JS WebAssembly (Wasm) `Threads` 与 `Shared Memory`：多线程 Wasm 应用

咳咳，各位观众老爷，晚上好！我是今晚的讲师，人称“代码界的段子手”。今天咱们来聊聊 WebAssembly 的“线程”和“共享内存”，这可是 Wasm 实现多线程应用的两个大杀器！

开场白：单身 Wasm 的烦恼

话说啊，咱们以前的 Wasm 模块，就像一个单身程序员，一个人默默地跑啊跑，虽然效率高，但遇到复杂的任务，就有点力不从心了。比如，你想做一个复杂的图像处理，或者运行一个大型物理引擎，单线程的 Wasm 就显得有点捉襟见肘了。

那么问题来了，有没有办法让 Wasm 也搞搞“多线程”，一起愉快地加班呢？答案是肯定的！这就是我们今天要讲的 Wasm Threads 和 Shared Memory。

第一章：Threads，让 Wasm 拥有分身术

Wasm Threads，顾名思义，就是让 Wasm 拥有了创建和管理线程的能力。你可以把它想象成，Wasm 模块学会了“分身术”，可以同时执行多个任务。

1.1 线程的创建和启动

首先，我们需要编译一个支持线程的 Wasm 模块。这通常需要在编译时加上一些特殊的标志。例如，使用 Emscripten 编译 C/C++ 代码时，可以加上 -pthread 标志。

emcc your_code.c -o your_module.wasm -pthread -s ENVIRONMENT='web' -s USE_PTHREADS=1 -s WASM=1 -s MODULARIZE=1 -s EXPORT_NAME='createModule'

• -pthread: 启用 pthreads 支持。
• -s USE_PTHREADS=1: 告诉 Emscripten 使用 pthreads 作为线程模型。
• -s WASM=1: 生成 Wasm 代码。
• -s MODULARIZE=1: 将 Wasm 代码封装成一个 JavaScript 模块。
• -s EXPORT_NAME='createModule': 指定模块的导出名称，方便我们在 JavaScript 中使用。
• -s ENVIRONMENT='web': 指定运行环境为web，这会生成一些web相关的辅助代码。

编译完成后，我们就可以在 JavaScript 中加载并使用这个模块了。

// 加载 Wasm 模块
createModule().then(module => {
  // 获取 Wasm 实例
  const wasmInstance = module;

  // 获取 pthread_create 函数的地址
  const pthread_create = wasmInstance.cwrap('pthread_create', 'number', ['number', 'number', 'number', 'number']);

  // 定义线程函数
  const threadFunction = wasmInstance.cwrap('thread_function', 'number', ['number']);

  // 创建线程
  const threadId = module._malloc(4); // 分配内存用于存储线程 ID
  const threadArg = 123; // 线程参数
  const result = pthread_create(threadId, 0, threadFunction, threadArg);

  if (result !== 0) {
    console.error('Failed to create thread:', result);
  } else {
    console.log('Thread created successfully. Thread ID:', module.getValue(threadId, 'i32'));
  }

  module._free(threadId); // 释放内存
});

上面这段代码展示了如何在 JavaScript 中使用 pthread_create 函数创建 Wasm 线程。

• createModule(): 加载并实例化 Wasm 模块。
• wasmInstance.cwrap(): 创建一个 JavaScript 函数，用于调用 Wasm 函数。
• pthread_create(): Wasm 模块中的 pthread_create 函数，用于创建线程。
• threadFunction(): Wasm模块中定义的线程函数，线程创建后将会执行此函数。
• module._malloc(): 在 Wasm 堆中分配内存。
• module.getValue(): 从 Wasm 堆中读取值。
• module._free(): 释放 Wasm 堆中的内存。

当然，在Wasm模块中，你需要定义 thread_function 函数。例如：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

void *thread_function(void *arg) {
  int thread_arg = (int)(long)arg; // 将 void* 转换为 int
  printf("Hello from thread! Argument: %dn", thread_arg);
  pthread_exit(NULL); // 线程退出
  return NULL;
}

1.2 线程的同步与互斥

有了线程，就避免不了线程之间的同步问题。例如，多个线程同时访问同一个资源，可能会导致数据竞争。为了解决这个问题，Wasm Threads 提供了互斥锁（Mutex）和条件变量（Condition Variable）等同步机制。

互斥锁（Mutex）：用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问该资源。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex;
int shared_data = 0;

void *thread_function(void *arg) {
  pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
  shared_data++;
  printf("Thread ID: %lu, shared_data: %dn", pthread_self(), shared_data);
  pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
  pthread_exit(NULL);
  return NULL;
}

int main() {
  pthread_t thread1, thread2;
  pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁

  pthread_create(&thread1, NULL, thread_function, NULL);
  pthread_create(&thread2, NULL, thread_function, NULL);

  pthread_join(thread1, NULL);
  pthread_join(thread2, NULL);

  pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥锁
  return 0;
}

• pthread_mutex_init(): 初始化互斥锁。
• pthread_mutex_lock(): 加锁，如果互斥锁已经被其他线程锁定，则当前线程会阻塞，直到互斥锁被释放。
• pthread_mutex_unlock(): 解锁，释放互斥锁。
• pthread_mutex_destroy(): 销毁互斥锁。

条件变量（Condition Variable）：用于线程之间的通信，允许线程等待某个条件的发生。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
int data_ready = 0;

void *producer_thread(void *arg) {
  pthread_mutex_lock(&mutex);
  // 生产数据
  printf("Producer producing data...n");
  data_ready = 1;
  pthread_cond_signal(&cond); // 发送信号，通知等待的线程
  pthread_mutex_unlock(&mutex);
  pthread_exit(NULL);
  return NULL;
}

void *consumer_thread(void *arg) {
  pthread_mutex_lock(&mutex);
  while (!data_ready) {
    printf("Consumer waiting for data...n");
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 等待条件变量，同时释放互斥锁
  }
  // 消费数据
  printf("Consumer consuming data...n");
  pthread_mutex_unlock(&mutex);
  pthread_exit(NULL);
  return NULL;
}

int main() {
  pthread_t producer, consumer;
  pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
  pthread_cond_init(&cond, NULL);

  pthread_create(&producer, NULL, producer_thread, NULL);
  pthread_create(&consumer, NULL, consumer_thread, NULL);

  pthread_join(producer, NULL);
  pthread_join(consumer, NULL);

  pthread_mutex_destroy(&mutex);
  pthread_cond_destroy(&cond);
  return 0;
}

• pthread_cond_init(): 初始化条件变量。
• pthread_cond_wait(): 等待条件变量，同时释放互斥锁。当条件变量被信号通知时，线程会重新获取互斥锁。
• pthread_cond_signal(): 发送信号，通知等待条件变量的线程。
• pthread_cond_destroy(): 销毁条件变量。

第二章：Shared Memory，线程之间的桥梁

有了 Threads，Wasm 就可以同时执行多个任务了。但是，线程之间如何共享数据呢？这就需要我们的另一个主角登场了——Shared Memory。

Shared Memory，顾名思义，就是一块可以被多个线程共享的内存区域。通过 Shared Memory，线程之间可以方便地交换数据，实现更复杂的协作。

2.1 Shared Memory 的创建和访问

在 Wasm 中，Shared Memory 通常通过 SharedArrayBuffer 对象来实现。SharedArrayBuffer 是一个 JavaScript 对象，它可以被多个 Wasm 实例共享。

// 创建一个 SharedArrayBuffer
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024); // 1KB 的共享内存

// 创建一个 Int32Array 视图，用于访问共享内存
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);

// 创建两个 Wasm 模块，并共享同一个 SharedArrayBuffer
const module1 = await createModule({ sharedMemory: sharedBuffer });
const module2 = await createModule({ sharedMemory: sharedBuffer });

// 在 module1 中写入数据
module1._setValue(0, 123, 'i32'); // 将 123 写入共享内存的起始位置

// 在 module2 中读取数据
const value = module2.getValue(0, 'i32'); // 从共享内存的起始位置读取数据
console.log('Value read from shared memory:', value); // 输出：123

• new SharedArrayBuffer(1024): 创建一个 1KB 的 SharedArrayBuffer 对象。
• new Int32Array(sharedBuffer): 创建一个 Int32Array 视图，用于以 32 位整数的形式访问 SharedArrayBuffer。
• createModule({ sharedMemory: sharedBuffer }): 创建 Wasm 模块，并将 SharedArrayBuffer 传递给模块。
• module._setValue(): 在 Wasm 堆中写入值。
• module.getValue(): 从 Wasm 堆中读取值。

在 Wasm 模块中，你可以像访问普通的内存一样访问 Shared Memory。例如：

#include <stdio.h>

// 假设 shared_memory 指向共享内存的起始地址
extern int *shared_memory;

int read_shared_memory() {
  return shared_memory[0]; // 读取共享内存的第一个元素
}

void write_shared_memory(int value) {
  shared_memory[0] = value; // 将 value 写入共享内存的第一个元素
}

2.2 Atomics，Shared Memory 的守护神

有了 Shared Memory，线程之间就可以共享数据了。但是，在多线程环境下，直接读写 Shared Memory 可能会导致数据竞争。为了解决这个问题，Wasm 提供了 Atomics API。

Atomics API 提供了一组原子操作，可以确保对 Shared Memory 的读写操作是原子性的，即不会被其他线程中断。

// 使用 Atomics.store 写入数据
Atomics.store(sharedArray, 0, 456); // 将 456 原子性地写入共享内存的第一个元素

// 使用 Atomics.load 读取数据
const atomicValue = Atomics.load(sharedArray, 0); // 原子性地读取共享内存的第一个元素
console.log('Atomic value:', atomicValue); // 输出：456

// 使用 Atomics.compareExchange 原子性地比较并交换数据
const expectedValue = 456;
const newValue = 789;
const swapped = Atomics.compareExchange(sharedArray, 0, expectedValue, newValue);
console.log('Swapped:', swapped); // 输出：456（表示交换前的值）
console.log('New value in shared memory:', Atomics.load(sharedArray, 0)); // 输出：789

// 使用 Atomics.add 原子性地增加数据
Atomics.add(sharedArray, 0, 10); // 将共享内存的第一个元素原子性地增加 10
console.log('Value after adding 10:', Atomics.load(sharedArray, 0)); // 输出：799

• Atomics.store(): 原子性地将一个值写入到数组的指定位置。
• Atomics.load(): 原子性地从数组的指定位置读取一个值。
• Atomics.compareExchange(): 原子性地比较数组的指定位置的值是否等于预期值，如果相等，则将该位置的值替换为新值。
• Atomics.add(): 原子性地将一个值加到数组的指定位置的值上。

在 Wasm 模块中，你可以使用 Emscripten 提供的 Atomics API。例如：

#include <emscripten/atomic.h>
#include <stdio.h>

extern int *shared_memory;

int read_shared_memory_atomic() {
  return emscripten_atomic_load_i32(shared_memory); // 原子性地读取共享内存的第一个元素
}

void write_shared_memory_atomic(int value) {
  emscripten_atomic_store_i32(shared_memory, value); // 原子性地将 value 写入共享内存的第一个元素
}

第三章：实战演练：图像处理

光说不练假把式，接下来咱们来一个实战演练，用 Wasm Threads 和 Shared Memory 实现一个简单的图像处理程序。

假设我们需要对一张图片进行灰度化处理。我们可以将图片分成多个区域，然后使用多个线程同时处理这些区域，最后将处理后的区域合并成一张完整的图片。

3.1 C/C++ 代码

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <emscripten/atomic.h>

// 图像数据结构
typedef struct {
  unsigned char *data;
  int width;
  int height;
} Image;

// 共享内存中的图像数据
extern unsigned char *shared_image_data;
extern int shared_image_width;
extern int shared_image_height;

// 线程处理的区域
typedef struct {
  int start_row;
  int end_row;
} Region;

// 灰度化函数
void grayscale(unsigned char *data, int width, int height, int start_row, int end_row) {
  for (int i = start_row; i < end_row; i++) {
    for (int j = 0; j < width; j++) {
      int index = (i * width + j) * 4; // RGBA
      unsigned char r = data[index];
      unsigned char g = data[index + 1];
      unsigned char b = data[index + 2];
      unsigned char gray = (r + g + b) / 3;
      data[index] = gray;
      data[index + 1] = gray;
      data[index + 2] = gray;
    }
  }
}

// 线程函数
void *thread_function(void *arg) {
  Region *region = (Region *)arg;
  grayscale(shared_image_data, shared_image_width, shared_image_height, region->start_row, region->end_row);
  pthread_exit(NULL);
  return NULL;
}

// 主函数，用于创建线程并处理图像
void process_image(int num_threads) {
  pthread_t threads[num_threads];
  Region regions[num_threads];

  int rows_per_thread = shared_image_height / num_threads;

  for (int i = 0; i < num_threads; i++) {
    regions[i].start_row = i * rows_per_thread;
    regions[i].end_row = (i == num_threads - 1) ? shared_image_height : (i + 1) * rows_per_thread;

    pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, &regions[i]);
  }

  for (int i = 0; i < num_threads; i++) {
    pthread_join(threads[i], NULL);
  }
}

3.2 JavaScript 代码

// 加载图像数据
const image = new Image();
image.src = 'your_image.jpg'; // 替换为你的图像路径
image.onload = async () => {
  const canvas = document.createElement('canvas');
  canvas.width = image.width;
  canvas.height = image.height;
  const ctx = canvas.getContext('2d');
  ctx.drawImage(image, 0, 0);
  const imageData = ctx.getImageData(0, 0, image.width, image.height);

  // 创建 SharedArrayBuffer
  const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(imageData.data.length);
  const sharedImageData = new Uint8ClampedArray(sharedBuffer);
  sharedImageData.set(imageData.data);

  // 创建 Wasm 模块
  const module = await createModule({
    sharedMemory: sharedBuffer,
    // 传递图像的宽度和高度
    locateFile: (path, prefix) => {
      if (path.endsWith('.wasm')) {
        return prefix + path;
      }
      return prefix + path;
    }
  });

  // 设置共享内存中的图像数据
  module.shared_image_data = sharedImageData.byteOffset;
  module.shared_image_width = image.width;
  module.shared_image_height = image.height;

  // 调用 Wasm 函数处理图像
  const numThreads = navigator.hardwareConcurrency || 4; // 获取 CPU 核心数，或者使用默认值 4
  module._process_image(numThreads);

  // 将处理后的图像数据绘制到 Canvas 上
  const processedImageData = new ImageData(sharedImageData, image.width, image.height);
  ctx.putImageData(processedImageData, 0, 0);

  // 将 Canvas 显示在页面上
  document.body.appendChild(canvas);
};

这个例子展示了如何使用 Wasm Threads 和 Shared Memory 实现一个简单的图像灰度化处理程序。你可以根据自己的需求，修改代码来实现更复杂的图像处理算法。

第四章：注意事项与性能优化

虽然 Wasm Threads 和 Shared Memory 功能强大，但在使用时也需要注意一些问题。

• 线程安全：确保你的代码是线程安全的，避免数据竞争。
• 内存管理：合理管理 Shared Memory，避免内存泄漏。
• 性能优化：合理分配任务，避免线程之间的过度同步。
• 浏览器兼容性：并非所有浏览器都支持 Wasm Threads 和 Shared Memory，需要进行兼容性处理。

性能优化建议

• 减少锁的使用：锁的开销比较大，尽量减少锁的使用，可以使用无锁数据结构。
• 合理分配任务：根据 CPU 核心数，合理分配任务，避免线程之间的空闲等待。
• 使用 SIMD 指令：Wasm 支持 SIMD 指令，可以加速图像处理等计算密集型任务。

总结：Wasm 多线程的未来

Wasm Threads 和 Shared Memory 的出现，让 Wasm 拥有了强大的多线程能力，可以胜任更复杂的任务。虽然目前还处于发展阶段，但相信在不久的将来，Wasm 多线程技术将会得到广泛应用，为 Web 应用带来更强大的性能和更丰富的功能。

彩蛋：Wasm 多线程的适用场景

• 游戏开发：物理引擎、AI 计算等。
• 图像处理：图像滤镜、图像识别等。
• 音视频处理：音频编解码、视频编辑等。
• 科学计算：数值模拟、数据分析等。

好了，今天的讲座就到这里。希望大家有所收获！如果大家有什么问题，可以在评论区留言，我会尽力解答。感谢大家的观看，我们下期再见！