JS `WebAssembly` `System Interface (WASI)`：Wasm 在服务器端的应用

各位好，今天咱们聊聊一个挺时髦的技术：WASI，也就是 WebAssembly System Interface。这玩意儿听着高大上，但其实就是让 WebAssembly (Wasm) 不仅仅在浏览器里玩，还能跑到服务器上、甚至是嵌入式设备里撒欢儿。

开场白：Wasm 的野心和浏览器的牢笼

先说说 WebAssembly。这玩意儿最初是为浏览器设计的，目标是解决 JavaScript 的性能问题。Wasm 是一种二进制格式，浏览器可以飞快地解析和执行它。想想一下，以前那些在浏览器里跑的重型应用，比如游戏、图像处理，现在都能跑得更快更流畅了。

但问题来了，浏览器就像一个沙盒，限制了 Wasm 的能力。Wasm 只能访问浏览器提供的 API，没法直接访问文件系统、网络、操作系统等等。这就像把一只老虎关在笼子里，再厉害也施展不开。

WASI：给 Wasm 松绑

WASI 就是来解决这个问题的。它是一个标准化的系统接口，让 Wasm 模块可以安全地访问底层系统资源，而不需要依赖特定的操作系统或运行时环境。简单来说，WASI 定义了一套通用的 API，Wasm 模块通过这些 API 与操作系统交互，就像插座和插头一样，只要接口一致，就能通用。

WASI 的核心概念：Capability-based Security

WASI 采用了一种叫做 "capability-based security" 的安全模型。这是一种权限管理方式，与传统的基于用户身份的权限管理不同。在 capability-based security 中，你不是根据你是谁来决定你有什么权限，而是根据你持有什么 "capability" (能力)。

举个例子，你想读取一个文件，不是因为你是管理员，而是因为你持有一个 "读取该文件" 的 capability。这种方式更加灵活和安全，因为权限可以更加精细地控制。

WASI 的 API

WASI 提供了很多 API，涵盖了文件系统、网络、时钟、随机数等等。下面是一些常用的 API 示例：

API 函数名	描述
fd_read	从文件描述符读取数据
fd_write	向文件描述符写入数据
fd_close	关闭文件描述符
fd_seek	改变文件描述符的读写位置
fd_tell	获取文件描述符的当前读写位置
environ_get	获取环境变量
environ_sizes_get	获取环境变量的大小
clock_time_get	获取当前时间
random_get	获取随机数

这些 API 都是以函数调用的形式提供的，Wasm 模块可以通过 import 语句引入这些函数，然后在代码中使用。

一个简单的 WASI 程序：Hello World

咱们来写一个简单的 WASI 程序，在控制台输出 "Hello, WASI!"。

1. 编写 C 代码：

   #include <stdio.h>
   
   int main() {
     printf("Hello, WASI!n");
     return 0;
   }

2. 编译成 Wasm 模块：

   使用 Emscripten 编译器将 C 代码编译成 Wasm 模块。Emscripten 是一个可以将 C/C++ 代码编译成 WebAssembly 的工具。

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

   • emcc hello.c: 编译 hello.c 文件。
   • -o hello.wasm: 指定输出文件名为 hello.wasm。
   • -s WASM=1: 启用 WebAssembly 支持。
   • -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_main']": 导出 main 函数，使其可以被 JavaScript 调用。
   • -s "wasi=true": 启用 WASI 支持。

3. 运行 Wasm 模块：

   可以使用 wasmtime 运行时来运行 Wasm 模块。wasmtime 是一个由 Bytecode Alliance 开发的 Wasm 运行时。

   wasmtime hello.wasm

   如果一切顺利，你应该能在控制台上看到 "Hello, WASI!"。

稍微复杂一点的例子：读取文件内容

接下来，咱们写一个稍微复杂一点的 WASI 程序，读取一个文件的内容并输出到控制台。

1. 编写 C 代码：

   #include <stdio.h>
   #include <stdlib.h>
   
   int main(int argc, char *argv[]) {
     if (argc != 2) {
       fprintf(stderr, "Usage: readfile <filename>n");
       return 1;
     }
   
     const char *filename = argv[1];
     FILE *file = fopen(filename, "r");
   
     if (file == NULL) {
       perror("Error opening file");
       return 1;
     }
   
     char buffer[256];
     size_t bytesRead;
   
     while ((bytesRead = fread(buffer, 1, sizeof(buffer), file)) > 0) {
       fwrite(buffer, 1, bytesRead, stdout);
     }
   
     fclose(file);
     return 0;
   }

2. 编译成 Wasm 模块：

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

3. 运行 Wasm 模块：

   首先，创建一个名为 test.txt 的文件，并在其中写入一些内容。

   echo "This is a test file for WASI." > test.txt

   然后，运行 Wasm 模块，并将文件名作为参数传递给它。

   wasmtime readfile.wasm test.txt

   你应该能在控制台上看到 test.txt 文件的内容。

WASI 的应用场景

WASI 为 Wasm 打开了新的大门，让 Wasm 可以应用到更多的场景中。

• 服务器端应用： WASI 可以用来构建高性能、安全、可移植的服务器端应用。比如，可以用 Wasm 来实现 Web 服务器、API 网关、无服务器函数等等。
• 边缘计算： WASI 可以让 Wasm 运行在边缘设备上，比如物联网设备、智能家居设备等等。这可以减少延迟、提高响应速度。
• 嵌入式系统： WASI 可以让 Wasm 运行在嵌入式系统中，比如智能手表、无人机等等。这可以提高代码的可移植性和安全性。
• 插件系统： WASI 可以用来构建插件系统，让用户可以扩展应用的功能。比如，可以用 Wasm 来实现文本编辑器的插件、图像处理软件的插件等等。
• 命令行工具： WASI 可以用来构建命令行工具，比如图片转换工具、文本处理工具等等。

WASI 的优势

• 可移植性： Wasm 模块可以在不同的操作系统和硬件平台上运行，只要有支持 WASI 的运行时环境。
• 安全性： WASI 采用 capability-based security 模型，可以精细地控制权限，防止恶意代码访问敏感资源。
• 高性能： Wasm 是一种二进制格式，可以被快速地解析和执行。
• 语言无关性： 可以使用多种编程语言来编写 Wasm 模块，比如 C、C++、Rust、Go 等等。

WASI 的局限性

• 生态系统还在发展中： WASI 仍然是一个相对较新的技术，生态系统还在不断发展中。
• API 还在完善中： WASI 的 API 还在不断完善中，有些功能可能还不支持。
• 调试比较困难： 调试 Wasm 模块相对比较困难，需要使用专门的调试工具。

WASI 的未来

WASI 的未来一片光明。随着生态系统的不断完善和 API 的不断丰富，WASI 将会在更多的领域得到应用。

• Component Model： WASI 正在朝着 Component Model 发展，这是一种更高级的模块化方式，可以让 Wasm 模块更容易组合和重用。
• 标准化： WASI 正在被标准化，这将有助于提高其普及程度。
• 更多语言的支持： 越来越多的编程语言将会支持 WASI。

代码示例：Rust + WASI

Rust 对 WASI 的支持非常友好。下面是一个使用 Rust 编写的 WASI 程序，它可以读取环境变量并输出到控制台。

use std::env;

fn main() {
    println!("Environment variables:");
    for (key, value) in env::vars() {
        println!("{}: {}", key, value);
    }
}

1. 编译成 Wasm 模块：

   首先，确保你安装了 Rust 和 wasm32-wasi target。

   rustup target add wasm32-wasi

   然后，使用 cargo 编译 Rust 代码。

   cargo build --target wasm32-wasi --release

   编译后的 Wasm 模块位于 target/wasm32-wasi/release/your_project_name.wasm。

2. 运行 Wasm 模块：

   wasmtime target/wasm32-wasi/release/your_project_name.wasm

   你应该能在控制台上看到环境变量的列表。

更高级的应用：WASI + HTTP

现在，让我们看看如何使用 WASI 构建一个简单的 HTTP 服务器。虽然 WASI 本身并没有提供直接的 HTTP API，但我们可以使用一些库来实现这个功能。

一个流行的选择是 spin，它是一个用于构建基于 WASI 的 Web 应用的框架。

1. 安装 Spin：

   cargo install spin-cli

2. 创建 Spin 应用：

   spin new -t http-rust hello-http
   cd hello-http

3. 修改 src/lib.rs：

   use spin_sdk::http::{Request, Response};
   use spin_sdk::http_component;
   
   #[http_component]
   fn handle_http(req: Request) -> Response {
       println!("{:?}", req);
       let body = "Hello, Spin!".to_string();
       Response::builder()
           .status(200)
           .header("Content-Type", "text/plain")
           .body(body)
           .build()
           .unwrap()
   }

4. 构建和运行应用：

   spin build
   spin up

   现在，你可以在浏览器中访问 http://localhost:3000，你应该能看到 "Hello, Spin!"。

总结

WASI 为 WebAssembly 打开了无限可能，让 Wasm 不再局限于浏览器。它提供了一种安全、可移植、高性能的方式来运行 Wasm 模块，并将其应用到服务器端、边缘计算、嵌入式系统等领域。虽然 WASI 还在发展中，但它的潜力是巨大的。希望今天的讲解能让你对 WASI 有一个更深入的了解。

Q&A 环节

现在，大家有什么问题可以提问，我会尽力解答。祝大家学习愉快！