解释 WebAssembly 工具链 (如 Binaryen, Wabt) 如何将其他语言编译为 Wasm，以及 JavaScript 如何与之交互。

各位朋友，大家好！今天咱们聊聊WebAssembly（简称Wasm）这玩意儿，以及那些帮助其他语言“变身”成Wasm的工具链，还有JavaScript如何跟它“眉来眼去”的。 准备好了吗？ Let’s dive in!

开场白：Wasm 是个啥？

简单来说，Wasm是一种为基于堆栈的虚拟机设计的二进制指令格式。它不是一种编程语言，而是一种编译目标。你可以把它想象成一种通用的“汇编语言”，但运行在虚拟机上，而不是直接运行在硬件上。 它的主要目标是：

• 速度快： 比 JavaScript 快得多，因为它是预编译的。
• 体积小： 二进制格式，体积比 JavaScript 小。
• 安全： 运行在沙箱环境中，不能直接访问操作系统。
• 可移植： 可以在各种平台上运行，只要有 Wasm 虚拟机。

第一部分：Wasm 工具链大点兵

为了让其他语言（例如C、C++、Rust）能够编译成Wasm，我们需要一些强大的工具链。其中最著名的就是 Binaryen 和 Wabt 了。

• Binaryen：Wasm 的“优化大师”

  Binaryen 是一个编译器和工具链基础设施库，用于 WebAssembly。它主要负责优化 Wasm 代码，使其更小、更快。 你可以把 Binaryen 想象成 Wasm 代码的“健身教练”，专门负责帮 Wasm 代码“减肥塑形”，让它跑得更快。

  Binaryen 的主要功能包括：

  • 优化（Optimization）： 对 Wasm 代码进行各种优化，例如死代码消除、常量折叠、内联等。
  • 验证（Validation）： 确保 Wasm 代码的有效性，防止出现安全问题。
  • 转换（Transformation）： 将 Wasm 代码转换为不同的格式，例如文本格式（WAT）或二进制格式（Wasm）。

  Binaryen 提供了一系列的命令行工具，例如：

  • wasm-opt：用于优化 Wasm 代码。
  • wasm-validate：用于验证 Wasm 代码。
  • wasm-as：用于将 WAT 格式转换为 Wasm 格式。
  • wasm-dis：用于将 Wasm 格式转换为 WAT 格式。

  代码示例：使用 wasm-opt 优化 Wasm 代码

  假设我们有一个名为 my_module.wasm 的 Wasm 文件，我们可以使用 wasm-opt 对其进行优化：

  wasm-opt -O3 my_module.wasm -o my_module_optimized.wasm

  -O3 表示使用最高级别的优化。-o 指定输出文件名。

• Wabt：Wasm 的“调试神器”

  Wabt (WebAssembly Binary Toolkit) 是一套用于 WebAssembly 的工具，包括将 Wasm 转换为人类可读的文本格式（WAT）、验证 Wasm 代码、运行 Wasm 代码等。 你可以把 Wabt 想象成 Wasm 代码的“调试神器”，可以帮助我们更好地理解 Wasm 代码。

  Wabt 的主要功能包括：

  • WAT 转换（WAT Conversion）： 将 Wasm 代码转换为 WAT 格式，方便阅读和调试。
  • 验证（Validation）： 确保 Wasm 代码的有效性。
  • 解释器（Interpreter）： 运行 Wasm 代码，方便调试。
  • 汇编器（Assembler）： 将 WAT 格式转换为 Wasm 格式。

  Wabt 提供了一系列的命令行工具，例如：

  • wasm2wat：用于将 Wasm 格式转换为 WAT 格式。
  • wat2wasm：用于将 WAT 格式转换为 Wasm 格式。
  • wasm-validate：用于验证 Wasm 代码。
  • wasm-interp：用于运行 Wasm 代码。

  代码示例：使用 wasm2wat 将 Wasm 转换为 WAT

  假设我们有一个名为 my_module.wasm 的 Wasm 文件，我们可以使用 wasm2wat 将其转换为 WAT 格式：

  wasm2wat my_module.wasm -o my_module.wat

  -o 指定输出文件名。

  WAT 格式示例

  下面是一个简单的 WAT 格式的 Wasm 模块：

  (module
    (func $add (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.add
    )
    (export "add" (func $add))
  )

  这个模块定义了一个名为 add 的函数，它接受两个 i32 类型的参数，返回一个 i32 类型的结果。该函数将两个参数相加，然后返回结果。

第二部分：其他语言如何“变身”成 Wasm？

现在我们知道了 Binaryen 和 Wabt 这两个强大的工具，接下来我们看看其他语言是如何通过它们“变身”成 Wasm 的。

• C/C++ 到 Wasm：Emscripten 的魔力

  Emscripten 是一个完整的工具链，可以将 C/C++ 代码编译成 Wasm。它使用 LLVM 作为后端，将 C/C++ 代码编译成 LLVM IR，然后将 LLVM IR 编译成 Wasm。

  Emscripten 的主要功能包括：

  • C/C++ 编译器： 将 C/C++ 代码编译成 Wasm。
  • JavaScript 胶水代码： 生成 JavaScript 代码，用于加载和运行 Wasm 模块。
  • 模拟 POSIX 环境： 提供一个模拟的 POSIX 环境，方便 C/C++ 代码的移植。

  代码示例：使用 Emscripten 将 C 代码编译成 Wasm

  假设我们有一个名为 add.c 的 C 文件，内容如下：

  #include <stdio.h>
  
  int add(int a, int b) {
    return a + b;
  }
  
  int main() {
    printf("%dn", add(1, 2));
    return 0;
  }

  我们可以使用 Emscripten 将其编译成 Wasm：

  emcc add.c -o add.html

  这条命令会生成三个文件：

  • add.html：一个 HTML 文件，用于加载和运行 Wasm 模块。
  • add.js：一个 JavaScript 文件，包含加载和运行 Wasm 模块的代码。
  • add.wasm：一个 Wasm 文件，包含编译后的 C 代码。

  解释:

  • emcc 是 Emscripten 的编译器。
  • -o add.html 指定输出文件名为 add.html。Emscripten 会自动生成 add.js 和 add.wasm 文件。

• Rust 到 Wasm：wasm-pack 的便捷

  Rust 是一种现代化的系统编程语言，非常适合用于开发高性能的 WebAssembly 模块。 wasm-pack 是一个用于构建、测试和发布 Rust WebAssembly 包的工具。

  wasm-pack 的主要功能包括：

  • 构建 Wasm 模块： 将 Rust 代码编译成 Wasm。
  • 生成 JavaScript 胶水代码： 生成 JavaScript 代码，用于加载和运行 Wasm 模块。
  • 打包 Wasm 模块： 将 Wasm 模块打包成 npm 包，方便发布和使用。

  代码示例：使用 wasm-pack 将 Rust 代码编译成 Wasm

  假设我们有一个名为 hello-wasm 的 Rust 项目，Cargo.toml 文件如下:

  [package]
  name = "hello-wasm"
  version = "0.1.0"
  authors = ["Your Name <[email protected]>"]
  edition = "2018"
  
  [lib]
  crate-type = ["cdylib"]
  
  [dependencies]
  wasm-bindgen = "0.2"

  src/lib.rs 文件内容如下：

  use wasm_bindgen::prelude::*;
  
  #[wasm_bindgen]
  pub fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
      a + b
  }

  我们可以使用 wasm-pack 将其编译成 Wasm：

  wasm-pack build

  这条命令会在 pkg 目录下生成 Wasm 模块和 JavaScript 胶水代码。

  解释:

  • wasm-pack build 会自动构建 Wasm 模块，并生成相应的 JavaScript 胶水代码。
  • wasm-bindgen 是一个 Rust 库，用于在 Rust 和 JavaScript 之间传递数据。

• 其他语言：各显神通

  除了 C/C++ 和 Rust，还有许多其他语言也可以编译成 Wasm，例如：

  • Go： 使用 tinygo 编译器。
  • AssemblyScript： 一种类似于 TypeScript 的语言，专门用于编写 WebAssembly 模块。
  • Python： 通过 Pyodide 项目，可以将 Python 代码编译成 Wasm。

第三部分：JavaScript 与 Wasm 的“甜蜜互动”

Wasm 模块最终需要在浏览器中运行，所以 JavaScript 需要与 Wasm 进行交互。 JavaScript 通过 WebAssembly API 来加载、编译和运行 Wasm 模块。

• 加载 Wasm 模块

  JavaScript 可以使用 fetch API 加载 Wasm 模块：

  fetch('my_module.wasm')
    .then(response => response.arrayBuffer())
    .then(bytes => WebAssembly.instantiate(bytes))
    .then(results => {
      // Wasm 模块加载完成
      const instance = results.instance;
      // ...
    });

  解释:

  • fetch('my_module.wasm')：使用 fetch API 加载 Wasm 模块。
  • response.arrayBuffer()：将响应转换为 ArrayBuffer 对象。
  • WebAssembly.instantiate(bytes)：将 ArrayBuffer 对象编译成 Wasm 模块的实例。
  • results.instance：Wasm 模块的实例。

• 调用 Wasm 函数

  加载 Wasm 模块后，我们可以通过 instance.exports 对象访问 Wasm 模块导出的函数：

  fetch('my_module.wasm')
    .then(response => response.arrayBuffer())
    .then(bytes => WebAssembly.instantiate(bytes))
    .then(results => {
      const instance = results.instance;
      const add = instance.exports.add; // 获取导出的 add 函数
      const result = add(1, 2); // 调用 Wasm 函数
      console.log(result); // 输出 3
    });

  解释:

  • instance.exports.add：获取 Wasm 模块导出的 add 函数。
  • add(1, 2)：调用 Wasm 函数，传递参数 1 和 2。

• 在 Wasm 中调用 JavaScript 函数

  Wasm 也可以调用 JavaScript 函数。这需要使用 Emscripten 或 wasm-bindgen 等工具，在 Wasm 模块中导入 JavaScript 函数。

  代码示例 (使用 Emscripten):

  C 代码 (add.c):

  #include <stdio.h>
  #include <emscripten.h>
  
  extern "C" {
    extern int js_alert(int value); // 声明 JavaScript 函数
  }
  
  int add(int a, int b) {
    int result = a + b;
    js_alert(result); // 调用 JavaScript 函数
    return result;
  }
  
  int main() {
    printf("%dn", add(1, 2));
    return 0;
  }

  JavaScript 代码 (index.html):

  <!DOCTYPE html>
  <html>
  <head>
    <meta charset="utf-8">
    <title>Wasm Example</title>
  </head>
  <body>
    <script>
      Module = {
        js_alert: function(value) { // 定义 JavaScript 函数
          alert('Result from Wasm: ' + value);
          return value; //需要返回值，类型要匹配。
        }
      };
    </script>
    <script src="add.js"></script>
  </body>
  </html>

  编译命令：

  emcc add.c -o add.html -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORT_NAME="createModule"'

  解释:

  • 在C代码中，使用extern关键字声明JavaScript函数。
  • 在JavaScript代码中，在Module对象中定义JavaScript函数。Module是Emscripten自动创建的，用于配置Wasm模块。
  • 编译选项：-s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" 导出_add函数(C函数名会被Emscripten处理)。 -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORT_NAME="createModule"' 将 Wasm 代码模块化，方便在 JavaScript 中使用。

第四部分：Wasm 的应用场景

Wasm 在 Web 开发中有很多应用场景，例如：

• 游戏： 使用 Wasm 开发高性能的游戏，例如 Unity、Unreal Engine 等。
• 图像处理： 使用 Wasm 进行图像处理，例如 OpenCV、ImageMagick 等。
• 科学计算： 使用 Wasm 进行科学计算，例如 TensorFlow、NumPy 等。
• 代码重用： 将现有的 C/C++ 代码移植到 Web 平台。

第五部分：常见问题解答 (FAQ)

• Wasm 会取代 JavaScript 吗？

  不会。Wasm 是一种补充技术，而不是替代技术。Wasm 主要用于高性能计算，而 JavaScript 主要用于 UI 交互。

• Wasm 有安全问题吗？

  Wasm 运行在沙箱环境中，不能直接访问操作系统，所以相对安全。但是，如果 Wasm 代码本身存在漏洞，仍然可能导致安全问题。

• Wasm 的学习曲线陡峭吗？

  Wasm 本身的学习曲线并不陡峭，但是要掌握 Wasm 工具链和相关技术，需要一定的学习成本。

第六部分：总结

今天我们一起学习了 WebAssembly 的基本概念、工具链、与其他语言的集成，以及 JavaScript 如何与之交互。希望通过今天的学习，你对 Wasm 有了更深入的了解。 记住， Wasm 是一种强大的技术，可以帮助我们构建更快速、更高效的 Web 应用。

当然，WebAssembly 的世界远不止这些，还有很多更深入的知识等待我们去探索。希望大家在未来的学习和工作中，能够不断学习、不断进步，共同推动 WebAssembly 的发展。

感谢大家的聆听！