WebAssembly 系统接口（WASI）：Wasm 在非浏览器环境中的应用

WASI：Wasm 的“野外生存指南”，让你的代码“飞”出浏览器！

各位观众，各位听众，各位代码界的“弄潮儿”！大家好！👋

今天，咱们不聊前端框架的迭代速度，也不吐槽后端微服务的“微”到什么程度，咱们来聊点更刺激、更有想象力的东西：WebAssembly 系统接口 (WASI)。

如果你觉得 WebAssembly (Wasm) 仅仅是浏览器里跑跑 JavaScript 脚本加速的“小弟”，那就大错特错了！Wasm 的野心，可远不止于此。它想冲出浏览器的“牢笼”，在服务器、嵌入式设备、甚至更广阔的世界里大展拳脚！而 WASI，就是它实现这个梦想的“野外生存指南”。

一、Wasm：一位“身怀绝技”的冒险家

想象一下，Wasm 就像一位身怀绝技的冒险家，精通各种语言，身手敏捷，效率极高。但它出生在浏览器这个“温室”里，习惯了 JavaScript 提供的各种服务和资源。

浏览器就像一个五星级酒店，提供了完备的设施：文件系统、网络连接、屏幕输出等等。Wasm 在这里可以尽情施展才华，调用这些设施完成各种任务。

但是，一旦 Wasm 想离开浏览器，去“野外”闯荡，问题就来了。

没有标准化的接口： 不同的操作系统、硬件平台，提供的接口千奇百怪，就像不同的部落说着不同的语言。Wasm 要想在这些地方运行，就需要针对每个平台进行适配，成本极高。
安全问题： 野外可不像酒店那么安全。如果 Wasm 拥有了访问所有系统资源的权限，那就像给一个孩子一把锋利的刀，很容易造成安全漏洞。

所以，Wasm 需要一份“野外生存指南”，一份能够提供标准化接口，同时又能保证安全性的指南。这份指南，就是我们今天的主角：WASI。

二、WASI：Wasm 的“野外生存指南”

WASI，全称 WebAssembly System Interface，是 WebAssembly 的系统接口，它旨在为 Wasm 提供一个安全、可移植的系统接口，让 Wasm 可以在非浏览器环境中运行。

你可以把 WASI 看作是一个“翻译器”和一个“安全卫士”。

翻译器： WASI 将各种底层系统调用，翻译成 Wasm 可以理解的指令，就像一个多语言翻译器，让 Wasm 可以和不同的操作系统、硬件平台进行沟通。
安全卫士： WASI 采用了“能力型安全模型”，只给 Wasm 必要的权限，就像一个安全卫士，防止 Wasm 访问不应该访问的资源，从而保证系统的安全。

打个比方：

假设你要去非洲探险，你需要准备很多东西：

护照 (Wasm 模块): 证明你是谁，你想做什么。
签证 (WASI): 告诉你可以在哪些国家(操作系统)停留，可以做哪些事情(系统调用)。
导游 (Runtime): 带领你前往目的地，帮助你与当地人(操作系统)交流。

WASI 就像签证，它定义了 Wasm 模块可以访问的系统资源，并限制了它的访问权限。Runtime 就像导游，负责加载 Wasm 模块，并将其与操作系统连接起来。

三、WASI 的核心理念：能力型安全模型

传统的操作系统，通常采用“访问控制列表 (ACL)” 的安全模型。在这种模型下，用户或进程拥有特定的权限，可以访问特定的资源。

但是，ACL 模型存在一些问题：

权限膨胀： 进程可能拥有超出其需求的权限，增加了安全风险。
难以控制： 权限的管理和控制比较复杂，容易出现漏洞。

WASI 采用了“能力型安全模型”，这是一种更加细粒度、更加安全的安全模型。

能力型安全模型的核心思想是：

没有默认权限： Wasm 模块默认没有任何访问系统资源的权限。
能力即权限： Wasm 模块只有通过“能力”才能访问特定的资源。
能力传递： 能力可以被传递，但不能被伪造。

举个例子：

假设你需要打开一个文件。

ACL 模型： 你需要拥有“文件读取权限”，才能打开任何文件。即使你只需要读取一个特定的文件，你也需要拥有读取所有文件的权限。
能力型安全模型： 你需要拥有一个“文件句柄 (file handle)”，这个句柄代表了你对特定文件的访问权限。只有拥有这个句柄，你才能读取这个文件。

能力型安全模型的优势：

最小权限原则： Wasm 模块只拥有必要的权限，降低了安全风险。
易于控制： 权限的管理和控制更加简单，减少了漏洞。
安全可靠： 能力不能被伪造，保证了系统的安全。

四、WASI 的核心接口

WASI 定义了一系列标准化的接口，涵盖了文件系统、网络、时钟、随机数等方面。

以下是一些常用的 WASI 接口：

接口名称	功能描述
`fd_read`	从文件描述符读取数据
`fd_write`	将数据写入文件描述符
`fd_close`	关闭文件描述符
`fd_seek`	改变文件描述符的当前偏移量
`fd_tell`	获取文件描述符的当前偏移量
`path_open`	打开一个文件或目录
`path_create_directory`	创建一个目录
`path_remove_directory`	删除一个目录
`path_unlink_file`	删除一个文件
`clock_time_get`	获取当前时间
`random_get`	获取随机数
`environ_get`	获取环境变量
`environ_sizes_get`	获取环境变量的大小
`proc_exit`	退出进程

这些接口都是经过精心设计的，既满足了 Wasm 模块的需求，又保证了系统的安全。

五、WASI 的应用场景

WASI 的应用场景非常广泛，涵盖了服务器、嵌入式设备、边缘计算等领域。

服务器端 Wasm： 使用 Wasm 编写服务器端应用程序，可以提高性能、降低资源消耗、增强安全性。例如，你可以使用 Wasm 编写高性能的 API 网关、图像处理服务、数据库代理等。
嵌入式设备： Wasm 可以运行在资源受限的嵌入式设备上，例如物联网设备、智能家居设备等。你可以使用 Wasm 编写高效的控制程序、传感器数据处理程序等。
边缘计算： Wasm 可以运行在边缘服务器上，例如 CDN 节点、基站等。你可以使用 Wasm 编写实时的图像识别程序、数据分析程序等。
插件系统： Wasm 可以作为插件系统，为应用程序提供可扩展性。例如，你可以使用 Wasm 编写文本编辑器、图像编辑器的插件。
区块链： Wasm 可以作为智能合约的执行引擎，提供更高的性能和安全性。

举几个例子：

Fastly 的 Compute@Edge: Fastly 使用 Wasm 在其边缘网络上运行用户代码，实现高性能的自定义 CDN 功能。
Cloudflare Workers: Cloudflare 使用 V8 引擎运行 JavaScript 和 Wasm 代码，构建无服务器应用程序。
Wasmer: Wasmer 是一个独立的 Wasm 运行时，可以运行在各种操作系统和硬件平台上。
Wasmtime: Wasmtime 是 Mozilla 开发的 Wasm 运行时，旨在提供高性能和安全性。

六、WASI 的未来

WASI 仍然是一个发展中的技术，未来还有很大的发展空间。

更多的接口： WASI 将会继续扩展其接口，涵盖更多的系统功能，例如多线程、图形界面、设备驱动等。
更好的工具链： WASI 的工具链将会更加完善，提供更好的开发体验，例如调试器、性能分析器、代码生成器等。
更广泛的应用： WASI 将会应用在更多的领域，例如人工智能、游戏开发、科学计算等。

七、用代码说话：一个简单的 WASI 示例

为了让大家更好地理解 WASI，我们来写一个简单的 WASI 示例。

这个示例的功能是：读取一个文件，并将文件内容打印到标准输出。

1. 编写 C 代码：

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

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

  FILE *fp = fopen(argv[1], "r");
  if (fp == NULL) {
    perror("Error opening file");
    return 1;
  }

  char buffer[256];
  size_t bytesRead;

  while ((bytesRead = fread(buffer, 1, sizeof(buffer), fp)) > 0) {
    fwrite(buffer, 1, bytesRead, stdout);
  }

  fclose(fp);
  return 0;
}

2. 编译成 Wasm 模块：

使用 Emscripten 工具链将 C 代码编译成 Wasm 模块。

emcc wasi-example.c -o wasi-example.wasm -s WASM=1 -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_main']" -s "ENVIRONMENT='wasm'"

3. 运行 Wasm 模块：

使用 Wasmtime 运行时运行 Wasm 模块。

wasmtime wasi-example.wasm input.txt

其中 input.txt 是你要读取的文件。

这个简单的示例展示了 WASI 的基本用法：

C 代码使用了标准 C 库函数 fopen、fread、fwrite、fclose，这些函数被 WASI 映射到相应的系统调用。
Wasmtime 运行时负责加载 Wasm 模块，并将其与操作系统连接起来。

八、总结：WASI，让 Wasm “飞”向更广阔的天空！

WASI 的出现，为 Wasm 打开了一扇通往非浏览器世界的大门。它提供了一个安全、可移植的系统接口，让 Wasm 可以在服务器、嵌入式设备、边缘计算等领域大展拳脚。

WASI 就像一艘“星际飞船”，搭载着 Wasm，驶向更广阔的星空！🚀

未来，我们可以期待看到更多的 Wasm 应用，在不同的平台上运行，为我们带来更高效、更安全、更强大的计算能力。

最后，留给大家一个思考题：

WASI 将会对未来的软件开发产生哪些影响？欢迎大家在评论区留言讨论！

感谢大家的收听！我们下期再见！ 😉

WASI：Wasm 的“野外生存指南”，让你的代码“飞”出浏览器！

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