JavaScript内核与高级编程之：`JavaScript`的`WebAssembly`：其在 `JavaScript` 性能瓶颈处的应用。 - 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，大家好！今天咱们聊聊JavaScript里的“外挂”——WebAssembly，看看它怎么帮JS大哥解决性能瓶颈，让咱们的网页跑得飞起。

开场白：JS大哥的苦恼

JavaScript，作为Web世界的统治者，几乎无处不在。但是，JS大哥也有自己的苦恼。它是一门解释型语言，执行效率相对较低。遇到复杂的计算，比如图像处理、游戏逻辑，JS大哥就有点力不从心，卡顿掉帧是常有的事。

这时候，WebAssembly（简称Wasm）就登场了。Wasm就像JS大哥请来的高级打手，专门负责处理那些费时费力的重活，处理完再把结果交给JS大哥，完美！

第一幕：什么是WebAssembly？

WebAssembly（Wasm）是一种全新的二进制格式，它可以被现代浏览器高效地执行。它并不是一门编程语言，而是一种编译目标，也就是说，你可以用C、C++、Rust等语言编写代码，然后编译成Wasm，再在浏览器中运行。

Wasm的特点：

高性能： Wasm是一种接近原生机器码的格式，执行效率非常高。
安全性： Wasm运行在一个沙箱环境中，可以防止恶意代码攻击。
可移植性： Wasm可以在不同的平台上运行，包括桌面、移动端和服务器。
与JavaScript互操作： Wasm可以与JavaScript互相调用，实现优势互补。

简单来说，Wasm就是一种能够让浏览器运行高性能代码的技术。

第二幕：Wasm解决JS性能瓶颈的原理

JS是动态类型语言，在运行时需要进行类型检查，这会消耗大量的CPU资源。而且，JS的垃圾回收机制也可能会导致性能问题。

Wasm则不同。它是一种静态类型语言，在编译时就已经确定了类型，避免了运行时的类型检查。而且，Wasm拥有更精细的内存管理，可以减少垃圾回收的开销。

举个例子：

假设我们要计算一个很大的数组的和。

JS代码：

function sumArray(arr) {
  let sum = 0;
  for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
    sum += arr[i];
  }
  return sum;
}

const largeArray = new Array(1000000).fill(1);
console.time("JS Sum");
const jsSum = sumArray(largeArray);
console.timeEnd("JS Sum");
console.log("JS Sum:", jsSum);

C++代码 (编译成Wasm):

#include <iostream>

extern "C" {
  double sumArray(double* arr, int length) {
    double sum = 0;
    for (int i = 0; i < length; i++) {
      sum += arr[i];
    }
    return sum;
  }
}

编译步骤 (使用 Emscripten):

下载并安装Emscripten SDK：参考Emscripten官方文档。

编译C++代码：

emcc sum_array.cpp -o sum_array.js -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_sumArray']" -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORT_NAME="SumArrayModule"'

JS调用Wasm代码：

async function loadWasm() {
  const wasmModule = await SumArrayModule(); // 假设 Emscripten 生成的模块名为 SumArrayModule

  const wasmSumArray = wasmModule.cwrap('sumArray', 'number', ['number', 'number']);

  const arrayBuffer = new Float64Array(1000000);
  arrayBuffer.fill(1);

  const wasmArrayPointer = wasmModule._malloc(arrayBuffer.byteLength);
  wasmModule.HEAPF64.set(arrayBuffer, wasmArrayPointer / Float64Array.BYTES_PER_ELEMENT);

  console.time("Wasm Sum");
  const wasmSum = wasmSumArray(wasmArrayPointer, arrayBuffer.length);
  console.timeEnd("Wasm Sum");
  console.log("Wasm Sum:", wasmSum);

  wasmModule._free(wasmArrayPointer);
}

loadWasm();

代码解释：

C++代码： 定义了一个sumArray函数，用于计算数组的和。extern "C"是为了防止C++编译器对函数名进行修改，保证JS可以正确调用。
Emscripten编译： emcc是Emscripten的编译器。-o sum_array.js指定输出文件名为sum_array.js。-s EXPORTED_FUNCTIONS="['_sumArray']"指定需要导出的函数名为_sumArray。-s MODULARIZE=1 生成模块化代码。-s 'EXPORT_NAME="SumArrayModule"' 定义导出的模块名称。
JS调用Wasm：
- SumArrayModule() 加载 Wasm 模块。
- wasmModule.cwrap('sumArray', 'number', ['number', 'number']) 创建一个 JS 函数，用于调用 Wasm 的 sumArray 函数。
- Float64Array 用于创建指定类型的数组。
- wasmModule._malloc 在 Wasm 内存中分配空间。
- wasmModule.HEAPF64.set 将JS数组拷贝到 Wasm 内存中。
- wasmSumArray(wasmArrayPointer, arrayBuffer.length) 调用 Wasm 函数。
- wasmModule._free 释放 Wasm 内存。

运行结果：

你会发现，Wasm的执行速度比JS快很多。这是因为Wasm避免了JS的类型检查和垃圾回收开销。

第三幕：Wasm的应用场景

Wasm可以在很多场景下提升Web应用的性能，特别是在以下几个方面：

游戏开发： 游戏通常需要大量的计算，比如物理引擎、渲染引擎。Wasm可以提供更高的性能，让游戏运行更加流畅。
图像处理： 图像处理需要对像素进行大量的操作。Wasm可以加速图像处理算法的执行，提高图像处理速度。
音视频处理： 音视频处理也需要大量的计算，比如音频解码、视频编码。Wasm可以提高音视频处理的效率，让音视频播放更加流畅。
科学计算： 科学计算需要进行复杂的数学运算。Wasm可以加速科学计算程序的执行，提高计算效率。
虚拟机及解释器： 一些编程语言（如Python、Ruby）的解释器也可以运行在Wasm上，让这些语言也能在浏览器中高效运行。

表格总结：Wasm与JS的对比

特性	WebAssembly	JavaScript
类型	静态类型	动态类型
执行方式	编译后执行，接近原生机器码	解释执行
性能	高	相对较低
内存管理	手动或半自动（取决于编译的源语言）	自动垃圾回收
安全性	沙箱环境	沙箱环境
应用场景	性能敏感型应用，如游戏、图像处理、科学计算	Web应用开发，用户交互，DOM操作等
互操作性	可以与JavaScript互相调用	可以调用Web API和Wasm模块

第四幕：Wasm的开发流程

开发Wasm应用通常需要以下几个步骤：

选择编程语言： 可以选择C、C++、Rust等语言。
编写代码： 编写需要高性能执行的代码。
编译成Wasm： 使用Emscripten或Rust的Wasm工具链将代码编译成Wasm。
加载Wasm模块： 在JavaScript中加载Wasm模块。
调用Wasm函数： 使用JavaScript调用Wasm模块中的函数。

一个更复杂的例子: 使用 Rust 和 wasm-pack 生成 WebAssembly 模块

Rust 是一种系统编程语言，非常适合编写高性能代码，并且拥有优秀的 WebAssembly 支持。wasm-pack 是一个用于构建、测试和发布 Rust-generated WebAssembly 的工具。

1. 安装 Rust 和 wasm-pack:

首先，确保已经安装了 Rust 和 Cargo (Rust 的包管理器)。你可以从 https://www.rust-lang.org/ 下载并安装 Rust。
安装 wasm-pack:
```
cargo install wasm-pack
```

2. 创建 Rust 项目:

cargo new wasm-example --lib
cd wasm-example

3. 编辑 Cargo.toml 文件:

在 Cargo.toml 文件中添加以下内容：

[package]
name = "wasm-example"
version = "0.1.0"
authors = ["Your Name <[email protected]>"]
edition = "2018"

[lib]
crate-type = ["cdylib"]

[dependencies]
wasm-bindgen = "0.2"

crate-type = ["cdylib"]: 指定构建一个 C 动态链接库，这是生成 WebAssembly 的必需步骤。
wasm-bindgen = "0.2": 一个 Rust 库，用于简化 Rust 和 JavaScript 之间的交互。

4. 编辑 src/lib.rs 文件:

use wasm_bindgen::prelude::*;

#[wasm_bindgen]
pub fn fibonacci(n: i32) -> i32 {
    if n <= 1 {
        n
    } else {
        fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2)
    }
}

use wasm_bindgen::prelude::*;: 导入 wasm-bindgen 库。
#[wasm_bindgen]: 一个宏，用于标记要暴露给 JavaScript 的函数。
pub fn fibonacci(n: i32) -> i32: 一个计算斐波那契数列的函数。

5. 构建 WebAssembly 模块:

wasm-pack build --target web

这个命令会将 Rust 代码编译成 WebAssembly 模块，并生成一些 JavaScript 文件，用于加载和使用该模块。 --target web 指定为 Web 环境构建。

6. 在 HTML 中使用 WebAssembly 模块:

创建一个 HTML 文件 (index.html)：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <meta charset="utf-8">
  <title>Wasm Example</title>
</head>
<body>
  <h1>Fibonacci Number</h1>
  <input type="number" id="inputNumber" value="10">
  <button id="calculateButton">Calculate</button>
  <p id="result"></p>

  <script type="module">
    import init, { fibonacci } from './pkg/wasm_example.js';

    async function run() {
      await init(); // 初始化 WebAssembly 模块

      const inputNumber = document.getElementById('inputNumber');
      const calculateButton = document.getElementById('calculateButton');
      const resultElement = document.getElementById('result');

      calculateButton.addEventListener('click', () => {
        const n = parseInt(inputNumber.value);
        const fib = fibonacci(n);
        resultElement.textContent = `Fibonacci(${n}) = ${fib}`;
      });
    }

    run();
  </script>
</body>
</html>

<script type="module">: 使用 ES 模块。
import init, { fibonacci } from './pkg/wasm_example.js';: 导入 wasm_example.js 文件，该文件由 wasm-pack 生成，包含了加载和使用 WebAssembly 模块的代码。
await init();: 初始化 WebAssembly 模块。
fibonacci(n): 调用 Rust 中定义的 fibonacci 函数。

7. 运行 HTML 文件:

你可以使用任何静态服务器来运行 HTML 文件。例如，可以使用 python -m http.server 或者 npx serve。

打开浏览器，访问 http://localhost:8000 (或其他服务器地址)，你就可以看到一个简单的 Web 页面，可以计算斐波那契数列。

代码解释:

wasm-pack build --target web 命令会生成以下文件：
- pkg/wasm_example.wasm: WebAssembly 模块。
- pkg/wasm_example.js: JavaScript 代码，用于加载和使用 WebAssembly 模块。
- pkg/wasm_example_bg.wasm: 包含 Wasm 模块的初始化代码。
wasm-bindgen 库简化了 Rust 和 JavaScript 之间的交互，使得你可以直接在 JavaScript 中调用 Rust 函数，而无需手动处理内存管理和类型转换。

总结：

这个例子展示了如何使用 Rust 和 wasm-pack 构建 WebAssembly 模块，并在 HTML 中使用它。Rust 提供了强大的性能和安全性，而 wasm-pack 简化了 WebAssembly 的构建过程。

第五幕：Wasm的未来展望

WebAssembly的未来一片光明。随着WebAssembly的不断发展，它将在Web开发中扮演越来越重要的角色。

WebAssembly System Interface (WASI): WASI 旨在为 WebAssembly 提供一个标准化的系统接口，使其能够访问操作系统资源，从而可以在浏览器之外运行 WebAssembly 模块，例如在服务器端、嵌入式设备等。
WebAssembly Component Model: 组件模型旨在定义一种标准的方式来组合和重用 WebAssembly 模块，使得开发者可以构建更加复杂和模块化的应用程序。
多语言支持： 越来越多的编程语言正在加入 WebAssembly 的支持，例如 Go、Kotlin、Swift 等。

结论：

WebAssembly是解决JavaScript性能瓶颈的一大利器。它能够让Web应用运行更加高效，提供更好的用户体验。虽然学习曲线稍陡峭，但绝对值得投入时间去学习。希望今天的讲解能够帮助大家更好地理解WebAssembly，并在实际项目中应用它。

感谢各位的观看，咱们下期再见！

发表回复 取消回复

发表回复取消回复