ParaWeb: Parallel Programming Patterns for Web Development

أصبحت متصفحات الويب الحديثة قوية بما يكفي للتعامل مع مهام كانت تتطلب في السابق جهاز كمبيوتر مكتبي مخصص أو خادماً بعيداً. أصبح الناس الآن يحررون الصور، ويحللون الفحوصات الطبية، ويجرون محاكاة معقدة مباشرة في متصفحات الويب الخاصة بهم، مع إبقاء بياناتهم الخاصة على أجهزتهم بدلاً من إرسالها عبر الإنترنت. ومع ذلك، فإن اللغة التي تشغل هذه المواقع، وهي جافا سكريبت (JavaScript)، بُنيت مع قيد واحد: فهي تعالج التعليمات واحدة تلو الأخرى، مثل عامل واحد على خط تجميع. وبينما تحتوي الحواسيب الحديثة على معالجات متعددة قوية قادرة على العمل بالتوازي، فإن هذه الطبيعة أحادية المسار تترك معظم هذه القوة غير مستغلة. ولإصلاح ذلك، يمكن للمطورين إنشاء عمال منفصلين للتعامل مع المهام بشكل متزامن، ولكن القيام بذلك يتطلب إدارة يدوية لكيفية تواصل هؤلاء العمال مع بعضهم البعض، وكيفية تقسيم العمل، وكيفية دمج نتائجهم. هذه العملية صعبة، وعرضة للخطأ، وغالباً ما تثبط الناس عن استخدام الإمكانات الكاملة لأجهزتهم.

قام باحث من جامعة لينيوس ومعهد بليكينج للتكنولوجيا بتطوير حل يسمى "بارا ويب" (ParaWeb)، وهو أداة مصممة لجعل الحوسبة المتوازية متاحة لمطوري الويب دون مطالبتهم بأن يصبحوا خبراء في إدارة الأنظمة منخفضة المستوى. بنى الباحث مكتبة توفر عشر طرق قياسية لتنظيم العمل المتوازي، مثل تطبيق نفس العملية الحسابية على قائمة طويلة من العناصر، أو تقسيم مشكلة كبيرة إلى قطع أصغر لحلها في وقت واحد. ولكل من هذه الطرق العشر، توفر الأداة ثلاث طرق مختلفة لتشغيلها: طريقة ترسل رسائل بين العمال، وطريقة تسمح للعمال بمشاركة مساحة ذاكرة مشتركة لتجنب نسخ البيانات، وطريقة تنقل العمل إلى معالج الرسوميات الخاص بالكمبيوتر. اختبر الباحث هذه التطبيقات الثلاثين المختلفة على جهازي كمبيوتر مختلفين تماماً؛ أحدهما بمعالج من شركة أبل والآخر بمعالج من شركة إنتل مع بطاقة رسوميات مخصصة، ليرى مدى أدائها مقارنة بالنهج التقليدي أحادي المسار.

أظهرت النتائج أنه عندما يكون العمل ثقيلاً بما يكفي لتبرير الجهد المبذول، يمكن لهذه الطرق المتوازية أن تكون أسرع بشكل كبير. ففي جهاز أبل، وصلت سرعة نهج الذاكرة المشتركة على المعالج المركزي إلى 11.5 مرة أسرع من الطريقة القياسية عند استخدام ستة عشر مساراً. وكان نهج معالج الرسوميات أكثر قوة، حيث حقق تسارعاً وصل إلى 336 مرة لمهام معينة. ومع ذلك، وجد الباحث أن السرعة ليست مضمونة بمجرد وجود المزيد من البيانات للمعالجة. فإذا كانت العملية الحسابية لكل عنصر بسيطة للغاية، فإن الوقت المستغرق في تنظيم العمل المتوازي يفوق الوقت الذي يتم توفيره من خلال القيام به في وقت واحد. وقد حدد الباحث أن التنفيذ المتوازي يصبح مفيداً فقط بمجرد وصول العمل لكل عنصر إلى حد معين؛ فعلى سبيل المثال، مع العمليات الحسابية البسيطة جداً، كان النهج المتوازي أبطأ في الواقع حتى مع وجود ملايين العناصر، ولكن مع العمليات الأكثر تعقيداً، أصبح أسرع حتى مع وجود بضع مئات فقط من العناصر.

ولفهم كيفية أداء هذه الأداة في العالم الحقيقي، طبق الباحثها على حالة دراسية عملية: تصفية صورة عالية الدقة بدقة 4K. اختبر خمسة فلاتر مختلفة للصور، بما في ذلك التمويه، والحدة، وكشف الحواف. وفي الكمبيوتر ذي نظام الذاكرة الموحدة، حيث يتشارك المعالج وبطاقة الرسوميات نفس الذاكرة، أدى النهج المتوازي باستخدام معالج الرسوميات إلى تقليل الوقت اللازم لتطبيق فلتر "النقش" (emboss) المعقد من أكثر من 31 ثانية إلى 73 مللي ثانية فقط. لقد حول هذا المهمة التي كانت ستشعر المستخدم بانتظار طويل إلى تجربة فورية وتفاعلية. أما على الكمبيوتر الآخر، الذي استخدم بطاقة رسوميات منفصلة متصلة بكابل، فقد استغرقت المهمة نفسها وقتاً أطول لأن الوقت المطلوب لنقل بيانات الصورة من وإلى بطاقة الرسوميات كان هو المهيمن على العملية. وقد سلط هذا الضوء على نتيجة رئيسية: وهي أن فائدة استخدام معالج الرسوميات تعتمد بشدة على كيفية بناء الكمبيوتر.

كما قارن الباحث أداة عمله بمكتبة معروفة جيداً مكتوبة بلغة سي++ (C++)، وهي لغة معروفة بأدائها العالي. ووجد أنه بينما كانت نسخة سي++ أسرع بشكل عام، إلا أن الفرق كان صغيراً في الغالب، وعادة ما يكون ضمن عامل يتراوح بين مرتين إلى ثلاث مرات، باستثناء نوع واحد محدد من تصفية الصور حيث كان لنسخة سي++ ميزة كبيرة. ومن المثير للاهتمام أن الباحث اكتشف أنه بالنسبة للعديد من المهام، فإن الوقت المستغرق في نقل البيانات بين ذاكرة الكمبيوتر الرئيسية وبطاقة الرسوميات كان كبيراً لدرجة أن تحسين كود الحساب نفسه لم يؤثر تقريباً على الوقت الإجمالي. في الواقع، في أحد الأجهزة، كان برنامج الرسوميات المحسن يدوياً والمحسن للغاية أبطأ من النسخة العامة التي توفرها الأداة، لأن التعقيد الإضافي للتحسين لم يؤدِ إلى نتيجة مجزية عندما كان زمن نقل البيانات هو العائق الأساسي.

تثبت هذه الدراسة أن الأدوات عالية المستوى يمكن أن تنجح في جلب الحوسبة المتوازية إلى الويب، مما يسمح للمطورين بتسخير قوة المعالجات متعددة الأنوية وبطاقات الرسوميات الحديثة دون كتابة كود معقد. ويؤكد هذا العمل أنه بينما تكون هذه الأدوات سريعة للغاية للمهام الحسابية الثقيلة، إلا أنها ليست حلاً سحرياً لكل موقف. إن القرار باستخدامها يعتمد على تعقيد الحساب وعلى الأجهزة المحددة لجهاز المستخدم. ومن خلال تقديم خريطة واضحة لموعد عمل هذه الطرق ومتى لا تعمل، منح الباحث مطوري الويب المعرفة اللازمة لبناء تطبيقات أسرع وأكثر استجابة تحافظ على خصوصية بيانات المستخدم محلياً.