快速了解WebAssembly工作原理

WASM虚拟机

关键特点：

• 安全沙箱：WASM虚拟机运行在一个严格控制的环境中，与宿主环境（如浏览器）的其他部分隔离，防止恶意代码损害用户系统或窃取数据。

• 栈式架构：WASM虚拟机基于栈式架构，这意味着它使用一个栈来存储操作数和执行计算，这种设计简化了编译过程，提高了执行效率。

• 二进制格式：WASM代码以紧凑的二进制格式存在，该格式易于解析和验证，同时也减少了网络传输的开销。

• 模块化：WASM程序组织成模块，这些模块可以导出和导入函数，便于与其他WASM模块或宿主环境（通常是JavaScript）进行交互。

• 可移植性：WASM虚拟机不依赖于特定的硬件或操作系统，确保了跨平台的一致性。

工作方式：

• 加载与验证：当一个WASM模块被加载到虚拟机中时，首先会进行验证，确保模块遵守WASM规范，没有非法操作或潜在的安全风险。

• 编译与执行：验证通过后，WASM虚拟机可以选择即时编译（JIT）WASM代码为机器码，或者直接解释执行。即时编译可以带来更好的运行时性能，而解释执行则有利于快速启动。

• 内存管理：WASM虚拟机管理一块线性内存区域，WASM代码通过索引直接访问这块内存。这与JavaScript的自动垃圾回收机制不同，给予了开发者更多的控制权，但也要求他们手动管理内存。

• 互操作性：WASM虚拟机通过接口与宿主环境（通常是浏览器的JavaScript运行时）交互，允许WASM模块调用JavaScript函数，反之亦然，实现两者之间的通信和数据交换。

WASM模块示例（假设已编译为example.wasm）

考虑一个非常基础的WASM模块，它只包含一个函数，用于计算两个数字的和：

(module
  (func $add (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
    local.get $x
    local.get $y
    i32.add
  )
  (export "add" (func $add))
)

这段WASM代码定义了一个名为add的函数，接受两个32位整数参数（$x 和 $y），返回它们的和。

JavaScript中加载和调用WASM模块

接下来，我们看如何在JavaScript中加载这个WASM模块并调用add函数：

// 异步加载WASM模块
WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('example.wasm'))
  .then(obj => {
    const { instance } = obj;
    
    // 获取并调用WASM中的add函数
    const add = instance.exports.add;
    
    // 使用函数
    const result = add(5, 10);
    console.log('5 + 10 =', result); // 应该输出 "5 + 10 = 15"
  })
  .catch(console.error);

这段JavaScript代码首先使用WebAssembly.instantiateStreaming方法异步加载WASM模块。成功加载后，从模块实例的exports属性中获取add函数，并像普通JavaScript函数那样调用它，传入参数并打印结果。

• 模块加载：WebAssembly.instantiateStreaming是一个便捷的方法，它会从指定URL加载WASM模块，并立即编译和实例化模块。如果需要更细粒度的控制，可以使用WebAssembly.instantiate方法。

• 互操作性：通过instance.exports，JavaScript可以访问WASM模块导出的所有函数、全局变量等。WASM函数在JavaScript中表现为常规函数，可以透明地调用。

• 类型系统：虽然WASM有自己严格的类型系统，但在与JavaScript交互时，类型会被自动转换以匹配JavaScript的动态类型系统。在这个例子中，WASM函数的整数参数和返回值可以自然地与JavaScript的Number类型配合使用。

字节码格式

ebAssembly（WASM）字节码是一种紧凑的、二进制的、低级别的指令集，设计用于高效地在Web环境中执行。它由一系列字节序列组成，这些序列代表了不同的操作码（opcodes）和操作数（operands），用于描述程序的逻辑和数据。

WASM字节码结构

WASM字节码文件由多个段（sections）组成，每个段都有一个1字节的ID和长度前缀，用于标识段类型和大小。常见的段类型包括：

• Custom Section (0x00)：自定义数据，如源映射信息。
• Type Section (0x01)：定义函数类型。
• Import Section (0x02)：声明外部导入的函数、表、内存和全局变量。
• Function Section (0x03)：列出模块定义的函数。
• Table Section (0x04)：定义表（数组-like结构，常用于函数指针）。
• Memory Section (0x05)：定义内存区域。
• Global Section (0x06)：定义全局变量。
• Export Section (0x07)：导出函数、表、内存或全局变量。
• Start Section (0x08)：指定模块的起始函数。
• Element Section (0x09)：初始化表的内容。
• Code Section (0x0a)：包含函数体的字节码。
• Data Section (0x0b)：初始化内存的数据。

深入分析

让我们通过一个简单的WASM函数，即添加两个数字的函数，来更详细地了解字节码：

(module
  (func $add (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
    get_local $x
    get_local $y
    i32.add
  )
  (export "add" (func $add))
)

对应的字节码（简化表示）可能如下：

00 61 73 6d 01 00 00 00 01 07 01 60 02 7f 7f 01 7f 03 02 01 00 0a 09 01 07 00 20 00 20 01 6a 0b 01 01 0a 05 01 03 61 64 64 00 00

• 00 61 73 6d: 文件头，标记为WebAssembly二进制格式。
• 01 00 00 00: 版本号，这里是1.0.0。
• 接下来是各个段的标识符和长度，例如：
  • 01 07: Type Section，长度7字节。
  • 03 02 01 00: Function Section，声明有一个函数类型。
  • 0a 09 01 07 00: Code Section，包含函数体的字节码。
• 函数体字节码示例：
  • 20 00: get_local $x，读取局部变量$x。
  • 20 01: get_local $y，读取局部变量$y。
  • 6a: i32.add，执行加法操作。

指令格式

WASM指令通常由一个操作码（1字节）加上零个或多个操作数组成。操作数的格式和数量取决于具体的指令。例如，get_local指令的操作码是0x20，后面跟着一个1字节的局部变量索引。

通过这样的结构和编码，WASM字节码不仅紧凑，而且便于快速解析和执行。它的设计使得WASM能够跨平台运行，同时保持接近原生代码的性能。

汇编与编译流程

WebAssembly（WASM）的开发流程通常涉及从高级语言（如C/C++、Rust等）编写代码，然后将其编译成WASM字节码，这一过程包括了源代码到汇编再到二进制的转换。

WebAssembly汇编语言

WASM汇编语言（或称文本格式）是一种人类可读的表示形式，与最终的二进制字节码一一对应。它使用助记符来表示WASM指令，使得开发者能够直接编写或查看WASM代码。例如，一个简单的加法函数在WASM汇编中可能这样表示：

(func $add (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
  get_local $x
  get_local $y
  i32.add
)

编译流程

从高级语言到WASM字节码的编译流程大致可以分为以下几个步骤：

• 源代码预处理：如果是C/C++等语言，首先通过预处理器处理源代码，包括宏展开、条件编译等。

• 编译到中间表示：使用相应的编译器（如Clang/LLVM、Emscripten或Rust的编译器）将源代码转换为一种中间表示（Intermediate Representation, IR）。对于LLVM来说，这是LLVM IR，这是一种高级、平台无关的表示形式。

• 优化：在中间表示层面上进行各种优化，包括死代码消除、循环优化、常量传播等，以提高代码效率。

• 转换为WASM IR：将优化后的中间表示转换为WebAssembly的中间表示（WASM IR）。WASM IR是WebAssembly模块的高级结构化表示，更接近于最终的WASM代码。

• 生成WASM文本或二进制：

  • 文本格式：可以先生成WASM汇编文本（.wat文件），便于阅读和调试。
  • 二进制格式：最终，WASM IR被编译成二进制格式（.wasm文件），这是可以直接在WebAssembly虚拟机上执行的形式。

• 链接：如果有多个WASM模块，还需要通过链接步骤将它们合并成一个完整的模块。

代码深度分析示例 以C语言为例，考虑下面的简单函数：

int add(int x, int y) {
  return x + y;
}

通过Emscripten编译器编译此代码，会经历上述流程，最终生成WASM二进制。如果查看生成的WASM文本格式，可能会看到类似于前面提到的汇编代码。每一步转换都涉及详细的指令映射和数据布局调整，确保生成的WASM代码既有效率又符合规范。

WebAssembly的编译流程是一个从高级语言到中间表示，再到WASM IR，最终产出二进制字节码的过程。这个过程中包含了多层的转换和优化，旨在保证代码的性能、安全性和跨平台性。

WASM与Emscripten

Emscripten是一个开源的LLVM到JavaScript的编译器套装，它使得C和C++等语言编写的代码能够被编译成WebAssembly（WASM）或JavaScript，从而在Web浏览器中运行。Emscripten在WASM生态系统中扮演着重要角色，

1. 编译工具链:

Emscripten提供了一个完整的工具链，包括编译器、链接器、运行时库等，这些工具都是为了将C/C++代码转换为WebAssembly或JavaScript而设计。它利用LLVM（Low Level Virtual Machine）作为后端，将源代码编译成中间表示（IR），然后转换为目标格式。

2. WASM支持:

Emscripten是最早支持WebAssembly的项目之一，它允许开发者直接将C/C++代码编译成WASM二进制格式，而不是JavaScript。这对于需要高性能计算的Web应用尤其重要，因为WASM提供了接近原生的执行速度。

3. 兼容性和优化:

Emscripten确保生成的WASM代码与Web标准兼容，同时通过多种优化技术（如内联缓存、死代码消除、循环展开等）来提升代码性能。它还提供了一些特定于Web的特性支持，如WebGL、Web Workers和Asyncify（用于模拟异步行为）。

4. 系统库和API:

Emscripten附带了一系列针对Web环境优化的系统库和API，如emscripten.js，它帮助WASM模块与JavaScript环境交互，以及处理内存管理和线程仿真等问题。此外，Emscripten还支持POSIX API的子集，使得许多原本为Linux编写的C/C++程序能更容易地移植到Web上。

5. 开发工作流:

使用Emscripten，开发者可以利用熟悉的 C/C++ 工具链进行开发，然后通过简单的命令行工具将其编译成WASM。这简化了高性能Web应用的开发流程，尤其是对于那些需要复用现有 C/C++ 代码库的项目。

6. 社区和生态系统:

Emscripten拥有活跃的开发者社区和丰富的文档资源，这为解决编译问题、分享最佳实践和推动技术创新提供了坚实的基础。随着WebAssembly的普及，Emscripten的重要性也在不断提升，成为了连接传统桌面应用和现代Web平台的重要桥梁。