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JS WebAssembly (Wasm) 与 JS 交互：高性能计算与多语言集成

各位好，我是你们今天的Wasm向导，准备好一起探索JS和WebAssembly这对黄金搭档了吗？今天咱们就来聊聊JS WebAssembly的交互，看看它如何实现高性能计算和多语言集成，让你的Web应用起飞！

第一部分：WebAssembly，何方神圣？

WebAssembly，简称Wasm，是一种新的二进制指令格式。简单来说，它就像是Web的汇编语言，但比汇编语言更安全、更高效。它不是一种编程语言，而是一种编译目标。这意味着你可以用C、C++、Rust等语言编写代码，然后编译成Wasm，再在浏览器中运行。

那Wasm有什么优势呢？

  • 高性能： Wasm以接近原生性能的速度运行。想想看，你可以用C++写游戏引擎，然后直接在浏览器里运行，这感觉是不是很棒？
  • 可移植性： Wasm可以在不同的浏览器和平台上运行，一次编译，到处运行。
  • 安全性： Wasm运行在一个沙箱环境中，与宿主环境隔离，安全性高。
  • 体积小： Wasm文件通常比JS文件小很多，加载速度更快。

第二部分：JS与Wasm的“爱恨情仇”

JS和Wasm的关系，不是竞争，而是互补。JS擅长处理DOM操作、UI渲染等任务，而Wasm则更适合进行高性能计算、图像处理等任务。它们可以协同工作，共同构建复杂的Web应用。

那么，JS如何与Wasm交互呢？主要通过WebAssembly API。这个API允许JS加载、编译和运行Wasm模块，并与Wasm模块共享内存和函数。

第三部分：JS调用Wasm：让C++来拯救你的性能

现在，让我们通过一个简单的例子，来演示JS如何调用Wasm。

假设我们需要计算一个斐波那契数列。用JS实现可能效率不高，特别是当数字很大时。我们可以用C++编写斐波那契数列的计算函数，然后编译成Wasm，再在JS中调用。

  1. C++代码（fibonacci.cpp）：
#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) = " << fibonacci(10) << std::endl;
  return 0;
}
  1. 编译C++代码为Wasm：

我们需要使用Emscripten工具链将C++代码编译成Wasm。Emscripten是一个可以将C/C++代码编译成Wasm的工具。

emcc fibonacci.cpp -s WASM=1 -O3 -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_fibonacci']" -o fibonacci.js

这个命令做了什么？

  • emcc: Emscripten的编译器。
  • fibonacci.cpp: 你的C++源代码文件。
  • -s WASM=1: 告诉Emscripten生成Wasm文件。
  • -O3: 启用最高级别的优化。
  • -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_fibonacci']": 导出C++函数fibonacci，以便JS可以调用。注意，导出的函数名前面要加下划线。
  • -o fibonacci.js: 指定输出文件名。Emscripten会生成一个.wasm文件和一个.js文件。.js文件负责加载和初始化.wasm文件。
  1. JS代码（index.html）：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>JS调用Wasm</title>
</head>
<body>
  <h1>JS调用Wasm</h1>
  <p>计算斐波那契数列：</p>
  <button onclick="calculateFibonacci()">计算Fibonacci(30)</button>
  <p id="result"></p>

  <script>
    var Module = {
      onRuntimeInitialized: function() {
        console.log("Wasm模块加载完成");
        // Wasm模块加载完成后执行的代码
      }
    };
  </script>
  <script src="fibonacci.js"></script>
  <script>
    function calculateFibonacci() {
      var n = 30;
      var result = Module.ccall(
        'fibonacci', // C++ 函数名
        'number',   // 返回类型
        ['number'], // 参数类型列表
        [n]         // 参数列表
      );
      document.getElementById("result").innerText = "Fibonacci(" + n + ") = " + result;
    }
  </script>
</body>
</html>

这段代码做了什么？

  • 首先，引入了fibonacci.js，这个文件负责加载和初始化Wasm模块。
  • Module对象是Emscripten生成的核心对象，它包含了Wasm模块的所有信息和功能。
  • Module.onRuntimeInitialized是一个回调函数，在Wasm模块加载完成后会被调用。
  • Module.ccall是一个Emscripten提供的函数，用于从JS调用C++函数。它的参数包括：
    • C++函数名（字符串）。
    • 返回类型（字符串）。
    • 参数类型列表（字符串数组）。
    • 参数列表（数组）。
  • calculateFibonacci函数调用C++的fibonacci函数，并将结果显示在页面上。
  1. 运行代码：

将fibonacci.cpp、fibonacci.js和index.html放在同一个目录下，然后在浏览器中打开index.html。点击按钮，就可以看到计算结果了。

代码解释:

  • extern "C": 这段代码告诉C++编译器，按照C语言的规则编译这个函数。这是因为Wasm和JS之间的交互通常使用C语言的ABI（Application Binary Interface）。
  • Module.ccall: 这是Emscripten提供的一个方便的函数，用于从JavaScript调用C++函数。它简化了Wasm的调用过程，你不需要手动处理内存管理和类型转换。

第四部分：Wasm调用JS：JS的“反击”

Wasm不仅可以被JS调用，也可以调用JS函数。这使得Wasm可以利用JS的强大能力，比如DOM操作、网络请求等。

  1. C++代码（wasm_call_js.cpp）：
#include <iostream>
#include <emscripten.h>

extern "C" {

  // 声明一个JS函数
  extern void jsAlert(const char* message);

  void callJsAlert(const char* message) {
    jsAlert(message);
  }

}
  1. 编译C++代码为Wasm：
emcc wasm_call_js.cpp -s WASM=1 -O3 -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_callJsAlert']" -s EXPORTED_RUNTIME_METHODS="['ccall']" -o wasm_call_js.js

解释：

  • -s EXPORTED_RUNTIME_METHODS="['ccall']": 需要导出 ccall 方法，因为我们将在 JavaScript 中使用它来调用 C++ 函数。
  1. JS代码（index.html）：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>Wasm调用JS</title>
</head>
<body>
  <h1>Wasm调用JS</h1>
  <button onclick="callWasmAlert()">调用Wasm的alert</button>

  <script>
    var Module = {
      onRuntimeInitialized: function() {
        console.log("Wasm模块加载完成");
      },
      jsAlert: function(message) {
        alert("来自Wasm的消息: " + message);
      }
    };
  </script>
  <script src="wasm_call_js.js"></script>
  <script>
    function callWasmAlert() {
      Module.ccall(
        'callJsAlert',
        null,
        ['string'],
        ["Hello from Wasm!"]
      );
    }
  </script>
</body>
</html>

这段代码做了什么？

  • 在Module对象中定义了一个jsAlert函数，这个函数实际上就是JS的alert函数。
  • 在C++代码中声明了一个jsAlert函数，并使用emscripten.h提供的EM_JS宏将其与JS的jsAlert函数关联起来。
  • callWasmAlert函数调用C++的callJsAlert函数，callJsAlert函数再调用JS的jsAlert函数，最终弹出一个alert框。

代码解释:

  • extern void jsAlert(const char* message);: 这行代码声明了一个外部函数 jsAlert，它接收一个 C 风格的字符串指针作为参数。这个函数实际上是在 JavaScript 中定义的。
  • 在 Module 对象中，我们定义了与 C++ 中声明的 jsAlert 函数同名的 JavaScript 函数。当 Wasm 代码调用 jsAlert 时，实际上会执行这个 JavaScript 函数。

第五部分：内存共享：JS与Wasm的“基情”

JS和Wasm可以通过共享内存来进行更高效的数据交换。Wasm模块可以访问JS的ArrayBuffer对象，反之亦然。这避免了数据的复制，提高了性能。

  1. C++代码（memory_sharing.cpp）：
#include <iostream>
#include <emscripten.h>

extern "C" {

  // 修改共享内存中的数据
  void modifySharedMemory(int offset, int value) {
    EM_ASM({
      Module.sharedMemory[ $0 ] = $1;
    }, offset, value);
  }

  // 读取共享内存中的数据
  int readSharedMemory(int offset) {
    return EM_ASM_INT({
      return Module.sharedMemory[ $0 ];
    }, offset);
  }

}
  1. 编译C++代码为Wasm：
emcc memory_sharing.cpp -s WASM=1 -O3 -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_modifySharedMemory', '_readSharedMemory']" -s MODULARIZE=1 -s ENVIRONMENT="web" -o memory_sharing.js

解释：

  • -s MODULARIZE=1: 这使得 Emscripten 生成的代码可以作为一个模块加载，这对于在 Web 环境中使用 Wasm 非常重要。
  • -s ENVIRONMENT="web": 指定目标环境为 Web。
  1. JS代码（index.html）：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>内存共享</title>
</head>
<body>
  <h1>内存共享</h1>
  <p>初始值：<span id="initialValue"></span></p>
  <p>修改后的值：<span id="modifiedValue"></span></p>

  <script>
    var Module = {
      onRuntimeInitialized: function() {
        console.log("Wasm模块加载完成");
        // 创建共享内存
        Module.sharedMemory = new Uint8Array(new SharedArrayBuffer(1024));
        Module.sharedMemory[0] = 42; // 设置初始值
        document.getElementById("initialValue").innerText = Module.sharedMemory[0];

        // 调用Wasm函数修改共享内存
        Module.ccall(
          'modifySharedMemory',
          null,
          ['number', 'number'],
          [0, 99]
        );

        // 读取修改后的值
        var modifiedValue = Module.ccall(
          'readSharedMemory',
          'number',
          ['number'],
          [0]
        );
        document.getElementById("modifiedValue").innerText = modifiedValue;
      }
    };
  </script>
  <script src="memory_sharing.js"></script>
</body>
</html>

这段代码做了什么？

  • 首先，创建了一个SharedArrayBuffer对象，并将其转换为Uint8Array对象。
  • 将Uint8Array对象赋值给Module.sharedMemory，使其可以在Wasm模块中访问。
  • 在Wasm模块中，使用EM_ASM宏来访问和修改Module.sharedMemory中的数据。
  • 通过 Module.ccall 调用 Wasm 函数 modifySharedMemory 和 readSharedMemory 来修改和读取共享内存中的值。

代码解释:

  • SharedArrayBuffer: SharedArrayBuffer 是一种可以在多个执行上下文中共享的 ArrayBuffer。在这种情况下，它允许 JavaScript 和 Wasm 代码访问同一块内存。
  • EM_ASM: 这是一个 Emscripten 提供的宏，允许你在 C/C++ 代码中嵌入 JavaScript 代码。EM_ASM 允许你执行任意 JavaScript 代码，并访问 C/C++ 的变量。

第六部分：实际应用场景

JS和Wasm的结合，在很多领域都有广泛的应用前景：

  • 游戏开发： 用C++编写游戏引擎，编译成Wasm，可以在浏览器中运行高性能游戏。
  • 图像处理： 用C++或Rust编写图像处理算法，编译成Wasm，可以加速图像处理速度。
  • 音视频编解码： 用C++编写音视频编解码器，编译成Wasm，可以在浏览器中实现高性能的音视频处理。
  • 科学计算： 用Fortran或其他科学计算语言编写算法，编译成Wasm，可以在浏览器中进行复杂的科学计算。
  • 加密解密： 将加密解密算法编译成Wasm，提高安全性。

第七部分：总结与展望

今天，我们一起探索了JS和Wasm的交互，了解了它们如何协同工作，实现高性能计算和多语言集成。Wasm为Web开发带来了新的可能性，它不仅可以提高性能，还可以扩展Web应用的能力。

当然，Wasm还处于发展阶段，还有很多问题需要解决，比如调试、工具链完善等。但相信随着技术的不断发展，Wasm将会在Web开发中扮演越来越重要的角色。

希望今天的讲座对你有所帮助。记住，探索永无止境，一起努力，让Web应用更上一层楼！下次再见！

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