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 i browser web al limite. L'approccio di "avvicinarsi al metallo" tramite l'interfaccia con linguaggi di livello inferiore per migliorare le prestazioni si riscontra in molti linguaggi di livello superiore. Ad esempio, Java dispone dell'interfaccia nativa Java. Per JavaScript, questo linguaggio di basso livello è WebAssembly. In questo articolo scoprirai che cos'è il linguaggio assembly e perché può essere utile sul web, poi imparerai come è stato creato WebAssembly tramite la soluzione provvisoria di asm.js.
Linguaggio assembly
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, esaminando Intel® 64 and IA-32 Architectures (PDF), l'istruzione MUL (per la multiplicazione) esegue una moltiplicazione non firmata del primo operando (operando di destinazione) e del secondo (operando di origine) e archivia il risultato nell'operando di destinazione. Molto semplificato, l'operando di destinazione è un operando implicito situato nel registro AX, mentre 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 il tuo compito è moltiplicare 5 e 10, probabilmente scriveresti un codice simile al seguente in JavaScript:
const factor1 = 5;
const factor2 = 10;
const result = factor1 * factor2;
Il vantaggio di seguire il percorso di assemblaggio è che questo codice di basso livello e ottimizzato per la macchina è molto più efficiente di un codice di alto livello e ottimizzato per l'uomo. Nel caso precedente non importa, ma si può immaginare che, per operazioni più complesse, la differenza possa essere significativa.
Come suggerisce il nome, il codice x86 dipende dall'architettura x86. E se esistesse un modo per scrivere codice assembly che non dipendesse da un'architettura specifica, ma che ereditasse i vantaggi in termini di prestazioni dell'assembly?
asm.js
Il primo passo per scrivere codice assembly senza dipendenze dall'architettura è stato asm.js, un sottoinsieme rigoroso di JavaScript che poteva essere utilizzato come linguaggio di destinazione efficiente a 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 consentito ai motori JavaScript di impiegare una strategia di compilazione per l'ottimizzazione anticipata (AOT) per un codice asm.js valido. Il codice scritto in linguaggi a tipizzazione statica con gestione manuale della memoria (come C) è stato tradotto da un compilatore source-to-source come la versione iniziale di Emscripten (basata su LLVM).
Le prestazioni sono state migliorate limitando le funzionalità linguistiche a quelle compatibili con AOT. Firefox 22 è stato il primo browser a supportare asm.js, rilasciato con il nome OdinMonkey. Nella versione 61, Chrome ha aggiunto il supporto per asm.js. Sebbene asm.js funzioni ancora nei browser, è stato sostituito da WebAssembly. A questo punto, il motivo per cui utilizzare asm.js è come alternativa per i browser che non supportano WebAssembly.
WebAssembly
WebAssembly è un linguaggio assembly di basso livello con un formato binario compatto che funziona con prestazioni quasi native e fornisce linguaggi come C/C++ e Rust e molti altri con un target di compilazione in modo che vengano eseguiti sul web. Il supporto per i linguaggi con gestione della memoria come Java e Dart è in fase di sviluppo e dovrebbe essere disponibile a breve o è già disponibile, come nel caso di Kotlin/Wasm. WebAssembly è progettato per funzionare insieme a JavaScript, consentendo a entrambi di lavorare insieme.
Oltre che nel browser, i programmi WebAssembly vengono eseguiti anche in altri ambienti di runtime grazie a WASI, l'interfaccia di sistema WebAssembly, un'interfaccia di sistema modulare per WebAssembly. WASI è stato creato per essere trasportabile su più sistemi operativi, con l'obiettivo di essere sicuro e di poter essere eseguito in un ambiente con sandbox.
Il codice WebAssembly (codice binario, ovvero bytecode) è progettato per essere eseguito su una macchina virtuale (VM) con stack virtuale portatile. Il bytecode è progettato per essere analizzato ed eseguito più velocemente di JavaScript e per avere una rappresentazione del codice compatta.
L'esecuzione concettuale delle istruzioni avviene tramite un contatore del programma tradizionale che avanza tra le istruzioni. In pratica, la maggior parte dei motori Wasm compila il bytecode Wasm in codice macchina e poi lo esegue. Le istruzioni si suddividono in due categorie:
- Le istruzioni di controllo che formano costrutti di controllo ed estraggono i valori degli argomenti dallo stack possono modificare il contatore del programma e inserire i valori del risultato nello stack.
- Istruzioni semplici che estraggono i valori degli argomenti dallo stack, applicano un operatore ai valori e poi inviano i valori del risultato allo stack, seguiti da un avanzamento implicito del contatore del programma.
Tornando all'esempio precedente, il seguente codice WebAssembly sarebbe equivalente al codice x86 all'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 in software, ovvero il suo codice può essere eseguito in qualsiasi motore JavaScript (anche se non ottimizzato), WebAssembly richiedeva nuove funzionalità concordate da tutti i fornitori di browser. Annunciato nel 2015 e rilasciato per la prima volta a marzo 2017, WebAssembly è diventato un consiglio del W3C il 5 dicembre 2019. Il W3C gestisce 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: testuale e binaria. Quello che vedi sopra è la rappresentazione testuale.
Rappresentazione testuale
La rappresentazione testuale si basa sulle espressioni S e in genere utilizza l'estensione di file .wat (per il formato di testo t di WebAssembly). Se vuoi, puoi scriverlo a mano. Prendendo l'esempio di moltiplicazione riportato sopra e rendendolo più utile non codificando più i fattori, probabilmente puoi capire il 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 di file .wasm non è destinato all'uso da parte di persone, né tantomeno alla loro creazione. Utilizzando 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 sono 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 facili da usare per le persone. È qui che entra in gioco un compilatore come Emscripten.
Ti consente di compilare da linguaggi di alto livello come C e C++. Esistono altri compilatori per altri linguaggi come Rust e molti altri. Prendi in considerazione il seguente codice C:
#include <stdio.h>
int main() {
printf("Hello World\n");
return 0;
}
In genere, compileresti questo programma C con il compilatore gcc.
$ gcc hello.c -o hello
Con Emscripten 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.
Esiste anche un modo per compilare in WebAssembly senza il wrapper HTML:
$ emcc hello.c -o hello.js
Come prima, 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, ad esempio con 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. A dire il vero, lavorare con WebAssembly può sembrare un po' come il meme su come disegnare un gufo, soprattutto perché gli sviluppatori web che conoscono HTML, CSS e JavaScript non sono necessariamente esperti di linguaggi da compilare come C. Fortunatamente ci sono canali come il tag webassembly di StackOverflow, in cui gli esperti sono spesso felici di aiutarti se li chiedi in modo gentile.
Ringraziamenti
Questo articolo è stato esaminato da Jakob Kummerow, Derek Schuff e Rachel Andrew.