Odkąd internet stał się platformą nie tylko do dokumentów, ale też aplikacji, niektóre z najbardziej zaawansowanych aplikacji przekroczyły możliwości przeglądarek internetowych. W wielu językach wyższego poziomu stosuje się podejście polegające na „zbliżaniu się do metalu” przez tworzenie interfejsów z językami niskiego poziomu w celu poprawy wydajności. Na przykład Java ma Java Native Interface. W przypadku JavaScriptu jest to WebAssembly. Z tego artykułu dowiesz się, czym jest język asemblistyczny i dlaczego może być przydatny w internecie. Poznasz też, jak powstał WebAssembly na podstawie tymczasowego rozwiązania asm.js.
Język asemblera
Czy kiedykolwiek programowałeś/programowałaś w języku asemblera? W programowaniu komputerowym język asemblera, często nazywany po prostu asemblerem i skrótem ASM lub asm, to dowolny niskopoziomowy język programowania, w którym instrukcje są bardzo zbliżone do instrukcji kodu maszynowego danej architektury.
Na przykład w przypadku architektury Intel® 64 i IA-32 (PDF) instrukcja MUL (multiplication) wykonuje nieoznaczone mnożenie pierwszego operanda (operand docelowy) przez drugiego operanda (operand źródłowy) i przechowuje wynik w operandzie docelowym. Upraszczając, operand docelowy to domyślny operand znajdujący się w rejestrze AX, a operand źródłowy znajduje się w rejestrze ogólnego przeznaczenia, np. CX. Wynik jest ponownie zapisywany w rejestrze AX. Rozważ ten przykład kodu x86:
mov ax, 5 ; Set the value of register AX to 5.
mov cx, 10 ; Set the value of register CX to 10.
mul cx ; Multiply the value of register AX (5)
; and the value of register CX (10), and
; store the result in register AX.
Jeśli np. musisz pomnożyć 5 x 10, prawdopodobnie napiszesz w JavaScriptie kod podobny do tego:
const factor1 = 5;
const factor2 = 10;
const result = factor1 * factor2;
Zaletą korzystania z asamblerów jest to, że taki kod niskiego poziomu zoptymalizowany przez maszynę jest znacznie wydajniejszy niż kod wysokiego poziomu zoptymalizowany przez człowieka. W tym przypadku nie ma to znaczenia, ale możesz sobie wyobrazić, że w przypadku bardziej złożonych operacji różnica może być znaczna.
Jak wskazuje nazwa, kod x86 jest zależny od architektury x86. Co, jeśli istnieje sposób tworzenia kodu w języku asembleryjskim, który nie zależy od konkretnej architektury, ale dziedziczy zalety wydajnościowe asemblera?
asm.js
Pierwszym krokiem do napisania kodu asemblera bez zależności od architektury był asm.js, czyli ścisły podzbiór JavaScriptu, który można było wykorzystać jako wydajny język docelowy niskiego poziomu dla kompilatorów. Ten podjęzyk skutecznie opisywał wirtualną maszynę w piaskownicy dla języków niebezpiecznych dla pamięci, takich jak C lub C++. Połączenie walidacji statycznej i dynamicznej umożliwiło silnikom JavaScript stosowanie strategii kompilacji z optymalizacją z wyprzedzeniem (AOT) dla poprawnego kodu asm.js. Kod napisany w językach ze statycznymi typami danych z ręcznym zarządzaniem pamięcią (np. C) został przetłumaczony przez kompilator typu source-to-source, np. wczesną wersję Emscripten (opracowaną na podstawie LLVM).
Wydajność została poprawiona dzięki ograniczeniu funkcji językowych do tych, które można zastosować w ramach kompilacji AOT. Firefox 22 był pierwszą przeglądarką, która obsługiwała asm.js, wydaną pod nazwą OdinMonkey. W wersji 61 przeglądarka Chrome dodała obsługę asm.js. Biblioteka asm.js nadal działa w przeglądarkach, ale została zastąpiona przez WebAssembly. W tej chwili asm.js można używać jako alternatywy dla przeglądarek, które nie obsługują WebAssembly.
WebAssembly
WebAssembly to niskopoziomowy język podobny do asemblera, który ma kompaktowy format binarny i działa z niemal natywną wydajnością. Umożliwia on kompilację wielu języków, takich jak C/C++ i Rust, a także wielu innych, tak aby mogły działać w internecie. Pracujemy nad obsługą języków zarządzających pamięcią, takich jak Java i Dart. Wkrótce powinny być dostępne, a w przypadku Kotlin/Wasm są już dostępne. WebAssembly jest przeznaczony do działania razem z JavaScriptem, co pozwala im współpracować.
Oprócz przeglądarki programy WebAssembly działają też w innych środowiskach uruchomieniowych dzięki WASI, czyli interfejsowi systemowemu WebAssembly. WASI jest projektowany tak, aby można było go przenosić między systemami operacyjnymi, zapewniając bezpieczeństwo i możliwość działania w środowisku piaskownicy.
Kod WebAssembly (kod binarny, czyli kod bajtowy) jest przeznaczony do uruchamiania na przenośnej maszynie wirtualnej. Bytekod jest szybciej parsowany i wykonowywany niż JavaScript, a jego reprezentacja kodu jest bardziej zwarta.
Teoretyczne wykonanie instrukcji odbywa się za pomocą tradycyjnego licznika programu, który przechodzi przez instrukcje. W praktyce większość silników Wasm kompiluje bajtowy kod Wasm na kod maszynowy, a potem go wykonuje. Instrukcje dzielą się na 2 kategorie:
- Instrukcje sterujące, które tworzą konstrukcje sterujące i wyrzucają wartości argumentów ze stosu, mogą zmieniać licznik programu i wrzucać wartości wyników na stos.
- Proste instrukcje, które wyjmują wartości argumentów ze stosu, stosują do nich operator, a potem wkładają wyniki na stos, po czym następuje domyślne przesunięcie licznika programu.
Wracając do poprzedniego przykładu, kod WebAssembly byłby równoważny kodom x86 z początku artykułu:
i32.const 5 ; Push the integer value 5 onto the stack.
i32.const 10 ; Push the integer value 10 onto the stack.
i32.mul ; Pop the two most recent items on the stack,
; multiply them, and push the result onto the stack.
Podczas gdy asm.js jest implementowany w oprogramowaniu, co oznacza, że jego kod może działać w dowolnym silniku JavaScript (nawet nieoptymalizowanym), WebAssembly wymagało nowych funkcji, które zostały uzgodnione przez wszystkich dostawców przeglądarek. WebAssembly zostało ogłoszone w 2015 r. i po raz pierwszy opublikowane w marcu 2017 r., a 5 grudnia 2019 r. zostało zalecane przez W3C. W3C utrzymuje standard z udziałem wszystkich głównych dostawców przeglądarek i innych zainteresowanych stron. Od 2017 r. obsługa przeglądarek jest uniwersalna.
WebAssembly ma 2 reprezentacje: tekstową i binarną. Powyżej widzisz reprezentację tekstową.
Tekstowa reprezentacja
Reprezentacja tekstowa opiera się na wyrażeniach S i zazwyczaj używa rozszerzenia pliku .wat (w formacie WebAssembly text). Jeśli naprawdę chcesz, możesz napisać go odręcznie. Powyższy przykład mnożenia można ulepszyć, usuwając z niego zakodowane na stałe czynniki, dzięki czemu kod będzie bardziej użyteczny. Prawdopodobnie zrozumiesz ten kod:
(module
(func $mul (param $factor1 i32) (param $factor2 i32) (result i32)
local.get $factor1
local.get $factor2
i32.mul)
(export "mul" (func $mul))
)
Reprezentacja binarna
Format binarny, który używa rozszerzenia pliku .wasm, nie jest przeznaczony do użytku przez ludzi, a tym bardziej do tworzenia przez nich. Za pomocą narzędzia takiego jak wat2wasm możesz przekonwertować powyższy kod na reprezentację binarną. (Komentarze zwykle nie są częścią reprezentacji binarnej, ale są dodawane przez narzędzie wat2wasm, aby ułatwić zrozumienie kodu).
0000000: 0061 736d ; WASM_BINARY_MAGIC
0000004: 0100 0000 ; WASM_BINARY_VERSION
; section "Type" (1)
0000008: 01 ; section code
0000009: 00 ; section size (guess)
000000a: 01 ; num types
; func type 0
000000b: 60 ; func
000000c: 02 ; num params
000000d: 7f ; i32
000000e: 7f ; i32
000000f: 01 ; num results
0000010: 7f ; i32
0000009: 07 ; FIXUP section size
; section "Function" (3)
0000011: 03 ; section code
0000012: 00 ; section size (guess)
0000013: 01 ; num functions
0000014: 00 ; function 0 signature index
0000012: 02 ; FIXUP section size
; section "Export" (7)
0000015: 07 ; section code
0000016: 00 ; section size (guess)
0000017: 01 ; num exports
0000018: 03 ; string length
0000019: 6d75 6c mul ; export name
000001c: 00 ; export kind
000001d: 00 ; export func index
0000016: 07 ; FIXUP section size
; section "Code" (10)
000001e: 0a ; section code
000001f: 00 ; section size (guess)
0000020: 01 ; num functions
; function body 0
0000021: 00 ; func body size (guess)
0000022: 00 ; local decl count
0000023: 20 ; local.get
0000024: 00 ; local index
0000025: 20 ; local.get
0000026: 01 ; local index
0000027: 6c ; i32.mul
0000028: 0b ; end
0000021: 07 ; FIXUP func body size
000001f: 09 ; FIXUP section size
; section "name"
0000029: 00 ; section code
000002a: 00 ; section size (guess)
000002b: 04 ; string length
000002c: 6e61 6d65 name ; custom section name
0000030: 01 ; name subsection type
0000031: 00 ; subsection size (guess)
0000032: 01 ; num names
0000033: 00 ; elem index
0000034: 03 ; string length
0000035: 6d75 6c mul ; elem name 0
0000031: 06 ; FIXUP subsection size
0000038: 02 ; local name type
0000039: 00 ; subsection size (guess)
000003a: 01 ; num functions
000003b: 00 ; function index
000003c: 02 ; num locals
000003d: 00 ; local index
000003e: 07 ; string length
000003f: 6661 6374 6f72 31 factor1 ; local name 0
0000046: 01 ; local index
0000047: 07 ; string length
0000048: 6661 6374 6f72 32 factor2 ; local name 1
0000039: 15 ; FIXUP subsection size
000002a: 24 ; FIXUP section size
Kompilowanie kodu na potrzeby WebAssembly
Jak widzisz, ani .wat, ani .wasm nie są szczególnie przyjazne dla użytkowników. Właśnie w takich sytuacjach przydaje się kompilator, taki jak Emscripten.
Umożliwia kompilowanie z języków wyższego poziomu, takich jak C i C++. Istnieją też inne kompilatory dla innych języków, np. Rust. Rozważ poniższy kod C:
#include <stdio.h>
int main() {
printf("Hello World\n");
return 0;
}
Zwykle kompilujesz program C za pomocą kompilatora gcc.
$ gcc hello.c -o hello
Po zainstalowaniu Emscripten możesz skompilować kod do WebAssembly za pomocą polecenia emcc i prawie tych samych argumentów:
$ emcc hello.c -o hello.html
Spowoduje to utworzenie pliku hello.wasm i pliku otulającego HTML hello.html. Gdy serwujesz plik hello.html z serwera internetowego, w konsoli Narzędzi deweloperskich zobaczysz wydrukowany tekst "Hello World".
Istnieje też sposób kompilowania do WebAssembly bez opakowania HTML:
$ emcc hello.c -o hello.js
Podobnie jak poprzednio, utworzy to plik hello.wasm, ale tym razem zamiast opakowania HTML będzie to plik hello.js. Aby przetestować, uruchom uzyskany plik JavaScript hello.js, na przykład za pomocą Node.js:
$ node hello.js
Hello World
Więcej informacji
To krótkie wprowadzenie do WebAssembly to tylko wierzchołek góry lodowej.
Więcej informacji o WebAssembly znajdziesz w dokumentacji WebAssembly na stronie MDN oraz w dokumentacji Emscripten. Prawdę mówiąc, praca z WebAssembly może przypominać trochę mem „Jak narysować sowę”, zwłaszcza że programiści stron internetowych znający HTML, CSS i JavaScript niekoniecznie znają języki, z których można kompilować, takie jak C. Na szczęście istnieją kanały takie jak tag webassembly na StackOverflow, gdzie eksperci chętnie udzielają pomocy, jeśli grzecznie o nią poprosisz.
Podziękowania
Ten artykuł został sprawdzony przez Jakob Kummerow, Derek Schuff i Rachel Andrew.