JavaScript内核与高级编程之：`JavaScript`的`WebAssembly`：其在高性能计算中的应用。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位观众老爷们，大家好！我是今天的主讲人，很高兴能和大家一起聊聊JavaScript的WebAssembly，以及它在高(gao)性(wan)能(mo)计(gong)算(cheng)中的应用。别看我西装革履，其实我也是个代码搬运工，今天就给大家搬点干货。

咱们先来个热身，想象一下，你的JavaScript代码像个开着三轮车送快递的小哥，虽然能跑，但是遇到高速公路（比如复杂的3D游戏或者图像处理），那就歇菜了。而WebAssembly，就像给他换了一辆F1赛车，嗖的一下就冲上去了。

第一部分：WebAssembly，这货到底是个啥？

WebAssembly (简称Wasm) 是一种全新的底层二进制语法格式，它不是一种编程语言，而是一种编译目标。你可以把C、C++、Rust等语言编译成Wasm，然后在浏览器中运行。这意味着什么？这意味着你可以用更快的语言写高性能的代码，然后在JavaScript环境中执行。

简单来说，Wasm就像一个翻译器，把你写的C++代码翻译成浏览器能理解的“暗号”，而且这种“暗号”非常高效。

编译目标而非编程语言： Wasm不是让你直接写的，而是让你把其他语言编译过去的。
二进制格式： 比JavaScript更容易被浏览器解析，更快！
高性能： 接近原生性能，告别JavaScript的性能瓶颈。
安全： 在沙箱环境中运行，不用担心恶意代码搞事情。
可移植性： 可以在不同的浏览器和平台上运行。

举个栗子：

假设你有一个C++函数，用来计算斐波那契数列：

#include <iostream>

extern "C" {
  int fibonacci(int n) {
    if (n <= 1) {
      return n;
    }
    return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
  }
}

int main() {
  std::cout << fibonacci(10) << std::endl; // 输出: 55
  return 0;
}

你可以用Emscripten（一个将C/C++编译成WebAssembly的工具）将它编译成Wasm。然后，在你的JavaScript代码中，你可以这样使用它：

fetch('fibonacci.wasm')  // 假设你已经编译好了 fibonacci.wasm 文件
  .then(response => response.arrayBuffer())
  .then(bytes => WebAssembly.instantiate(bytes))
  .then(results => {
    const fibonacci = results.instance.exports.fibonacci;
    console.log(fibonacci(10)); // 输出: 55  (快到飞起!)
  });

代码解释：

fetch('fibonacci.wasm'): 从服务器获取Wasm文件。
response.arrayBuffer(): 将响应转换为ArrayBuffer，这是WebAssembly需要的格式。
WebAssembly.instantiate(bytes): 实例化Wasm模块。这步很重要，它会把Wasm代码加载到浏览器，并创建一个实例。
results.instance.exports.fibonacci: 获取Wasm模块导出的函数。在C++代码中，extern "C" 告诉编译器，这个函数要被导出。
fibonacci(10): 调用Wasm函数，计算斐波那契数列。

第二部分：WebAssembly的优势，为什么它这么火？

WebAssembly的出现，就像给JavaScript打了一针鸡血，让它在高性能计算领域也能一展身手。那么，它到底有哪些优势呢？

优势	描述	例子
速度快	WebAssembly是二进制格式，体积小，加载速度快。而且，浏览器可以对它进行高度优化，执行速度接近原生代码。	运行复杂的3D游戏、进行图像处理、处理音视频数据等，速度明显提升。
性能高	WebAssembly避免了JavaScript的动态类型检查和垃圾回收等开销，性能更高。	执行CPU密集型任务，比如加密解密、科学计算等，性能提升显著。
安全	WebAssembly在沙箱环境中运行，无法直接访问系统资源，安全性更高。	运行不可信的代码，比如第三方库，可以有效防止恶意代码攻击。
可移植性	WebAssembly可以在不同的浏览器和平台上运行，具有良好的可移植性。	开发跨平台应用，比如游戏、应用程序等，可以一次编写，到处运行。
语言支持	WebAssembly支持多种编程语言，比如C、C++、Rust等，开发者可以选择自己熟悉的语言进行开发。	可以使用C++开发高性能的图像处理库，然后用JavaScript调用。也可以使用Rust开发安全的系统组件，然后在WebAssembly中运行。

第三部分：WebAssembly的应用场景，哪里需要它？

WebAssembly的应用场景非常广泛，只要是需要高性能的地方，都可以考虑使用它。

游戏开发： WebAssembly可以用来开发高性能的3D游戏，让玩家在浏览器中也能体验到媲美原生游戏的流畅度。
图像处理： WebAssembly可以用来进行图像处理，比如图像识别、图像滤镜、图像编辑等，速度更快，效果更好。
音视频处理： WebAssembly可以用来处理音视频数据，比如音视频编解码、音视频编辑、音视频流媒体等，可以大大提高处理效率。
科学计算： WebAssembly可以用来进行科学计算，比如物理模拟、化学计算、生物信息学等，可以加速计算过程。
机器学习： WebAssembly可以用来进行机器学习，比如模型训练、模型推理等，可以在浏览器中运行复杂的机器学习模型。
加密解密： WebAssembly可以用来进行加密解密，比如数据加密、数据解密、数字签名等，可以提高加密解密的安全性。
虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR)： WebAssembly 的高性能使其成为 VR 和 AR 应用的理想选择，能够处理复杂的图形渲染和实时数据处理。
桌面应用程序： 结合 Electron 或其他类似框架，可以使用 WebAssembly 开发高性能的桌面应用程序。

代码示例：使用WebAssembly进行简单的图像灰度化

这是一个简化的例子，展示如何使用C++和WebAssembly将图像灰度化。

C++代码 (grayScale.cpp):

#include <iostream>

extern "C" {
  void grayScale(unsigned char* pixels, int width, int height) {
    for (int i = 0; i < width * height * 4; i += 4) {
      unsigned char r = pixels[i];
      unsigned char g = pixels[i + 1];
      unsigned char b = pixels[i + 2];
      unsigned char gray = (r + g + b) / 3;
      pixels[i] = gray;
      pixels[i + 1] = gray;
      pixels[i + 2] = gray;
    }
  }
}

JavaScript代码:

async function loadAndProcessImage(imageUrl) {
  const response = await fetch(imageUrl);
  const imageBlob = await response.blob();
  const bitmap = await createImageBitmap(imageBlob);

  const width = bitmap.width;
  const height = bitmap.height;

  const canvas = document.createElement('canvas');
  canvas.width = width;
  canvas.height = height;
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  ctx.drawImage(bitmap, 0, 0);

  const imageData = ctx.getImageData(0, 0, width, height);
  const pixels = imageData.data; // Uint8ClampedArray

  // Load and instantiate WebAssembly module
  const wasmResponse = await fetch('grayScale.wasm');
  const wasmBytes = await wasmResponse.arrayBuffer();
  const wasmModule = await WebAssembly.instantiate(wasmBytes);
  const grayScale = wasmModule.instance.exports.grayScale;

  // Allocate memory in WebAssembly linear memory
  const pixelDataPtr = wasmModule.instance.exports.memory.allocate(pixels.length);
  const pixelData = new Uint8Array(wasmModule.instance.exports.memory.buffer, pixelDataPtr, pixels.length);
  pixelData.set(pixels);

  // Call the grayScale function in WebAssembly
  grayScale(pixelDataPtr, width, height);

  // Copy processed data back to imageData
  pixels.set(pixelData);
  wasmModule.instance.exports.memory.deallocate(pixelDataPtr, pixels.length) // free memory

  // Update the canvas with the processed image data
  ctx.putImageData(imageData, 0, 0);

  document.body.appendChild(canvas);
}

说明：

C++: grayScale 函数接收图像像素数据、宽度和高度，然后将每个像素转换为灰度值。
JavaScript:
- 加载图像并获取像素数据。
- 加载 WebAssembly 模块并获取 grayScale 函数。
- 在 WebAssembly 的线性内存中分配内存，并将像素数据复制到该内存中。
- 调用 WebAssembly 函数处理像素数据。
- 将处理后的像素数据复制回 JavaScript 的 ImageData 对象。
- 在画布上显示处理后的图像。
Memory Allocation: WebAssembly 使用线性内存。 JavaScript 需要分配内存并手动复制数据。
Error Handling: 这个例子省略了错误处理，实际应用中需要添加错误处理代码。
Emscripten: 这个例子需要使用 Emscripten 将 C++ 代码编译为 WebAssembly。

第四部分：WebAssembly的未来，它将走向何方？

WebAssembly的未来充满了想象空间，它不仅仅是一种技术，更是一种生态。

WebAssembly System Interface (WASI)： WASI旨在提供一个标准的系统接口，让WebAssembly可以在浏览器之外运行，比如服务器端、嵌入式设备等。这将极大地扩展WebAssembly的应用范围。
WebAssembly Component Model: 这个模型旨在提供一种标准的方式来组合和重用WebAssembly组件，类似于JavaScript的模块系统，让开发者可以更方便地构建复杂的应用。
更广泛的语言支持： 越来越多的编程语言将支持编译成WebAssembly，比如Go、Swift、Kotlin等，让开发者可以选择自己喜欢的语言进行开发。
更好的工具链： WebAssembly的工具链将越来越完善，比如调试器、性能分析器等，让开发者可以更方便地开发和调试WebAssembly应用。
与JavaScript的深度融合： WebAssembly将与JavaScript更加紧密地结合，让开发者可以更灵活地使用两种技术的优势，构建高性能的应用。

WebAssembly 的现状和未来发展方向总结:

特性	现状	未来发展方向
标准	W3C 标准，各大浏览器支持良好	持续完善和扩展标准，例如更多底层 API 的支持、更强大的 SIMD 指令集等
语言支持	C/C++, Rust 支持良好，其他语言（如 Go, .NET, Swift）正在逐步完善	更多语言支持，优化现有语言的编译工具链，提供更便捷的开发体验
工具链	Emscripten, Binaryen 等工具较为成熟，但仍有提升空间	更完善的调试工具、性能分析工具、代码优化工具，降低开发门槛
WASI	WebAssembly System Interface，初步实现了在浏览器外运行 WebAssembly	完善 WASI 标准，提供更多系统 API，使其能够运行更复杂的应用程序，并支持更多平台
性能	接近原生性能，但仍存在一些优化空间，例如更高效的垃圾回收、更好的 SIMD 支持	持续优化性能，通过编译器优化、运行时优化、硬件加速等方式，进一步提升 WebAssembly 的运行速度
应用场景	游戏、图像处理、音视频处理、机器学习等	扩展应用场景，例如服务器端计算、边缘计算、物联网设备等。 WebAssembly 将成为一种通用的计算平台
安全性	沙箱环境，安全性较高	持续加强安全性，防止恶意代码攻击，例如更严格的权限控制、更完善的沙箱机制
互操作性	与 JavaScript 互操作良好	进一步优化与 JavaScript 的互操作性，例如更高效的数据传递、更便捷的 API 调用

第五部分：总结，WebAssembly，未来可期！

WebAssembly作为一种新兴的技术，正在改变Web开发的格局。它让JavaScript在高性能计算领域也能有一席之地，为开发者带来了更多的可能性。虽然它还处于发展阶段，但它的潜力是巨大的。

总而言之，WebAssembly不是来取代JavaScript的，而是来增强JavaScript的。它们是好基友，互相成就，共同打造更美好的Web世界。

希望今天的分享能让大家对WebAssembly有一个更清晰的认识。如果有什么问题，欢迎大家提问，咱们一起探讨。谢谢大家！

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