发布于 由admin

JS `WebAssembly` `FFI` (Foreign Function Interface) 的性能考量与优化

大家好！今天咱们来聊聊 JavaScript、WebAssembly 和 FFI（Foreign Function Interface）这仨凑一块儿的那些性能事儿。别怕，虽然名字听着高大上，但其实挺接地气的。咱们尽量用大白话，配上代码，把这事儿掰开了揉碎了说清楚。

开场白：WebAssembly，JavaScript 的好基友，但有时也需要媒婆（FFI）

WebAssembly（Wasm）这玩意儿，大家都知道，是个能跑在浏览器里的虚拟机。它最大的优点就是快！比 JavaScript 快得多。很多计算密集型的任务，比如图像处理、游戏引擎啥的，都喜欢用 Wasm 来搞。

JavaScript 呢，是浏览器的老大哥，负责处理用户交互、DOM 操作等等。它很灵活，但性能上确实不如 Wasm。

问题来了：Wasm 和 JavaScript 这俩货，虽然都住在浏览器里，但它们是独立运行的。Wasm 模块不能直接调用 JavaScript 函数，JavaScript 也不能直接访问 Wasm 模块的内存。这就需要一个“媒婆”，也就是 FFI，来牵线搭桥。

第一部分：FFI 的基本原理：牵线搭桥的那些事儿

FFI，顾名思义，就是让不同语言编写的代码能够互相调用。在 WebAssembly 的场景下，它主要负责以下几件事：

  1. 数据类型转换： JavaScript 和 WebAssembly 使用不同的数据类型。比如，JavaScript 里数字是 Number，WebAssembly 里有 i32, i64, f32, f64 等等。FFI 需要负责把 JavaScript 的数据类型转换成 WebAssembly 能理解的类型，反之亦然。
  2. 内存管理： WebAssembly 有自己的线性内存空间，JavaScript 无法直接访问。FFI 需要提供一些方法，让 JavaScript 能够读写 WebAssembly 的内存。
  3. 函数调用： FFI 需要负责把 JavaScript 函数调用转换成 WebAssembly 函数调用，反之亦然。

举个例子：一个简单的加法运算

假设我们有一个用 C 语言编写的加法函数，编译成了 WebAssembly 模块：

// add.c
int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

用 Emscripten 编译成 WebAssembly：

emcc add.c -o add.js -s WASM=1 -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORT_NAME="AddModule"'

现在，我们需要在 JavaScript 中调用这个 add 函数。

// index.js
async function run() {
  const module = await AddModule(); // 加载 WebAssembly 模块

  const add = module.cwrap('add', 'number', ['number', 'number']); // 创建 JavaScript 包装函数

  const result = add(5, 3); // 调用 WebAssembly 函数

  console.log('Result:', result); // 输出结果
}

run();

在这个例子中，module.cwrap 就是 FFI 的一部分。它做了以下事情：

  • ‘add’: 指定要调用的 WebAssembly 函数名。
  • ‘number’: 指定 WebAssembly 函数的返回值类型（number 对应 JavaScript 的 Number 类型）。
  • [‘number’, ‘number’]: 指定 WebAssembly 函数的参数类型（两个 number，对应 JavaScript 的 Number 类型）。

cwrap 返回一个 JavaScript 函数 add，我们可以像调用普通 JavaScript 函数一样调用它。cwrap 会自动进行数据类型转换和函数调用，把 JavaScript 的参数传递给 WebAssembly 函数，并把 WebAssembly 函数的返回值转换成 JavaScript 的 Number 类型。

第二部分：FFI 的性能瓶颈：媒婆也不好当啊

虽然 FFI 解决了 JavaScript 和 WebAssembly 互相调用的问题，但它也引入了一些性能开销。主要体现在以下几个方面：

  1. 数据类型转换： 数据类型转换是一个耗时的操作。JavaScript 的 Number 类型是 64 位的浮点数，而 WebAssembly 的 i32 类型是 32 位的整数。把 64 位的浮点数转换成 32 位的整数，需要进行截断操作，反之亦然。
  2. 内存拷贝： 如果需要在 JavaScript 和 WebAssembly 之间传递大量数据，比如图像数据、音频数据等，就需要进行内存拷贝。内存拷贝也是一个耗时的操作。
  3. 函数调用开销： JavaScript 函数调用和 WebAssembly 函数调用是不同的。FFI 需要负责把 JavaScript 函数调用转换成 WebAssembly 函数调用，这也会引入一些额外的开销。

我们可以用一个表格来总结一下：

性能瓶颈 原因 解决方案
数据类型转换 JavaScript 和 WebAssembly 使用不同的数据类型。 尽量使用相同的数据类型，减少数据类型转换的次数。如果必须进行数据类型转换，尽量使用高效的转换算法。
内存拷贝 需要在 JavaScript 和 WebAssembly 之间传递大量数据。 尽量减少内存拷贝的次数。如果必须进行内存拷贝，尽量使用高效的拷贝算法。可以使用 WebAssembly 的 SharedArrayBuffer 来共享内存。
函数调用开销 JavaScript 函数调用和 WebAssembly 函数调用是不同的。 尽量减少函数调用的次数。如果必须进行函数调用，尽量使用高效的调用方式。

第三部分：FFI 性能优化：媒婆进化论

既然知道了 FFI 的性能瓶颈，接下来咱们就来聊聊如何优化 FFI 的性能。

  1. 减少数据类型转换：

    • 尽量使用相同的数据类型： 如果 WebAssembly 模块只需要处理整数，那么尽量在 JavaScript 中也使用整数。可以使用 Math.trunc 来把 JavaScript 的 Number 类型转换成整数。

      const intValue = Math.trunc(floatValue);

    • 使用 HEAPU8, HEAPU32 等类型数组： Emscripten 提供了一些类型数组，可以直接访问 WebAssembly 的内存。这些类型数组可以避免数据类型转换。

      // 获取 WebAssembly 的内存
const wasmMemory = Module.wasmMemory.buffer;

// 创建一个 Uint8Array，指向 WebAssembly 的内存
const byteArray = new Uint8Array(wasmMemory);

// 访问 WebAssembly 的内存
const value = byteArray[address];

  2. 减少内存拷贝：

    • 使用 SharedArrayBuffer： SharedArrayBuffer 允许 JavaScript 和 WebAssembly 共享同一块内存。这样就可以避免内存拷贝。

      // 创建一个 SharedArrayBuffer
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);

// 在 JavaScript 中创建一个 Uint8Array，指向 SharedArrayBuffer
const jsArray = new Uint8Array(sharedBuffer);

// 在 WebAssembly 中创建一个 Uint8Array，指向 SharedArrayBuffer
// (需要在 WebAssembly 代码中导入 SharedArrayBuffer)

// JavaScript 和 WebAssembly 可以同时读写 sharedBuffer

      注意： 使用 SharedArrayBuffer 需要设置 Cross-Origin-Embedder-Policy 和 Cross-Origin-Opener-Policy 头部。

    • 使用 WebAssembly.Memory.prototype.buffer： WebAssembly 模块的内存可以通过 WebAssembly.Memory.prototype.buffer 访问。这避免了拷贝内存的需要，但需要小心地管理内存的生命周期。

  3. 减少函数调用开销：

    • 批量处理数据： 如果需要多次调用 WebAssembly 函数，可以考虑把数据批量传递给 WebAssembly 函数，一次性处理。这可以减少函数调用的次数。

    • 使用 ccall 和 cwrap 的低级版本： ccall 和 cwrap 是 Emscripten 提供的用于调用 C 函数的便利函数。它们会自动进行数据类型转换和内存管理。但是，它们也有一定的性能开销。如果需要更高的性能，可以使用 Module.asm._func_name 直接调用 WebAssembly 函数。但是，你需要自己负责数据类型转换和内存管理。

      // 使用 Module.asm._func_name 直接调用 WebAssembly 函数
const result = Module.asm._add(5, 3); // 假设 _add 是 WebAssembly 函数名
    • Inline 函数： 将一些小函数直接内联到调用处可以减少函数调用开销。在 C/C++ 中可以使用 inline 关键字。

代码示例：使用 SharedArrayBuffer 优化图像处理

假设我们有一个 WebAssembly 模块，负责对图像进行处理。

// image_processor.c
#include <stdint.h>

void process_image(uint8_t *data, int width, int height) {
  // 对图像数据进行处理
  for (int i = 0; i < width * height; i++) {
    data[i] = 255 - data[i]; // 反色
  }
}

编译成 WebAssembly：

emcc image_processor.c -o image_processor.js -s WASM=1 -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_process_image']" -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORT_NAME="ImageProcessorModule"' -s SHARED_MEMORY=1

现在，我们要在 JavaScript 中调用这个 process_image 函数，对图像进行处理。

// index.js
async function run() {
  const module = await ImageProcessorModule();

  const width = 640;
  const height = 480;

  // 创建一个 SharedArrayBuffer
  const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(width * height);

  // 创建一个 Uint8Array，指向 SharedArrayBuffer
  const imageData = new Uint8Array(sharedBuffer);

  // 填充图像数据（这里只是简单地填充一些随机数据）
  for (let i = 0; i < width * height; i++) {
    imageData[i] = Math.floor(Math.random() * 256);
  }

  // 获取 WebAssembly 函数
  const processImage = module.cwrap('process_image', null, ['number', 'number', 'number']);

  // 调用 WebAssembly 函数
  processImage(imageData.byteOffset, width, height);

  // imageData 现在包含了处理后的图像数据
  // 可以把 imageData 显示在 Canvas 上
  console.log("Image processed!");
}

run();

在这个例子中，我们使用了 SharedArrayBuffer 来共享图像数据。这样就可以避免内存拷贝。imageData.byteOffset 传递的是 SharedArrayBuffer 的起始地址，这样 WebAssembly 就可以直接访问 JavaScript 创建的图像数据。

第四部分：Emscripten 的一些优化选项

Emscripten 提供了很多优化选项，可以帮助我们提高 WebAssembly 模块的性能。

  • -O2 或 -O3： 启用优化。-O3 比 -O2 更激进，可能会导致编译时间更长。
  • -s LLD_REPORT_DEAD_BYTES=1： 报告未使用的代码，可以帮助我们减少 WebAssembly 模块的大小。
  • -s ELIMINATE_DUPLICATE_FUNCTIONS=1： 删除重复的函数，可以减少 WebAssembly 模块的大小。
  • -s AGGRESSIVE_VARIABLE_ELIMINATION=1： 激进地删除未使用的变量，可以减少 WebAssembly 模块的大小。
  • -s MODULARIZE=1 -s ‘EXPORT_NAME="MyModule"’： 将 WebAssembly 模块导出为一个 JavaScript 模块。
  • -s ALLOW_MEMORY_GROWTH=1： 允许 WebAssembly 模块动态增长内存。

第五部分：性能测试和分析：知己知彼，百战不殆

优化 FFI 性能，需要进行性能测试和分析。我们可以使用浏览器的开发者工具来分析 FFI 的性能瓶颈。

  • Chrome DevTools： Chrome DevTools 提供了强大的性能分析工具，可以帮助我们分析 JavaScript 和 WebAssembly 代码的性能。
  • Firefox Developer Tools： Firefox Developer Tools 也提供了类似的性能分析工具。

通过性能测试和分析，我们可以找到 FFI 的性能瓶颈，并针对性地进行优化。

总结：FFI 优化之路，永无止境

FFI 是 JavaScript 和 WebAssembly 互相调用的桥梁。优化 FFI 性能，可以提高 WebAssembly 应用程序的整体性能。

  • 减少数据类型转换
  • 减少内存拷贝
  • 减少函数调用开销
  • 使用 Emscripten 的优化选项
  • 进行性能测试和分析

FFI 优化之路，永无止境。随着 WebAssembly 技术的不断发展，FFI 的性能也会不断提高。希望今天的分享对大家有所帮助！

最后，记住一点：没有银弹！ 优化 FFI 性能，需要根据具体的应用场景进行分析，找到最合适的解决方案。

谢谢大家！希望下次还有机会和大家交流。

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注