PHP Wasm运行时：在浏览器WebAssembly环境中运行Zend引擎的构建挑战 - 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 运行时：在浏览器 WebAssembly 环境中运行 Zend 引擎的构建挑战

大家好，今天我们要深入探讨一个非常有趣且具有挑战性的项目：PHP Wasm 运行时。这意味着我们将尝试把整个 PHP Zend 引擎编译成 WebAssembly (Wasm)，然后在浏览器环境中运行 PHP 代码。这并非易事，它涉及到对 PHP 内部机制的深刻理解，以及对 WebAssembly 技术的熟练运用。

1. 为什么要在浏览器中运行 PHP？

你可能会问，为什么要把 PHP 放到浏览器里运行？这样做有什么意义？原因有很多，主要包括以下几点：

代码复用： 允许开发者在客户端和服务端之间复用 PHP 代码。例如，可以使用相同的 PHP 代码进行数据验证、模板渲染等操作，减少重复开发工作。
离线能力： 通过 Service Worker 和 WebAssembly，可以实现离线 PHP 应用。这对于需要高性能计算或者需要访问底层硬件的 Web 应用来说非常有用。
安全性： 在 Wasm 沙箱中运行 PHP 代码，可以提高安全性，防止恶意代码攻击。Wasm 提供了一层隔离，使得 PHP 代码无法直接访问底层操作系统资源。
性能优化： 对于一些计算密集型的任务，Wasm 可以提供接近原生代码的性能，比 JavaScript 运行得更快。
新应用场景： 开启了 WebAssembly 驱动的 Serverless 函数的新可能性，允许开发者使用他们熟悉的 PHP 语言编写高性能的后端服务，这些服务可以在浏览器或者边缘计算环境运行。

2. WebAssembly 简介

在深入探讨 PHP Wasm 运行时之前，我们需要简单了解一下 WebAssembly。

WebAssembly (Wasm) 是一种新型的二进制指令集，旨在提供接近原生代码的性能，同时保持安全性。它可以运行在现代浏览器中，并且可以与 JavaScript 代码互操作。

Wasm 的主要特点：

高性能： Wasm 代码经过优化，可以快速加载和执行，性能接近原生代码。
安全性： Wasm 代码运行在沙箱中，无法直接访问底层操作系统资源，提高了安全性。
可移植性： Wasm 代码可以在不同的平台上运行，包括浏览器、Node.js、以及其他支持 Wasm 的环境。
紧凑性： Wasm 代码体积小，加载速度快，可以提高 Web 应用的性能。

Wasm 的工作原理：

开发者使用高级语言（例如 C、C++、Rust）编写代码。
使用编译器（例如 Emscripten）将代码编译成 Wasm 二进制文件。
浏览器加载 Wasm 二进制文件。
浏览器将 Wasm 二进制文件编译成机器码。
浏览器执行机器码。

3. 将 Zend 引擎编译成 WebAssembly

要实现 PHP Wasm 运行时，核心步骤是将 PHP Zend 引擎编译成 WebAssembly。这通常使用 Emscripten 工具链完成。Emscripten 是一个可以将 C/C++ 代码编译成 WebAssembly 和 JavaScript 的工具。

3.1 准备工作

安装 Emscripten： 首先需要安装 Emscripten 工具链。Emscripten 提供了一个命令行界面，可以用来编译 C/C++ 代码。
获取 PHP 源码： 下载 PHP 的源代码。可以从 PHP 官方网站下载最新的稳定版本。

3.2 编译配置

编译 Zend 引擎需要进行一些配置，以确保它可以在 WebAssembly 环境中运行。这涉及到修改 PHP 的构建系统，以及设置一些编译选项。

修改 configure 脚本： 需要修改 PHP 的 configure 脚本，以支持 WebAssembly 目标平台。这可能涉及到添加一些新的编译选项，以及修改一些现有的编译选项。
禁用不支持的扩展： 许多 PHP 扩展依赖于底层操作系统资源，例如文件系统、网络等。这些扩展在 WebAssembly 环境中可能无法正常工作，需要禁用它们。
设置编译选项： 需要设置一些编译选项，以优化 WebAssembly 代码的性能。例如，可以使用 -O3 选项来启用最高级别的优化。

3.3 编译过程

使用 Emscripten 编译 PHP 源码的步骤如下：

配置编译环境： 使用 emconfigure 命令配置编译环境。
```
emconfigure ./configure --without-ext1 --without-ext2 ...
```
其中 --without-ext1 和 --without-ext2 用于禁用不需要的扩展。
编译 PHP 源码： 使用 emmake 命令编译 PHP 源码。
```
emmake make
```
链接 WebAssembly 模块： 使用 Emscripten 链接器将编译后的目标文件链接成 WebAssembly 模块。
```
emcc -o php.js php.o -s WASM=1 -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORTED_FUNCTIONS=["_php_execute_script"]' -s 'EXPORTED_RUNTIME_METHODS=["ccall", "cwrap"]'
```
- -s WASM=1 启用 WebAssembly 输出。
- -s MODULARIZE=1 将 WebAssembly 代码封装成一个 JavaScript 模块。
- EXPORTED_FUNCTIONS 指定需要导出的 C 函数，例如 _php_execute_script。
- EXPORTED_RUNTIME_METHODS 指定需要导出的 Emscripten 运行时方法，例如 ccall 和 cwrap。

3.4 代码示例

以下是一个简单的示例，演示如何在 WebAssembly 环境中运行 PHP 代码：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>PHP in WebAssembly</title>
</head>
<body>
  <script src="php.js"></script>
  <script>
    Module.onRuntimeInitialized = function() {
      // PHP 代码
      var phpCode = `<?php
        echo "Hello, World!";
      ?>`;

      // 调用 PHP 函数
      var result = Module.ccall(
        'php_execute_script', // 函数名
        'string',             // 返回值类型
        ['string'],           // 参数类型
        [phpCode]             // 参数值
      );

      console.log(result); // 输出 "Hello, World!"
    };
  </script>
</body>
</html>

在这个示例中，我们首先加载 php.js 文件，它包含了编译后的 WebAssembly 模块。然后，我们使用 Module.ccall 函数调用 PHP 函数 php_execute_script，并将 PHP 代码作为参数传递给它。php_execute_script 函数执行 PHP 代码，并将结果返回给 JavaScript 代码。

4. 构建挑战和解决方案

将 Zend 引擎编译成 WebAssembly 并非易事，它面临着许多挑战。

4.1 内存管理

PHP 使用自己的内存管理机制，而 WebAssembly 也有自己的内存模型。我们需要协调这两种内存管理机制，以确保 PHP 代码可以正确地分配和释放内存。

问题： PHP 的 malloc 和 free 函数需要映射到 WebAssembly 的内存管理 API。
解决方案： Emscripten 提供了一个内存管理 API，可以将 PHP 的 malloc 和 free 函数映射到 WebAssembly 的内存管理 API。

4.2 文件系统访问

PHP 经常需要访问文件系统，例如读取配置文件、写入日志文件等。但是，WebAssembly 环境通常没有文件系统访问权限。

问题： PHP 的文件系统 API 需要映射到 WebAssembly 的文件系统 API。
解决方案： Emscripten 提供了一个虚拟文件系统，可以将 PHP 的文件系统 API 映射到 WebAssembly 的虚拟文件系统。可以使用 --preload-file 选项将文件预加载到虚拟文件系统中。

4.3 网络访问

PHP 经常需要访问网络，例如发送 HTTP 请求、连接数据库等。但是，WebAssembly 环境通常没有网络访问权限。

问题： PHP 的网络 API 需要映射到 WebAssembly 的网络 API。
解决方案： 可以使用 JavaScript 的 fetch API 来实现网络访问，并将结果传递给 PHP 代码。或者使用 Emscripten 提供的 WebSocket API 来实现双向通信。

4.4 扩展兼容性

许多 PHP 扩展依赖于底层操作系统资源，例如文件系统、网络等。这些扩展在 WebAssembly 环境中可能无法正常工作。

问题： 许多 PHP 扩展与 WebAssembly 不兼容。
解决方案： 需要禁用这些扩展，或者修改这些扩展，使其可以在 WebAssembly 环境中运行。可以使用 --without-ext1 和 --without-ext2 选项禁用不需要的扩展。

4.5 性能优化

WebAssembly 代码的性能非常重要，需要进行优化，以确保 PHP 代码可以快速执行。

问题： WebAssembly 代码的性能可能不如原生代码。
解决方案：
- 使用 -O3 选项启用最高级别的优化。
- 使用 WebAssembly 的 SIMD 指令来加速计算密集型任务。
- 避免频繁地在 JavaScript 和 WebAssembly 之间传递数据。
- 使用 WebAssembly 的多线程功能来并行执行任务。

4.6 调试

调试 WebAssembly 代码非常困难，因为 WebAssembly 是一种二进制指令集，难以阅读和理解。

问题： 调试 WebAssembly 代码非常困难。
解决方案：
- 使用 Emscripten 提供的调试工具，例如 emcc -g 选项可以生成调试信息。
- 使用浏览器的开发者工具来调试 WebAssembly 代码。
- 使用日志输出语句来跟踪代码的执行过程。

以下表格总结了上述挑战和解决方案：

挑战	问题	解决方案
内存管理	PHP 的内存管理机制与 Wasm 不兼容	使用 Emscripten 提供的内存管理 API，将 PHP 的 `malloc` 和 `free` 函数映射到 WebAssembly 的内存管理 API。
文件系统访问	PHP 需要访问文件系统，而 Wasm 没有	使用 Emscripten 提供的虚拟文件系统，将 PHP 的文件系统 API 映射到 WebAssembly 的虚拟文件系统。可以使用 `--preload-file` 选项将文件预加载到虚拟文件系统中。
网络访问	PHP 需要访问网络，而 Wasm 没有	使用 JavaScript 的 `fetch` API 来实现网络访问，并将结果传递给 PHP 代码。或者使用 Emscripten 提供的 WebSocket API 来实现双向通信。
扩展兼容性	许多 PHP 扩展与 Wasm 不兼容	禁用这些扩展，或者修改这些扩展，使其可以在 WebAssembly 环境中运行。可以使用 `--without-ext1` 和 `--without-ext2` 选项禁用不需要的扩展。
性能优化	Wasm 代码的性能可能不如原生代码	使用 `-O3` 选项启用最高级别的优化。使用 WebAssembly 的 SIMD 指令来加速计算密集型任务。避免频繁地在 JavaScript 和 WebAssembly 之间传递数据。使用 WebAssembly 的多线程功能来并行执行任务。
调试	调试 WebAssembly 代码非常困难	使用 Emscripten 提供的调试工具，例如 `emcc -g` 选项可以生成调试信息。使用浏览器的开发者工具来调试 WebAssembly 代码。使用日志输出语句来跟踪代码的执行过程。

5. 实际应用场景

PHP Wasm 运行时有很多实际应用场景，以下是一些示例：

客户端渲染： 可以使用 PHP 来渲染 Web 页面，并将渲染结果发送到浏览器。这可以提高 Web 应用的性能，并减少服务器的负载。
离线应用： 可以使用 PHP 来构建离线 Web 应用，例如离线笔记应用、离线计算器应用等。
游戏开发： 可以使用 PHP 来编写游戏逻辑，并将游戏逻辑编译成 WebAssembly，然后在浏览器中运行。
数据分析： 可以使用 PHP 来进行数据分析，并将分析结果可视化。
Serverless 函数： 使用 WebAssembly 驱动的 Serverless 函数，允许开发者使用他们熟悉的 PHP 语言编写高性能的后端服务。

6. 未来发展方向

PHP Wasm 运行时是一个新兴领域，未来有很多发展方向。

更好的扩展兼容性： 努力提高 PHP 扩展与 WebAssembly 的兼容性，使得更多的 PHP 扩展可以在 WebAssembly 环境中运行。
更强大的调试工具： 开发更强大的调试工具，使得调试 WebAssembly 代码更加容易。
更完善的 WebAssembly API： 完善 WebAssembly API，提供更多的功能，例如文件系统访问、网络访问等。
更广泛的应用场景： 探索 PHP Wasm 运行时的更广泛的应用场景。

7. 总结

我们探讨了 PHP Wasm 运行时的概念，它面临的构建挑战，以及解决这些挑战的方案。虽然存在诸多挑战，但它开启了在浏览器环境中运行 PHP 代码的可能性，为代码复用、离线能力、安全性、性能优化和新的应用场景带来了巨大的潜力。

希望这次讲座能帮助大家理解 PHP Wasm 运行时，并激发大家对这个领域的兴趣。谢谢大家！