为什么说 Wasm 是 Web 的未来？

时间：2021-09-14 19:54:02

为什么说 Wasm 是 Web 的未来？

大家好，我是皮汤。过去两个月，我主要在研究 WebAssembly(WASM) 相关的内容，了解到 WASM 填补了 Web 一直以来缺失的部分：媲美原生的性能。对这方面有了一点心得，分享给大家。

为什么说 Wasm 是 Web 的未来？

这篇文章打算讲什么?

了解 WebAssembly 的前世今生，这一致力于让 Web 更广泛使用的伟大创造是如何在整个 Web/Node.js 的生命周期起作用的，探讨为什么 WASM 是 Web 的未来?

在整篇文章的讲解过程中，你可以了解到 WebAssembly 原生、AssemblyScript、Emscripten 编译器。

最后还对 WebAssembly 的未来进行了展望，列举了一些令人兴奋的技术的发展方向。

为什么需要 WebAssembly ?

动态语言之踵

首先先来看一下 JS 代码的执行过程：

为什么说 Wasm 是 Web 的未来？

上述是 Microsoft Edge 之前的 ChakraCore 引擎结构，目前 Microsoft Edge 的 JS 引擎已经切换为 V8 。

整体的流程就是：

  • 拿到了 JS 源代码，交给 Parser，生成 AST
  • ByteCode Compiler 将 AST 编译为字节码(ByteCode)
  • ByteCode 进入翻译器，翻译器将字节码一行一行翻译(Interpreter)为机器码(Machine Code)，然后执行

但其实我们平时写的代码有很多可以优化的地方，如多次执行同一个函数，那么可以将这个函数生成的 Machine Code 标记可优化，然后打包送到 JIT Compiler(Just-In-Time)，下次再执行这个函数的时候，就不需要经过 Parser-Compiler-Interpreter 这个过程，可以直接执行这份准备好的 Machine Code，大大提高的代码的执行效率。

但是上述的 JIT 优化只能针对静态类型的变量，如我们要优化的函数，它只有两个参数，每个参数的类型是确定的，而 JavaScript 却是一门动态类型的语言，这也意味着，函数在执行过程中，可能类型会动态变化，参数可能变成三个，第一个参数的类型可能从对象变为数组，这就会导致 JIT 失效，需要重新进行 Parser-Compiler-Interpreter-Execuation，而 Parser-Compiler 这两步是整个代码执行过程中最耗费时间的两步，这也是为什么 JavaScript 语言背景下，Web 无法执行一些高性能应用，如大型游戏、视频剪辑等。

静态语言优化

通过上面的说明了解到，其实 JS 执行慢的一个主要原因是因为其动态语言的特性，导致 JIT 失效，所以如果我们能够为 JS 引入静态特性，那么可以保持有效的 JIT，势必会加快 JS 的执行速度，这个时候 asm.js 出现了。

asm.js 只提供两种数据类型：

  • 32 位带符号整数
  • 64 位带符号浮点数

其他类似如字符串、布尔值或对象都是以数值的形式保存在内存中，通过 TypedArray 调用。整数和浮点数表示如下：

ArrayBuffer对象、TypedArray视图和DataView 视图是 JavaScript 操作二进制数据的一个接口，以数组的语法处理二进制数据，统称为二进制数组。参考 ArrayBuffer 。

  1. var a = 1;
  3. var x = a | 0; // x 是32位整数
  5. var y = +a; // y 是64位浮点数

而函数的写法如下：

  1. function add(x, y) {
  3. x = x | 0;
  5. y = y | 0;
  7. return (x + y) | 0;
  9. }

上述的函数参数及返回值都需要声明类型，这里都是 32 位整数。

而且 asm.js 也不提供垃圾回收机制，内存操作都是由开发者自己控制，通过 TypedArray 直接读写内存：

  1. var buffer = new ArrayBuffer(32768); // 申请 32 MB 内存
  2. var HEAP8 = new Int8Array(buffer); // 每次读 1 个字节的视图 HEAP8
  3. function compiledCode(ptr) {
  4. HEAP[ptr] = 12;
  5. return HEAP[ptr + 4];
  6. }

从上可见，asm.js 是一个严格的 JavaScript 子集要求变量的类型在运行时确定且不可改变，且去除了 JavaScript 拥有的垃圾回收机制，需要开发者手动管理内存。这样 JS 引擎就可以基于 asm.js 的代码进行大量的 JIT 优化，据统计 asm.js 在浏览器里面的运行速度，大约是原生代码(机器码)的 50% 左右。

推陈出新

但是不管 asm.js 再怎么静态化，干掉一些需要耗时的上层抽象(垃圾收集等)，也还是属于 JavaScript 的范畴，代码执行也需要 Parser-Compiler 这两个过程，而这两个过程也是代码执行中最耗时的。

为了极致的性能，Web 的前沿开发者们抛弃 JavaScript，创造了一门可以直接和 Machine Code 打交道的汇编语言 WebAssembly，直接干掉 Parser-Compiler，同时 WebAssembly 是一门强类型的静态语言，能够进行最大限度的 JIT 优化，使得 WebAssembly 的速度能够无限逼近 C/C++ 等原生代码。

相当于下面的过程：

为什么说 Wasm 是 Web 的未来？

无需 Parser-Compiler，直接就可以执行，同时干掉了垃圾回收机制，而且 WASM 的静态强类型语言的特性可以进行最大程度的 JIT 优化。

WebAssembly 初探

我们可以通过一张图来直观了解 WebAssembly 在 Web 中的位置：

为什么说 Wasm 是 Web 的未来？

WebAssembly(也称为 WASM)，是一种可在 Web 中运行的全新语言格式，同时兼具体积小、性能高、可移植性强等特点，在底层上类似 Web 中的 JavaScript，同时也是 W3C 承认的 Web 中的第 4 门语言。

为什么说在底层上类似 JavaScript，主要有以下几个理由：

  • 和 JavaScript 在同一个层次执行：JS Engine，如 Chrome 的 V8
  • 和 JavaScript 一样可以操作各种 Web API

同时 WASM 也可以运行在 Node.js 或其他 WASM Runtime 中。

WebAssembly 文本格式

实际上 WASM 是一堆可以直接执行二进制格式，但是为了易于在文本编辑器或开发者工具里面展示，WASM 也设计了一种 “中间态” 的文本格式，以 .``wat 或 .wast 为扩展命名，然后通过 wabt 等工具，将文本格式下的 WASM 转为二进制格式的可执行代码，以 .wasm 为扩展的格式。

来看一段 WASM 文本格式下的模块代码：

  1. (module
  2. (func $i (import "imports" "imported_func") (param i32))
  3. (func (export "exported_func")
  4. i32.const 42
  5. call $i
  6. )
  7. )

上述代码逻辑如下：

  • 首先定义了一个 WASM 模块，然后从一个 imports JS 模块导入了一个函数 imported_func ，将其命名为 $i ，接收参数 i32
  • 然后导出一个名为 exported_func 的函数，可以从 Web App，如 JS 中导入这个函数使用
  • 接着为参数 i32 传入 42，然后调用函数 $i

我们通过 wabt 将上述文本格式转为二进制代码：

  • 将上述代码复制到一个新建的，名为 simple.wat 的文件中保存
  • 使用 wabt 进行编译转换

当你安装好 wabt 之后，运行如下命令进行编译：

  1. wat2wasm simple.wat -o simple.wasm

虽然转换成了二进制，但是无法在文本编辑器中查看其内容，为了查看二进制的内容，我们可以在编译时加上 -v 选项，让内容在命令行输出：

  1. wat2wasm simple.wat -v

输出结果如下：

为什么说 Wasm 是 Web 的未来？

可以看到，WebAssembly 其实是二进制格式的代码，即使其提供了稍为易读的文本格式，也很难真正用于实际的编码，更别提开发效率了。

将 WebAssembly 作为编程语言的一种尝试

因为上述的二进制和文本格式都不适合编码，所以不适合将 WASM 作为一门可正常开发的语言。

为了突破这个限制，AssemblyScript 走到台前，AssemblyScript 是 TypeScript 的一种变体，为 JavaScript 添加了 WebAssembly 类型 ， 可以使用 Binaryen 将其编译成 WebAssembly。

WebAssembly 类型大致如下：

  • i32、u32、i64、v128 等
  • 小整数类型：i8、u8 等
  • 变量整数类型：isize、usize 等

Binaryen 会前置将 AssemblyScript 静态编译成强类型的 WebAssembly 二进制，然后才会交给 JS 引擎去执行，所以说虽然 AssemblyScript 带来了一层抽象，但是实际用于生产的代码依然是 WebAssembly，保有 WebAssembly 的性能优势。AssemblyScript 被设计的和 TypeScript 非常相似，提供了一组内建的函数可以直接操作 WebAssembly 以及编译器的特性.

内建函数：

  • 静态类型检查：
    • function isInteger(value?: T): ``bool 等
  • 实用函数：
    • function sizeof(): usize 等
  • 操作 WebAssembly：
    • function select(ifTrue: T, ifFalse: T, condition: ``bool``): T 等
    • function load(ptr: usize, immOffset?: usize): T 等
    • function clz(value: T): T 等
    • 数学操作
    • 内存操作
    • 控制流
    • SIMD
    • Atomics
    • Inline instructions

然后基于这套内建的函数向上构建一套标准库。

标准库：

  • Globals
  • Array
  • ArrayBuffer
  • DataView
  • Date
  • Error
  • Map
  • Math
  • Number
  • Set
  • String
  • Symbol
  • TypedArray

如一个典型的 Array 的使用如下：

  1. var arr = new Array(10)
  3. // arr[0]; // 会出错
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