JS `WebAssembly` `GC Proposal`：Wasm 如何集成宿主语言的垃圾回收

各位观众老爷们，大家好！今天咱们来聊聊WebAssembly（简称Wasm）的GC提案，这可是个能让Wasm“如虎添翼”的大杀器。

Wasm GC：让Wasm不再孤单

Wasm本身是一种低级的、可移植的字节码格式，非常适合性能密集型的计算。但它有个小小的遗憾：缺乏内置的垃圾回收（GC）机制。这意味着，如果你的Wasm模块想操作复杂的数据结构（比如JavaScript中的对象），就需要自己手动管理内存，或者依赖宿主环境提供的内存管理功能。

这种方式有几个问题：

心智负担重：手动管理内存容易出错，而且会分散开发者精力，降低开发效率。
性能损耗大：Wasm和宿主环境之间的数据交互往往需要进行序列化和反序列化，这会带来额外的性能开销。
互操作性差：不同的宿主环境提供的内存管理API可能不同，这会降低Wasm模块的可移植性。

Wasm GC提案的目的，就是解决这些问题。它希望在Wasm中引入一种标准的、可移植的垃圾回收机制，让Wasm模块可以更方便地与宿主语言（比如JavaScript）进行互操作，并且避免手动管理内存的麻烦。

Wasm GC提案的核心思想

Wasm GC提案的核心思想是：

引入新的Wasm类型：包括引用类型（rtt）和结构体类型（struct）等，用于表示垃圾回收的对象。
定义一组新的Wasm指令：用于创建、访问和操作垃圾回收的对象。
提供一种标准的GC接口：允许Wasm模块与宿主环境共享垃圾回收堆，实现零拷贝的数据共享。

简单来说，Wasm GC提案就像是在Wasm中构建了一个“小型的Java虚拟机”，让Wasm模块可以像Java程序一样，方便地创建和管理对象，而不用担心内存泄漏的问题。

Wasm GC提案的主要特性

Wasm GC提案包含以下几个主要特性：

类型化的对象：Wasm GC支持多种类型的对象，包括结构体、数组和字符串等。每个对象都有一个类型标签，用于在运行时进行类型检查。
结构体（Structs）：结构体是一种复合数据类型，可以包含多个字段。结构体字段可以是基本类型（比如整数、浮点数）或引用类型（指向其他对象的指针）。
数组（Arrays）：数组是一种有序的元素集合，所有元素都具有相同的类型。
引用类型（References）：引用类型用于指向其他对象。Wasm GC支持两种引用类型：
- rtt.anyref：可以指向任何类型的对象。
- rtt.structref：只能指向结构体类型的对象。
GC指令：Wasm GC提供了一组新的指令，用于创建、访问和操作垃圾回收的对象。例如：
- struct.new：用于创建新的结构体对象。
- struct.get：用于读取结构体字段的值。
- struct.set：用于设置结构体字段的值。
- array.new：用于创建新的数组对象。
- array.get：用于读取数组元素的值。
- array.set：用于设置数组元素的值。
GC集成：Wasm GC允许Wasm模块与宿主环境共享垃圾回收堆。这意味着，Wasm模块可以直接访问宿主环境中的对象，而无需进行序列化和反序列化。

Wasm GC的代码示例

为了更好地理解Wasm GC，咱们来看几个代码示例。

示例1：创建一个简单的结构体

假设我们要创建一个表示点的结构体，包含x和y两个字段。在Wasm中，我们可以这样定义：

(module
  (type $point_type (struct (field i32) (field i32)))

  (func $create_point (result (ref $point_type))
    (struct.new $point_type
      (i32.const 10)  ;; x = 10
      (i32.const 20)  ;; y = 20
    )
  )

  (export "create_point" (func $create_point))
)

这段代码定义了一个名为$point_type的结构体类型，包含两个i32类型的字段。$create_point函数用于创建一个新的$point_type对象，并将x和y字段分别设置为10和20。

示例2：访问结构体字段

假设我们已经创建了一个$point_type对象，现在要读取它的x和y字段的值。在Wasm中，我们可以这样操作：

(module
  (type $point_type (struct (field i32) (field i32)))

  (func $get_x (param (ref $point_type)) (result i32)
    (local.get 0)
    (struct.get $point_type 0)  ;; 获取x字段的值
  )

  (func $get_y (param (ref $point_type)) (result i32)
    (local.get 0)
    (struct.get $point_type 1)  ;; 获取y字段的值
  )

  (export "get_x" (func $get_x))
  (export "get_y" (func $get_y))
)

这段代码定义了两个函数$get_x和$get_y，分别用于读取$point_type对象的x和y字段的值。struct.get指令用于访问结构体字段。

示例3：创建一个数组

假设我们要创建一个包含5个整数的数组。在Wasm中，我们可以这样定义：

(module
  (type $int_array_type (array i32))

  (func $create_array (result (ref $int_array_type))
    (i32.const 5)  ;; 数组长度
    (array.new $int_array_type)
  )

  (export "create_array" (func $create_array))
)

这段代码定义了一个名为$int_array_type的数组类型，元素类型为i32。$create_array函数用于创建一个新的$int_array_type对象，长度为5。

示例4：访问数组元素

假设我们已经创建了一个$int_array_type对象，现在要读取它的第一个元素的值。在Wasm中，我们可以这样操作：

(module
  (type $int_array_type (array i32))

  (func $get_element (param (ref $int_array_type)) (result i32)
    (local.get 0)
    (i32.const 0)  ;; 索引
    (array.get $int_array_type)  ;; 获取第一个元素的值
  )

  (export "get_element" (func $get_element))
)

这段代码定义了一个函数$get_element，用于读取$int_array_type对象的第一个元素的值。array.get指令用于访问数组元素.

Wasm GC与JavaScript的互操作

Wasm GC提案的一个重要目标是实现Wasm模块与JavaScript的零拷贝数据共享。这意味着，Wasm模块可以直接访问JavaScript中的对象，而无需进行序列化和反序列化。

为了实现这一点，Wasm GC提案引入了一种特殊的引用类型externref，用于表示宿主环境中的对象。Wasm模块可以通过externref类型与JavaScript进行交互。

示例5：在Wasm中访问JavaScript对象

假设我们想在Wasm中访问JavaScript中的一个字符串对象。在JavaScript中，我们可以这样：

const wasmInstance = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'), {
  env: {
    log_string: (str) => { console.log(str); }
  }
});

const jsString = "Hello from JavaScript!";
wasmInstance.instance.exports.print_string(jsString);

在Wasm中，我们可以这样定义：

(module
  (import "env" "log_string" (func $log_string (param externref)))

  (func $print_string (param externref)
    (call $log_string (local.get 0))
  )

  (export "print_string" (func $print_string))
)

在这个例子中，JavaScript代码将一个字符串对象传递给Wasm模块的print_string函数。print_string函数接收一个externref类型的参数，表示JavaScript中的字符串对象。然后，print_string函数调用log_string函数，将字符串对象传递给JavaScript的console.log函数进行打印。

Wasm GC的优势

Wasm GC提案带来了以下几个显著的优势：

简化开发：开发者无需手动管理内存，可以专注于业务逻辑的实现。
提高性能：Wasm模块与宿主环境之间的数据共享无需进行序列化和反序列化，可以显著提高性能。
增强互操作性：Wasm模块可以更方便地与宿主语言进行交互，实现更强大的功能。
提高安全性：垃圾回收机制可以防止内存泄漏和野指针等安全问题。

Wasm GC的挑战

Wasm GC提案也面临着一些挑战：

GC算法的选择：Wasm GC需要选择一种合适的垃圾回收算法，以满足不同应用场景的需求。
与现有Wasm代码的兼容性：Wasm GC需要与现有的Wasm代码保持兼容，避免破坏现有的生态系统。
性能优化：Wasm GC需要在性能方面进行优化，以确保Wasm模块的性能不受影响。
工具链支持：需要开发相应的工具链，以便开发者可以更方便地使用Wasm GC。

Wasm GC的未来展望

Wasm GC提案目前仍在开发中，但已经取得了很大的进展。预计在不久的将来，Wasm GC将会成为Wasm的标准特性之一，为Wasm的发展带来新的动力。

可以预见，Wasm GC将会被广泛应用于以下领域：

Web应用：Wasm GC可以用于构建更复杂、更高性能的Web应用，例如游戏、图形渲染和音视频处理等。
服务器端应用：Wasm GC可以用于构建更高效、更安全的服务器端应用，例如微服务和函数计算等。
嵌入式系统：Wasm GC可以用于构建更可靠、更安全的嵌入式系统，例如智能家居和工业控制等。

总结

Wasm GC提案是Wasm发展的重要一步。它将为Wasm带来更强大的功能、更高的性能和更好的互操作性，推动Wasm在各个领域的应用。虽然Wasm GC还面临着一些挑战，但相信在社区的共同努力下，这些挑战将会被克服，Wasm GC将会成为Wasm生态系统中不可或缺的一部分。

希望今天的讲座对大家有所帮助！感谢各位观众老爷的观看，咱们下期再见！

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