Da quando il web è diventato una piattaforma non solo per i documenti ma anche per le app, alcune delle app più avanzate hanno spinto al massimo i browser web. L'approccio di "più vicino al metal" interfacciandosi con linguaggi di livello inferiore al fine di migliorare le prestazioni si trova in molti linguaggi di livello superiore. Ad esempio, Java ha l'interfaccia nativa Java. Per JavaScript, il linguaggio di livello inferiore è WebAssembly. In questo articolo scoprirai che cos'è il linguaggio assembly e perché può essere utile sul web, quindi scoprirai come WebAssembly è stato creato tramite la soluzione provvisoria di asm.js.
Linguaggio assemblativo
Hai mai programmato in linguaggio assembly? Nella programmazione informatica, il linguaggio assembly, spesso indicato semplicemente come Assembly e comunemente abbreviato come ASM o asm, è qualsiasi linguaggio di programmazione di basso livello con una corrispondenza molto forte tra le istruzioni nel linguaggio e le istruzioni del codice macchina dell'architettura.
Ad esempio, osservando le architetture Intel® 64 e IA-32 (PDF), l'istruzione MUL (per la multilicazione) esegue una moltiplicazione senza firma del primo operando (operando di destinazione) e del secondo (operando di origine) e memorizza il risultato nell'operando di destinazione. Molto semplificato, l'operando di destinazione è un operando implicito situato nel registro AX e l'operando di origine si trova in un registro generico come CX. Il risultato viene memorizzato di nuovo nel registro AX. Considera il seguente esempio di codice 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.
Per fare un confronto, se hai il compito di moltiplicare 5 e 10, probabilmente scriverai un codice simile al seguente in JavaScript:
const factor1 = 5;
const factor2 = 10;
const result = factor1 * factor2;
Il vantaggio di procedere nella procedura di assemblaggio è che questo codice di basso livello ottimizzato per le macchine è molto più efficiente del codice di alto livello ottimizzato per l'utente. Nel caso precedente non è importante, ma si può immaginare che per operazioni più complesse la differenza può essere significativa.
Come suggerisce il nome, il codice x86 dipende dall'architettura x86. E se ci fosse un modo di scrivere codice di assemblaggio che non dipende da un'architettura specifica, ma che erediti i vantaggi in termini di prestazioni dell'assemblaggio?
asm.js
Il primo passaggio per scrivere codice assembly senza dipendenze dell'architettura è stato asm.js, un sottoinsieme rigoroso di JavaScript che poteva essere utilizzato come linguaggio di destinazione efficiente e di basso livello per i compilatori. Questo sottolinguaggio descriveva in modo efficace una macchina virtuale con sandbox per linguaggi non sicuri per la memoria come C o C++. Una combinazione di convalida statica e dinamica ha permesso ai motori JavaScript di utilizzare un'ottimizzazione della strategia di compilazione anticipata (AOT) per il codice asm.js valido. Il codice scritto in linguaggi di tipo statico con gestione manuale della memoria (come il C) è stato tradotto da un compilatore source-to-source come early Emscripten (basato su LLVM).
Il rendimento è stato migliorato limitando le funzionalità linguistiche a quelle supportate dall'AOT. Firefox 22 è stato il primo browser a supportare asm.js, rilasciato con il nome di OdinMonkey. Chrome ha aggiunto il supporto per asm.js nella versione 61. Anche se asm.js continua a funzionare nei browser, è stato sostituito da WebAssembly. A questo punto, il motivo per utilizzare asm.js potrebbe essere un'alternativa per i browser che non supportano WebAssembly.
WebAssembly
WebAssembly è un linguaggio simile all'assemblaggio di basso livello con un formato binario compatto che viene eseguito con prestazioni quasi native e fornisce linguaggi come C/C++ e Rust e molti altri con una destinazione di compilazione in modo che vengano eseguiti sul web. Il supporto per linguaggi gestiti dalla memoria come Java e Dart è in fase di realizzazione e dovrebbe essere reso disponibile a breve o è già disponibile, come nel caso di Kotlin/Wasm. WebAssembly è progettato per essere eseguito insieme a JavaScript, in modo che entrambi possano funzionare insieme.
Oltre al browser, i programmi WebAssembly vengono eseguiti anche in altri runtime grazie a WASI, la WebAssembly System Interface, un'interfaccia di sistema modulare per WebAssembly. WASI è stato creato per essere portabile su più sistemi operativi, con l'obiettivo di essere sicuro e di essere eseguito in un ambiente limitato tramite sandbox.
Il codice WebAssembly (codice binario, ovvero bytecode) deve essere eseguito su una macchina virtuale (VM) portatile. Il bytecode è progettato per essere più veloce da analizzare ed eseguire rispetto a JavaScript e avere una rappresentazione compatta del codice.
L'esecuzione concettuale delle istruzioni avviene per mezzo di un tradizionale contatore di programmi che avanza nelle istruzioni. In pratica, la maggior parte dei motori Wasm compila il bytecode Wasm nel codice macchina e poi lo esegue. Le istruzioni rientrano in due categorie:
- Le istruzioni di controllo che formano i costrutti di controllo e che estraggono i valori dell'argomento dallo stack, possono cambiare il contatore del programma ed eseguire il push dei valori dei risultati nello stack.
- Istruzioni semplici che estraggono i valori degli argomenti dalla pila, applicano un operatore ai valori e quindi trasferiscono i valori dei risultati nello stack, seguiti da un avanzamento implicito del contatore del programma.
Tornando all'esempio precedente, il seguente codice WebAssembly sarebbe equivalente al codice x86 dell'inizio dell'articolo:
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.
Sebbene asm.js sia implementato interamente nel software, il suo codice può essere eseguito in qualsiasi motore JavaScript (anche se non ottimizzato), WebAssembly ha richiesto nuove funzionalità concordate tra tutti i fornitori di browser. Annunciato nel 2015 e rilasciato per la prima volta a marzo 2017, WebAssembly è diventato un consiglio di W3C il 5 dicembre 2019. W3C mantiene lo standard con il contributo di tutti i principali fornitori di browser e di altre parti interessate. Dal 2017, il supporto dei browser è universale.
WebAssembly ha due rappresentazioni: textual e binary. Quello che vedi sopra è la rappresentazione testuale.
Rappresentazione testuale
La rappresentazione testuale si basa su espressioni S e utilizza comunemente l'estensione del file .wat (per il formato WebAssembly text). Se proprio vuoi, puoi scriverlo a mano. Prendendo l'esempio di moltiplicazione sopra riportato e rendendolo più utile evitando più l'hardcoded dei fattori, probabilmente potresti dare un senso al seguente codice:
(module
(func $mul (param $factor1 i32) (param $factor2 i32) (result i32)
local.get $factor1
local.get $factor2
i32.mul)
(export "mul" (func $mul))
)
Rappresentazione binaria
Il formato binario che utilizza l'estensione del file .wasm non è destinato al consumo umano, men che meno alla creazione di essere umani. Usando uno strumento come wat2wasm, puoi convertire il codice riportato sopra nella seguente rappresentazione binaria. (di solito i commenti non fanno parte della rappresentazione binaria, ma vengono aggiunti dallo strumento wat2wasm per una migliore comprensibilità).
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
Compilazione in WebAssembly
Come puoi vedere, né .wat né .wasm sono particolarmente adatti alle persone. È qui che entra in gioco un compilatore come Emscripten.
Ti permette di compilare da linguaggi di livello superiore come C e C++. Esistono altri compilatori per altri linguaggi come Rust e molti altri. Considera il seguente codice C:
#include <stdio.h>
int main() {
printf("Hello World\n");
return 0;
}
Solitamente si compila questo programma C con il compilatore gcc.
$ gcc hello.c -o hello
Se Emscripten è installato, puoi compilarlo in WebAssembly utilizzando il comando emcc e quasi gli stessi argomenti:
$ emcc hello.c -o hello.html
Verrà creato un file hello.wasm e il file wrapper HTML hello.html. Quando pubblichi il file hello.html da un server web, vedrai "Hello World" stampato nella console DevTools.
C'è anche un modo per compilare WebAssembly senza il wrapper HTML:
$ emcc hello.c -o hello.js
Come in precedenza, verrà creato un file hello.wasm, ma questa volta un file hello.js anziché il wrapper HTML. Per il test, esegui il file JavaScript risultante hello.js con, ad esempio, Node.js:
$ node hello.js
Hello World
Scopri di più
Questa breve introduzione a WebAssembly è solo la punta dell'iceberg.
Scopri di più su WebAssembly nella documentazione di WebAssembly su MDN
e consulta la documentazione di Emscripten. In realtà, lavorare con WebAssembly può sembrare un po' come come disegnare un meme del gufo, soprattutto perché gli sviluppatori web che hanno dimestichezza con HTML, CSS e JavaScript non sono necessariamente esperti nei linguaggi to be-compiled-from come C. Fortunatamente esistono canali come il tag webassembly di StackOverflow, in cui gli esperti sono spesso lieti di aiutarti se chiedi gentilmente.
Ringraziamenti
Questo articolo è stato esaminato da Jakob Kummerow, Derek Schuff e Rachel Andrew.