JS `WebAssembly System Interface (WASI)`：Wasm 在非浏览器环境的应用

各位朋友，大家好！今天咱们聊聊 WebAssembly System Interface (WASI)，这名字听着挺唬人，其实就是让 WebAssembly (Wasm) 这小子，走出浏览器，在更广阔的天地里撒欢儿的一套标准。

第一幕：Wasm 的前世今生

话说当年，Wasm 这孩子出生的时候，是被设计成浏览器里高性能的执行引擎。它的特点是：

小巧灵活： Wasm 代码体积小，加载速度快。
安全可靠： 运行在沙箱环境中，避免恶意代码损害系统。
性能卓越： 接近原生代码的执行效率。

但是，浏览器就那么大，Wasm 的舞台是不是有点小了？于是，大家就开始琢磨，能不能让 Wasm 走出浏览器，去服务器、嵌入式设备、甚至物联网设备上闯荡一番？

第二幕：走出舒适区 – WASI 登场

要让 Wasm 在浏览器之外运行，遇到的第一个问题就是：它怎么和操作系统打交道？在浏览器里，Wasm 可以通过 JavaScript 调用浏览器提供的 API，比如操作 DOM、发送网络请求等等。但是，在浏览器之外，这些 API 都没了，Wasm 就成了一个“与世隔绝”的程序，啥也干不了。

这时候，WASI 就应运而生了。WASI 就像一个“翻译官”，它定义了一套标准的接口，让 Wasm 程序可以通过这些接口，访问操作系统提供的各种服务，比如：

文件系统： 读写文件。
网络： 发送网络请求。
时钟： 获取当前时间。
随机数： 生成随机数。
环境变量： 获取环境变量。
标准输入/输出/错误： 进行输入输出操作。

有了 WASI，Wasm 程序就可以在不同的操作系统上运行，而不需要针对每个操作系统进行修改。这大大提高了 Wasm 的可移植性。

第三幕：WASI 的优势，不止一点点

WASI 的出现，给 Wasm 带来了很多优势：

可移植性： Wasm 程序可以在任何支持 WASI 的平台上运行，无需重新编译。这就像你写了一份简历，只要是招聘网站支持的格式，你就能上传，而不需要针对每个网站都重新写一份。
安全性： WASI 提供了细粒度的权限控制。Wasm 程序只能访问它被授权访问的资源。这就像一个房间，你可以给不同的人不同的钥匙，有些人只能打开门，有些人可以打开所有的抽屉。
性能： WASI 接口的设计考虑了性能，尽量避免不必要的开销。这就像高速公路，虽然有限速，但是比在乡间小路上跑还是快多了。
模块化： WASI 鼓励模块化的设计。Wasm 程序可以分解成小的、独立的模块，每个模块负责完成特定的任务。这就像乐高积木，你可以用不同的积木搭建出各种各样的东西。

第四幕：WASI 的应用场景，脑洞大开

有了 WASI，Wasm 的应用场景就变得非常广泛了：

服务器端应用： 运行高性能的 Web 服务、API 网关、无服务器函数等等。例如，可以用 Rust 编写一个 Wasm 模块，处理 HTTP 请求，然后用 WASI 将其部署到服务器上。
边缘计算： 在边缘设备上运行 Wasm 程序，进行数据处理、机器学习等等。例如，可以在智能摄像头上运行 Wasm 模块，进行人脸识别。
嵌入式系统： 在嵌入式设备上运行 Wasm 程序，控制硬件设备。例如，可以在智能家居设备上运行 Wasm 模块，控制灯光、温度等等。
区块链： 在区块链上运行 Wasm 智能合约，提高智能合约的执行效率和安全性。例如，可以使用 Rust 编写 Wasm 智能合约，然后将其部署到区块链上。
命令行工具： 开发跨平台的命令行工具。例如，可以使用 Rust 编写 Wasm 命令行工具，然后将其部署到 Windows、macOS 和 Linux 上。

第五幕：代码实战，手把手教你玩转 WASI

光说不练假把式，接下来咱们用代码来演示一下 WASI 的用法。

例子 1：Hello, WASI!

首先，我们需要安装一个支持 WASI 的 Wasm 运行时。这里我们使用 wasmer。

# 安装 wasmer
curl https://get.wasmer.io -sSfL | sh

接下来，我们用 Rust 编写一个简单的 Wasm 程序，打印 "Hello, WASI!"。

// main.rs
fn main() {
    println!("Hello, WASI!");
}

将 Rust 代码编译成 Wasm 代码：

# 安装 wasm32-wasi target
rustup target add wasm32-wasi

# 编译成 Wasm
cargo build --target wasm32-wasi --release

运行 Wasm 程序：

wasmer target/wasm32-wasi/release/hello_wasi.wasm

输出：

Hello, WASI!

例子 2：读取文件

接下来，我们编写一个 Wasm 程序，读取文件中的内容。

// main.rs
use std::fs::File;
use std::io::Read;

fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    let mut file = File::open("input.txt")?;
    let mut contents = String::new();
    file.read_to_string(&mut contents)?;
    println!("File contents: {}", contents);
    Ok(())
}

在程序运行之前，我们需要创建一个名为 input.txt 的文件，并写入一些内容。

echo "This is a test file." > input.txt

编译并运行 Wasm 程序：

cargo build --target wasm32-wasi --release
wasmer target/wasm32-wasi/release/read_file.wasm

输出：

File contents: This is a test file.

例子 3：使用环境变量

这个例子演示如何读取环境变量。

// main.rs
use std::env;

fn main() {
    match env::var("MY_VARIABLE") {
        Ok(val) => println!("MY_VARIABLE: {}", val),
        Err(_) => println!("MY_VARIABLE not found"),
    }
}

编译并运行 Wasm 程序，设置环境变量：

cargo build --target wasm32-wasi --release
MY_VARIABLE="Hello from environment!" wasmer target/wasm32-wasi/release/env_vars.wasm

输出：

MY_VARIABLE: Hello from environment!

第六幕：WASI 的未来，充满希望

WASI 仍然是一个发展中的标准，还有很多问题需要解决，比如：

标准化： WASI 的接口还需要进一步标准化，以确保不同 Wasm 运行时的兼容性。
工具链： 需要更完善的工具链，方便开发者开发和调试 WASI 程序。
生态系统： 需要更丰富的生态系统，提供各种各样的 WASI 模块和库。

但是，WASI 的潜力是巨大的。随着 WASI 的不断完善，Wasm 将会在更多的领域得到应用，成为未来软件开发的重要组成部分。

第七幕：WASI 相关资源，不迷路

WASI 官方网站： https://wasi.dev/
Wasmer 运行时： https://wasmer.io/
Wasmtime 运行时： https://wasmtime.dev/
Awesome WASI: https://github.com/second-state/awesome-wasi

总结

WASI 是一座桥梁，它连接了 Wasm 和操作系统，让 Wasm 能够走出浏览器，在更广阔的世界里发挥作用。虽然 WASI 还有很多需要完善的地方，但它的出现无疑为 Wasm 的发展开辟了新的道路。希望今天的分享能让你对 WASI 有一个更深入的了解。谢谢大家！

一些补充说明，表格化呈现WASI的特点和应用场景：

特性	描述
可移植性	Wasm 代码可以在任何支持 WASI 的平台上运行，无需修改或重新编译。这极大地简化了跨平台开发和部署。
安全性	WASI 采用 capability-based 安全模型，对 Wasm 模块的权限进行细粒度控制。模块只能访问明确授权的资源，降低了安全风险。
模块化	WASI 促进了模块化编程，允许将应用程序分解为更小的、独立的 Wasm 模块。这提高了代码的可维护性、可重用性，并简化了测试和调试。
高性能	Wasm 本身具有接近原生代码的执行效率，WASI 的设计也尽可能减少了性能开销。这使得 Wasm 成为对性能敏感的应用的理想选择。
标准化接口	WASI 提供了一组标准化的系统接口，使得 Wasm 模块可以以统一的方式访问底层操作系统功能。这简化了开发，并提高了不同 Wasm 运行时之间的兼容性。

应用场景	描述	示例
服务器端应用	运行高性能的 Web 服务、API 网关、无服务器函数等。Wasm 可以提供比传统容器更快的启动速度和更低的资源占用。	用 Rust 编写 Wasm 模块处理 HTTP 请求，然后部署到 WASI 兼容的服务器平台。
边缘计算	在边缘设备上运行 Wasm 程序，进行数据处理、机器学习等。Wasm 可以实现低延迟、高效率的边缘计算，并降低网络带宽需求。	在智能摄像头上运行 Wasm 模块进行人脸识别和对象检测，无需将数据传输到云端。
嵌入式系统	在嵌入式设备上运行 Wasm 程序，控制硬件设备。Wasm 可以实现跨平台的嵌入式开发，并提高设备的安全性。	在智能家居设备上运行 Wasm 模块控制灯光、温度和安防系统。
区块链	在区块链上运行 Wasm 智能合约，提高智能合约的执行效率和安全性。Wasm 可以提供比传统虚拟机更快的执行速度和更强的隔离性。	使用 Rust 编写 Wasm 智能合约，然后部署到支持 WASI 的区块链平台。
命令行工具	开发跨平台的命令行工具。Wasm 可以实现一次编译，到处运行，避免了为不同平台编译不同版本的麻烦。	使用 Rust 编写 Wasm 命令行工具，然后分发给 Windows、macOS 和 Linux 用户。
插件系统	构建安全、隔离的插件系统。Wasm 可以为应用程序提供可扩展性，同时保证核心系统的安全。	允许用户安装 Wasm 插件，扩展应用程序的功能。
游戏开发	使用 Wasm 开发高性能的游戏逻辑。Wasm 可以提供接近原生代码的性能，并支持多种编程语言。	使用 Rust 或 C++ 编写 Wasm 游戏引擎，然后在 Web 浏览器或原生平台上运行。
数据分析与科学计算	使用 Wasm 进行高性能的数据分析和科学计算。Wasm 可以加速数据处理过程，并降低资源消耗。	使用 Python 或 R 编写 Wasm 数据分析库，然后在 Web 浏览器或服务器端运行。

希望这些补充说明能更好地帮助你理解 WASI 的应用和优势。

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