发问题

### 2.1 基本数据结构的并发风险

#### 2.1.1 原始数据类型并发操作

在JavaScript中，原始数据类型（如`number`、`string`、`boolean`）通常被认为是不可变的，它们在并发场景下不容易引发冲突。然而，实际开发中原始数据类型往往以对象的形式封装，这样一来，它们的不可变性就不再成立，例如：

let counter = 0;

const increment = () => {
  return counter += 1;
};

// 在不同线程执行多次
const results = [increment(), increment(), increment()];
console.log(results); // 输出可能是[1, 1, 1]，或[1, 2, 2]等，取决于线程执行顺序

由于JavaScript的单线程执行模型（主线程），通常我们不会遇到并发问题。但在Web Workers中，多个线程执行可以同时修改变量，这就可能导致数据不一致的问题。

#### 2.1.2 引用数据类型并发操作

引用数据类型（如`object`、`array`、`function`）在JavaScript中提供了更多的灵活性，但同时也带来了并发控制的挑战。它们是通过引用来操作的，所以在多线程环境中，一个线程对这些数据结构的修改，会影响到其他线程。

let sharedArray = [];

const threadFunc = () => {
  for (let i = 0; i < 1000; i++) {
    sharedArray.push(i);
  }
};

// 创建多个线程
const threads = [new Worker('thread.js'), new Worker('thread.js')];

// 启动线程
threads.forEach((worker) => worker.postMessage('start'));

// 等待线程结束
Promise.all(threads.map((worker) => worker.terminate()));
console.log('共享数组长度：', sharedArray.length);

这段代码演示了在两个Web Worker线程中并发修改同一个数组，最终数组的长度和内容可能会有意外的结果。在并发环境下，简单的操作如修改数组长度和内容需要进行同步操作。

### 2.2 并发控制的理论基础

#### 2.2.1 互斥锁(Mutex)和读写锁(RWLock)基础

为了避免并发操作带来的数据冲突，JavaScript应用中可以使用互斥锁(Mutex)和读写锁(RWLock)来控制对共享资源的访问。互斥锁确保任何时候只有一个线程可以访问一个资源，而读写锁允许多个读操作并行，但同一时间只有一个写操作。

class Mutex {
  constructor() {
    this.locked = false;
    this.queue = [];
  }

  async lock() {
    while (this.locked) {
      await new Promise(resolve => this.queue.push(resolve));
    }
    this.locked = true;
  }

  unlock() {
    if (this.queue.length > 0) {
      this.queue.shift()();
    } else {
      this.locked = false;
    }
  }
}

// 使用
const mutex = new Mutex();

const lockTask = async () => {
  await mutex.lock();
  try {
    // 执行需要互斥的任务
  } finally {
    mutex.unlock();
  }
};

// 需要并发控制的任务
[lockTask(), lockTask()].forEach(task => task());

通过上述示例代码，我们实现了一个简单的互斥锁，并在任务中使用它来确保并发安全。需要注意的是，这类控制在Web Workers中是必要的，因为在主线程上不会发生并发操作。

#### 2.2.2 死锁和饥饿问题的理论分析

在实现锁机制时，会出现一些典型的问题，比如死锁和饥饿。死锁指的是多个线程相互等