PHP Wasm（WebAssembly）：在浏览器端运行PHP代码的构建与桥接技术 - 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

PHP Wasm：在浏览器端运行PHP代码的构建与桥接技术

大家好，今天我们来深入探讨一个新兴且令人兴奋的技术领域：PHP Wasm，也就是在浏览器端运行PHP代码的技术。这不仅是对传统Web开发模式的一次革新，也为PHP开发者打开了全新的可能性。

1. 什么是WebAssembly (Wasm)?

在深入PHP Wasm之前，我们需要理解WebAssembly本身。

WebAssembly（简称Wasm）是一种新型的字节码格式，设计目标是高性能、可移植性、体积小和可加载速度快。它并非一种编程语言，而是一种编译目标。这意味着你可以使用多种编程语言（例如C、C++、Rust）编写代码，然后将其编译成Wasm格式，最终在支持Wasm的任何环境中运行，最常见的当然是Web浏览器。

Wasm的优势：

性能: Wasm的执行速度接近原生代码，远高于JavaScript。
可移植性: Wasm可以在不同的硬件和操作系统上运行，只要有Wasm虚拟机即可。
安全性: Wasm运行在一个沙箱环境中，无法直接访问宿主系统的资源，从而保证了安全。
体积小: Wasm文件通常比等效的JavaScript代码更小，加载速度更快。

2. 为什么要在浏览器端运行PHP?

你可能会问，既然浏览器已经有JavaScript，为什么还要费劲地在浏览器端运行PHP？这背后的原因有很多：

代码复用: 如果你已经有一个用PHP编写的大型项目，将其迁移到JavaScript可能需要大量的时间和精力。使用PHP Wasm，你可以直接在浏览器端运行现有的PHP代码，大大节省了开发成本。
性能优势: 某些PHP代码的性能可能优于等效的JavaScript代码，特别是在处理大量数据或复杂计算时。
安全性: 将敏感逻辑放在客户端运行可以减少服务器端的负载和暴露风险。当然，这需要仔细权衡，因为客户端的代码更容易被篡改。
离线应用: 通过Service Worker和Wasm，你可以构建完全离线的PHP应用。

3. PHP Wasm的实现方式

目前，主要有两种方式来实现PHP Wasm：

直接编译PHP解释器到Wasm: 这是最直接的方式，将整个PHP解释器（例如PHP-CPP）编译成Wasm模块。然后在浏览器中使用JavaScript调用这个Wasm模块，执行PHP代码。
使用PHP的扩展机制: 创建一个PHP扩展，该扩展可以将PHP代码编译成Wasm模块。然后在浏览器中使用JavaScript加载这个Wasm模块，执行编译后的代码。

这两种方式各有优缺点。直接编译PHP解释器可以运行更广泛的PHP代码，但体积较大。使用PHP扩展可以更精简，但可能需要修改现有的PHP代码。

3.1 直接编译PHP解释器到Wasm (例如：`php-wasm`)

这种方式通常涉及以下步骤：

获取PHP源代码: 获取PHP的源代码，例如PHP-CPP。
配置编译选项: 使用Emscripten工具链配置编译选项，指定Wasm作为目标平台。
编译PHP解释器: 使用Emscripten编译PHP解释器源代码，生成Wasm模块和JavaScript胶水代码。
加载Wasm模块: 在浏览器中使用JavaScript加载Wasm模块。
执行PHP代码: 使用JavaScript调用Wasm模块提供的API，执行PHP代码。

代码示例 (简化):

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>PHP Wasm Example</title>
</head>
<body>
  <script>
    // 1. 加载Wasm模块 (假设名为 php.js)
    Module = {
      onRuntimeInitialized: function() {
        // 2. 获取执行PHP代码的函数
        var php_eval = Module.cwrap('php_eval', 'number', ['string']);

        // 3. PHP代码
        var phpCode = `<?php echo "Hello from PHP Wasm!"; ?>`;

        // 4. 执行PHP代码
        php_eval(phpCode); // 假设 php_eval 函数可以执行PHP代码

        // 输出结果需要在Module中设置输出回调函数，这里省略
      }
    };
  </script>
  <script src="php.js"></script>
</body>
</html>

说明:

php.js 是Emscripten生成的JavaScript胶水代码，负责加载和初始化Wasm模块。
Module.onRuntimeInitialized 是Emscripten提供的回调函数，在Wasm模块初始化完成后调用。
Module.cwrap 是Emscripten提供的函数，用于将C/C++函数暴露给JavaScript。
php_eval 是一个C/C++函数，它接收一个PHP代码字符串作为参数，并执行该代码。
你需要替换 php.js 为你实际编译生成的Wasm模块和JavaScript胶水代码。
这个例子非常简化，实际使用中需要处理更多的细节，例如错误处理、输入输出等。

3.2 使用PHP的扩展机制 (例如：`wasmer-php`)

这种方式通常涉及以下步骤：

安装 Wasmer: 安装 Wasmer 的命令行工具。 Wasmer 是一个轻量级的 WebAssembly 运行时。
安装 PHP 扩展: 安装 wasmer-php PHP 扩展。这个扩展允许你在 PHP 中编译和运行 WebAssembly 模块。
编写 PHP 代码: 编写需要编译成Wasm的PHP代码。
编译 PHP 代码: 使用 wasmer-php 提供的函数将 PHP 代码编译成 Wasm 模块。
加载 Wasm 模块: 在浏览器中使用 JavaScript 加载 Wasm 模块。
执行 Wasm 模块: 使用 JavaScript 调用 Wasm 模块提供的函数，执行编译后的代码。

代码示例 (使用 wasmer-php 扩展):

首先，你需要安装 wasmer-php 扩展。安装方式可能因操作系统和PHP版本而异，请参考 wasmer-php 的官方文档。假设你已经安装好了。

<?php
// 1. PHP 代码
$php_code = '<?php echo "Hello from PHP Wasm!"; ?>';

// 2. 将 PHP 代码编译成 Wasm 模块
$wasm_bytes = WasmerWat::compileString($php_code);

// 3. 将 Wasm 模块保存到文件 (可选)
file_put_contents('hello.wasm', $wasm_bytes);

// 4. 加载 Wasm 模块 (在浏览器中)
?>

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>PHP Wasm Example</title>
</head>
<body>
  <script>
    // 1. 从服务器获取 Wasm 模块 (假设 hello.wasm 已经上传到服务器)
    fetch('hello.wasm')
      .then(response => response.arrayBuffer())
      .then(bytes => WebAssembly.instantiate(bytes))
      .then(results => {
        // 2. 获取导出的函数 (这里假设导出一个名为 run 的函数)
        const run = results.instance.exports.run;

        // 3. 执行 Wasm 模块
        run(); // 假设 run 函数可以执行 Wasm 代码

        // 输出结果需要在 Wasm 模块中设置输出回调函数，这里省略
      });
  </script>
</body>
</html>

说明:

WasmerWat::compileString($php_code) 函数将 PHP 代码编译成 Wasm 字节码。
你需要将 hello.wasm 文件上传到服务器，以便浏览器可以加载它。
WebAssembly.instantiate(bytes) 函数将 Wasm 字节码实例化为 WebAssembly 模块。
results.instance.exports.run 获取 Wasm 模块导出的名为 run 的函数。
你需要根据实际情况修改代码，例如设置输出回调函数、传递参数等。
这个例子也比较简化，实际使用中需要处理更多的细节，例如错误处理、输入输出等。

4. PHP Wasm的挑战与限制

虽然PHP Wasm前景广阔，但目前仍然面临一些挑战和限制：

体积: 完整的PHP解释器编译成Wasm模块后体积较大，会影响加载速度。
性能: 虽然Wasm的性能接近原生代码，但在执行PHP代码时仍然需要经过解释器的处理，性能会有所损失。
兼容性: 并非所有的PHP函数和扩展都可以在Wasm环境中运行。
调试: 调试Wasm代码比较困难，需要使用专门的调试工具。
安全性: 虽然Wasm运行在沙箱环境中，但仍然存在安全风险，需要仔细评估和防范。
生态系统: PHP Wasm的生态系统还不够完善，缺乏成熟的工具和库。

5. 适用场景

PHP Wasm并非适用于所有场景。以下是一些比较适合使用PHP Wasm的场景：

代码复用: 将现有的PHP代码移植到浏览器端，避免重写。
离线应用: 构建完全离线的PHP应用，例如CMS、博客等。
高性能计算: 在浏览器端进行高性能计算，例如图像处理、数据分析等。
游戏开发: 使用PHP编写游戏逻辑，然后在浏览器端运行。
服务端渲染: 在浏览器端进行服务端渲染，提高首屏加载速度。
教育: 学习和研究WebAssembly技术。

6. 未来展望

随着WebAssembly技术的不断发展，PHP Wasm的未来充满希望：

体积优化: 编译器和虚拟机将不断优化Wasm模块的体积，提高加载速度。
性能提升: 虚拟机将不断优化Wasm代码的执行效率，提高性能。
兼容性增强: 更多的PHP函数和扩展将支持Wasm环境。
调试工具完善: 将出现更多更强大的Wasm调试工具。
生态系统繁荣: 将涌现出更多的PHP Wasm工具和库。

PHP Wasm有望成为一种重要的Web开发技术，为PHP开发者带来更多的可能性。

7. 代码示例：一个简单的 PHP Wasm 计算器

以下是一个更完整的例子，演示如何使用 Emscripten 将一个简单的 PHP 计算器函数编译成 Wasm，并在浏览器中使用。

7.1. calculator.c (C 代码，作为 PHP 扩展的骨架):

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#ifdef __EMSCRIPTEN__
#include <emscripten.h>
#endif

// 函数：加法
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

#ifdef __EMSCRIPTEN__
EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
#endif
double add(double a, double b) {
  return a + b;
}

// 函数：减法
#ifdef __EMSCRIPTEN__
EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
#endif
double subtract(double a, double b) {
  return a - b;
}

// 函数：乘法
#ifdef __EMSCRIPTEN__
EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
#endif
double multiply(double a, double b) {
  return a * b;
}

// 函数：除法
#ifdef __EMSCRIPTEN__
EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
#endif
double divide(double a, double b) {
  if (b == 0) {
    return 0; // 处理除数为零的情况
  }
  return a / b;
}

// PHP风格的计算器，接受一个表达式字符串
#ifdef __EMSCRIPTEN__
EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
#endif
double calculate(const char* expression) {
    double result = 0.0;
    char operator;
    double operand;
    char* p = (char*)expression;  // Cast away const

    // 跳过前导空格
    while (*p == ' ') {
        p++;
    }

    if (sscanf(p, "%lf %c", &result, &operator) != 2) {
        return 0.0; // 格式错误
    }

    p += strcspn(p, " ") + 1; // 跳过第一个操作数和空格
    p += strcspn(p, " ") + 1; // 跳过操作符和空格

    while (sscanf(p, "%lf", &operand) == 1) {
        switch (operator) {
            case '+': result += operand; break;
            case '-': result -= operand; break;
            case '*': result *= operand; break;
            case '/':
                if (operand != 0) {
                    result /= operand;
                } else {
                    return 0.0; // 除数为零
                }
                break;
            default:
                return 0.0; // 未知操作符
        }

        p += strcspn(p, " ") + 1; // 跳过操作数和空格

        if (sscanf(p, "%c", &operator) != 1) {
            break; // 没有更多操作符，退出循环
        }
        p += strcspn(p, " ") + 1; // 跳过操作符和空格
    }
    return result;
}

#ifdef __cplusplus
}
#endif

7.2. 编译 C 代码到 Wasm:

使用 Emscripten 编译 calculator.c：

emcc calculator.c -o calculator.js -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add', '_subtract', '_multiply', '_divide', '_calculate']" -s EXPORTED_RUNTIME_METHODS="['ccall']" -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORT_NAME="Calculator"'

emcc: Emscripten 编译器。
calculator.c: C 源文件。
-o calculator.js: 输出文件名为 calculator.js (包含 Wasm 模块和 JavaScript 胶水代码)。
-s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add', '_subtract', '_multiply', '_divide', '_calculate']": 指定要导出的 C 函数。 Emscripten 会自动在导出的函数名前面加上下划线 _。
-s EXPORTED_RUNTIME_METHODS="['ccall']": 导出 ccall 函数，方便从 JavaScript 调用 C 函数。
-s MODULARIZE=1: 将输出包装成一个 JavaScript 模块。
-s 'EXPORT_NAME="Calculator"': 设置模块的名称为 Calculator。

7.3. index.html (HTML 文件):

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>PHP Wasm Calculator</title>
</head>
<body>
  <h1>PHP Wasm Calculator</h1>

  <input type="number" id="num1" value="10">
  <select id="operator">
    <option value="+">+</option>
    <option value="-">-</option>
    <option value="*">*</option>
    <option value="/">/</option>
  </select>
  <input type="number" id="num2" value="5">
  <button onclick="calculate()">Calculate</button>
  <p>Result: <span id="result"></span></p>

  <br>
  <label for="expression">Expression:</label>
  <input type="text" id="expression" value="10 + 5 - 2 * 3 / 4">
  <button onclick="calculateExpression()">Calculate Expression</button>
  <p>Expression Result: <span id="expressionResult"></span></p>

  <script src="calculator.js"></script>
  <script>
    let calculatorInstance; // 保存 Calculator 实例

    Calculator().then(instance => {
        calculatorInstance = instance;
        console.log("Calculator module loaded");
    });

    function calculate() {
      if (!calculatorInstance) {
        console.error("Calculator module not loaded yet.");
        return;
      }

      const num1 = parseFloat(document.getElementById("num1").value);
      const num2 = parseFloat(document.getElementById("num2").value);
      const operator = document.getElementById("operator").value;

      let result;
      switch (operator) {
        case "+":
          result = calculatorInstance.add(num1, num2);
          break;
        case "-":
          result = calculatorInstance.subtract(num1, num2);
          break;
        case "*":
          result = calculatorInstance.multiply(num1, num2);
          break;
        case "/":
          result = calculatorInstance.divide(num1, num2);
          break;
        default:
          result = "Invalid operator";
      }

      document.getElementById("result").textContent = result;
    }

    function calculateExpression() {
        if (!calculatorInstance) {
            console.error("Calculator module not loaded yet.");
            return;
        }

        const expression = document.getElementById("expression").value;
        const result = calculatorInstance.calculate(expression);
        document.getElementById("expressionResult").textContent = result;
    }
  </script>
</body>
</html>

7.4. 解释:

calculator.c: 包含了加、减、乘、除四个基本运算函数和一个更复杂的 calculate 函数，该函数可以解析简单的算术表达式。 EMSCRIPTEN_KEEPALIVE 宏确保这些函数不会被 Emscripten 的 dead code elimination 优化掉。
编译: 使用 Emscripten 将 C 代码编译成 calculator.js。 EXPORTED_FUNCTIONS 选项指定了要导出的函数，EXPORTED_RUNTIME_METHODS 选项导出了 ccall 函数，方便从 JavaScript 调用 C 函数。 MODULARIZE=1 和 EXPORT_NAME="Calculator" 将 Wasm 代码包装成一个 JavaScript 模块，更容易使用。
index.html: HTML 文件包含了用户界面，允许用户输入数字和操作符，然后调用 Wasm 模块中的函数进行计算，并将结果显示在页面上。使用了 Calculator().then() 来确保 Wasm 模块加载完成后再调用其函数。 calculateExpression 函数调用 calculate 函数来解析并计算表达式。

7.5. 运行:

将 calculator.c, calculator.js, 和 index.html 放在同一个目录下，然后在浏览器中打开 index.html。

7.6. 总结:

这个例子演示了如何使用 Emscripten 将 C 代码编译成 Wasm，并在浏览器中使用 JavaScript 调用 Wasm 模块中的函数。该示例涵盖了基本的数学运算以及一个简单的表达式解析器，展示了 Wasm 在浏览器中进行复杂计算的潜力。

8. 进一步学习的资源

Emscripten 官方文档: https://emscripten.org/
WebAssembly 官方网站: https://webassembly.org/
Wasmer: https://wasmer.io/
wasmer-php: 搜索 wasmer-php 在 GitHub 上的官方仓库。

9. 结束语：拥抱新的可能性

虽然PHP Wasm还处于发展阶段，但它已经展现出了巨大的潜力。通过将PHP代码移植到浏览器端，我们可以构建更加强大、灵活和高效的Web应用。拥抱这项新技术，探索更多的可能性，让我们一起创造更加美好的Web未来！

10. 一些想法和建议

以上我们探讨了PHP Wasm的构建与桥接技术，并提供了一些代码示例。记住，技术的选择需要根据实际情况进行权衡。深入研究各种实现方式，并根据项目的具体需求选择最适合的方案，是成功应用PHP Wasm的关键。