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深入分析 WebAssembly System Interface (WASI) 提案如何为 WebAssembly 模块提供文件系统、网络等系统级能力的访问。

大家好！今天咱们来聊聊 WebAssembly 的好伙伴：WASI (WebAssembly System Interface)。别看名字有点长，其实它就是给 WebAssembly 模块配了个“工具箱”，让它们能像普通程序一样，玩转文件系统、网络等等，摆脱只能在浏览器里“卖艺”的命运。

WebAssembly 的“小笼包”困境

WebAssembly 本身是个很棒的技术，性能高、安全性好，但它有个问题：太“干净”了。它就像个刚出生的婴儿，啥也不会，只能依赖宿主环境（比如浏览器）提供能力。

想象一下，你写了个 WebAssembly 模块，想读取个文件，或者发个网络请求，结果发现啥都做不了，因为 WebAssembly 自身没有这些能力。这就像吃小笼包，只有皮和馅，没有醋和姜丝，总觉得少了点什么。

这就引出了 WASI 的必要性。

WASI：WebAssembly 的“瑞士军刀”

WASI 就是为了解决 WebAssembly 的“小笼包”困境而生的。它定义了一套标准的系统接口，让 WebAssembly 模块可以通过这些接口访问底层操作系统提供的资源，比如文件系统、网络、时钟等等。

可以把 WASI 想象成一把“瑞士军刀”，里面集成了各种常用的工具，WebAssembly 模块可以通过 WASI 这把“军刀”来完成各种系统级别的操作。

WASI 的核心思想：capability-based security（基于能力的安全性）

WASI 采用了一种叫做 capability-based security 的安全模型。这意味着 WebAssembly 模块只有在被明确授予了某种能力之后，才能执行相应的操作。

举个例子，如果 WebAssembly 模块需要读取文件，宿主环境必须先授予它读取特定文件的能力，否则它就无法读取。这种方式可以有效地防止 WebAssembly 模块进行恶意操作，提高安全性。

WASI 的重要组成部分

WASI 主要由两部分组成：

  1. WASI API： 一组标准化的函数接口，WebAssembly 模块通过这些接口来访问系统资源。
  2. WASI Runtime： 负责实现 WASI API 的运行时环境，它会将 WASI API 调用转换成底层操作系统的调用。

WASI API 就像是一份“菜单”，列出了各种可以点的“菜”（系统功能），而 WASI Runtime 就像是“厨师”，负责根据“菜单”上的要求，烹饪出相应的“菜肴”（执行系统操作）。

WASI 的“菜单”：常用 API 概览

WASI API 提供了很多有用的函数，下面列出一些常用的 API，并简单介绍它们的功能：

API 函数 功能描述
fd_read(fd: fd, iovs: *const iovec, iovcnt: size, nread: *mut size) -> errno 从文件描述符 fd 读取数据到缓冲区 iovs，iovcnt 表示缓冲区的数量，nread 用于返回实际读取的字节数。
fd_write(fd: fd, iovs: *const iovec, iovcnt: size, nwritten: *mut size) -> errno 将缓冲区 iovs 中的数据写入到文件描述符 fd，iovcnt 表示缓冲区的数量，nwritten 用于返回实际写入的字节数。
fd_close(fd: fd) -> errno 关闭文件描述符 fd。
fd_seek(fd: fd, offset: i64, whence: whence, newoffset: *mut size) -> errno 改变文件描述符 fd 的读写位置，offset 表示偏移量，whence 表示起始位置，newoffset 用于返回新的位置。
fd_prestat_get(fd: fd, buf: *mut prestat) -> errno 获取文件描述符 fd 的预打开状态，buf 用于存储预打开状态信息。
fd_prestat_dir_name(fd: fd, path: *mut u8, path_len: size) -> errno 获取文件描述符 fd 对应的目录名，path 用于存储目录名，path_len 表示目录名的最大长度。
environ_get(environ: *mut *mut u8, environ_buf: *mut u8) -> errno 获取环境变量列表，environ 用于存储环境变量指针数组，environ_buf 用于存储环境变量字符串。
environ_sizes_get(environc: *mut size, environ_buf_size: *mut size) -> errno 获取环境变量的数量和总大小，environc 用于存储环境变量的数量，environ_buf_size 用于存储环境变量的总大小。
clock_time_get(id: clockid, precision: timestamp, time: *mut timestamp) -> errno 获取指定时钟 id 的当前时间，precision 表示精度，time 用于存储时间戳。
proc_exit(rval: exitcode) 退出程序，rval 表示退出码。

这些 API 函数都是用 C 语言风格定义的，返回值 errno 表示错误码。

WASI 的“厨房”：Runtime 实现

WASI Runtime 负责将 WebAssembly 模块对 WASI API 的调用转换成底层操作系统的调用。不同的 WASI Runtime 可以采用不同的实现方式，只要它们能够正确地实现 WASI API 即可。

目前比较流行的 WASI Runtime 有：

  • Wasmtime： 由 Bytecode Alliance 开发，性能优秀，支持多种平台。
  • Wasmer： 也是一款流行的 WASI Runtime，提供了友好的 API 和工具。
  • Node.js 的 WASI 支持： Node.js 也提供了对 WASI 的支持，可以让 WebAssembly 模块在 Node.js 环境中运行。

WASI 的“菜谱”：代码示例

光说不练假把式，咱们来写个简单的例子，演示如何使用 WASI API 读取文件内容。

1. C 代码（read_file.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc != 2) {
    fprintf(stderr, "Usage: read_file <filename>n");
    return 1;
  }

  const char *filename = argv[1];
  int fd = open(filename, O_RDONLY);
  if (fd < 0) {
    fprintf(stderr, "Error opening file: %s, errno: %dn", filename, errno);
    return 1;
  }

  char buffer[256];
  ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
  if (bytes_read < 0) {
    fprintf(stderr, "Error reading file: %s, errno: %dn", filename, errno);
    close(fd);
    return 1;
  }

  buffer[bytes_read] = ''; // Null-terminate the buffer
  printf("File content: %sn", buffer);

  if (close(fd) < 0) {
    fprintf(stderr, "Error closing file: %s, errno: %dn", filename, errno);
    return 1;
  }

  return 0;
}

这段 C 代码很简单，它接收一个文件名作为参数，然后打开文件、读取文件内容、打印到控制台，最后关闭文件。

2. 编译成 WebAssembly 模块：

我们需要使用 Emscripten 将 C 代码编译成 WebAssembly 模块。

emcc read_file.c -o read_file.wasm -Wl,--export-all -Wl,--no-entry -O3 -s 
  "EXPORTED_FUNCTIONS=['_main']" 
  -s "WASM=1" 
  -s "ENVIRONMENT='wasi'"

这个命令有点长，咱们来解释一下：

  • emcc: Emscripten 编译器。
  • read_file.c: C 代码文件。
  • read_file.wasm: 输出的 WebAssembly 模块文件。
  • -Wl,--export-all: 导出所有函数。
  • -Wl,--no-entry: 不生成入口函数（因为我们将在 WASI Runtime 中执行 _main 函数）。
  • -O3: 优化代码。
  • -s "EXPORTED_FUNCTIONS=['_main']": 导出 _main 函数。
  • -s "WASM=1": 生成 WebAssembly 模块。
  • -s "ENVIRONMENT='wasi'": 指定环境为 WASI。

3. 使用 Wasmtime 运行 WebAssembly 模块：

假设我们有一个名为 test.txt 的文件，内容为 "Hello, WASI!"。

wasmtime read_file.wasm test.txt

这条命令会使用 Wasmtime 运行 read_file.wasm 模块，并将 test.txt 作为参数传递给 _main 函数。

运行结果应该如下：

File content: Hello, WASI!

4. 示例代码解释：

  • open, read, close 是标准 C 库函数，Emscripten 会将它们映射到对应的 WASI API 函数（fd_open, fd_read, fd_close）。
  • argv 存储命令行参数，WASI 会将命令行参数传递给 WebAssembly 模块。
  • stdio.h, stdlib.h, errno.h, fcntl.h, unistd.h 是一些标准 C 头文件，提供了常用的函数和宏定义。

WASI 的“调味品”：常见问题和注意事项

  • WASI 的版本： WASI 还在不断发展中，不同的 WASI Runtime 可能支持不同的 WASI 版本。
  • Capability-based security： 需要仔细考虑如何授予 WebAssembly 模块所需的能力，避免过度授权。
  • 文件系统访问： WASI 默认只能访问预打开的目录，需要通过宿主环境来配置预打开的目录。
  • 错误处理： WASI API 函数会返回错误码，需要仔细处理这些错误码，避免程序崩溃。
  • 平台兼容性： 虽然 WASI 旨在提供平台无关性，但不同的操作系统可能存在一些差异，需要进行适当的适配。

WASI 的“未来菜谱”：发展趋势

WASI 还在不断发展中，未来可能会出现更多有趣的特性：

  • 标准化的网络 API： 目前 WASI 还没有提供标准化的网络 API，但社区正在努力推进这方面的工作。
  • 多线程支持： WASI 可能会支持多线程，让 WebAssembly 模块可以更好地利用多核 CPU。
  • 更丰富的 API： WASI 可能会提供更多系统级别的 API，让 WebAssembly 模块可以完成更多复杂的任务。
  • 更好的安全性： WASI 可能会采用更先进的安全技术，提高 WebAssembly 模块的安全性。

WASI 的“饭后甜点”：总结

WASI 是 WebAssembly 生态系统中非常重要的一环，它让 WebAssembly 模块可以访问底层操作系统提供的资源，极大地扩展了 WebAssembly 的应用场景。

通过 WASI，WebAssembly 不再局限于浏览器，可以在服务器端、边缘计算、嵌入式设备等领域大展身手。

总而言之，WASI 就像给 WebAssembly 模块装上了翅膀，让它们可以飞得更高、更远！

希望今天的讲座能让你对 WASI 有更深入的了解。谢谢大家！

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