JS `WebAssembly` `Stack Switching Proposal`：Wasm 层面的协程支持

各位靓仔靓女，晚上好！今天咱们聊聊一个挺酷炫的东西：WebAssembly 的 Stack Switching Proposal，也就是 Wasm 层面的协程支持。

开场白：协程是个啥？

在深入 Wasm 之前，先得跟大家唠唠协程这玩意儿。简单来说，协程就像是轻量级的线程，但它比线程更“听话”。线程是操作系统调度，协程是程序员自己说了算。你可以手动暂停一个协程，然后切到另一个协程去执行，等到合适的时机再切回来。这种切换的开销比线程小很多，所以能更高效地利用 CPU 资源。

举个例子，你一边听歌一边写代码，这就是一种“并发”的感觉。用线程也能实现，但用协程更丝滑，资源消耗更少。

Wasm 和协程：干柴烈火，天生一对

WebAssembly 本身是一个低级的、可移植的字节码格式，它被设计成一个高性能的执行环境。但是，原生的 Wasm 缺乏一些高级的并发特性，比如线程（Thread）和协程（Coroutine）。线程支持虽然可以通过 SharedArrayBuffer 和 Atomics 来实现，但涉及复杂的锁机制和同步，容易出错。而协程的轻量级特性，正好能弥补 Wasm 在并发方面的不足。

Wasm 协程提案的目标就是：在 Wasm 层面提供一种高效、安全的协程机制，让开发者能更容易地编写并发程序。

Stack Switching Proposal：Wasm 协程的核心

这个提案的核心就是“栈切换”（Stack Switching）。传统的函数调用会创建一个新的栈帧，函数返回时栈帧被销毁。而协程的栈切换，允许我们保存当前协程的栈状态，然后切换到另一个协程的栈上执行。等到需要切回来的时候，再恢复之前的栈状态。

想想看，这就像你在玩 RPG 游戏，可以随时存档，然后去玩另一个角色，等玩腻了再读档回来。

具体怎么玩？Wasm 指令集的新增

为了支持栈切换，Wasm 需要新增一些指令。目前的提案中，主要有以下几个关键指令：

指令	作用
stack.alloc	分配一个新的栈。这个指令会返回一个栈的引用，你可以把它理解成一个栈的 ID。
stack.save	保存当前栈的状态。这个指令会将当前栈的寄存器状态（比如程序计数器、栈指针）保存到一个预先分配好的内存区域中。
stack.restore	恢复之前保存的栈状态。这个指令会从内存区域中读取之前保存的寄存器状态，然后将当前栈切换到那个状态。
stack.switch	切换到另一个栈。这个指令结合了 stack.save 和 stack.restore 的功能，先保存当前栈的状态，然后切换到目标栈。
stack.push	将一个值推送到栈上。这个指令用于在协程之间传递数据。
stack.pop	从栈上弹出一个值。这个指令也用于在协程之间传递数据。
stack.closure.alloc	创建一个闭包栈，用于支持带有闭包的协程。闭包栈可以捕获外部变量，让协程可以访问定义时的上下文。

代码示例：Wasm 协程的简单实现

光说不练假把式，咱们来个简单的例子，用伪代码演示一下 Wasm 协程的实现：

;; 定义一个全局变量，用于保存当前协程的栈 ID
(global $current_stack i32)

;; 定义一个函数，用于创建协程
(func $create_coroutine (param $func_index i32) (result i32)
  ;; 分配一个新的栈
  (local $new_stack i32)
  (call $stack.alloc (result i32)
    (i32.const 1024) ;; 栈的大小，假设是 1024 字节
  )
  (local.set $new_stack)

  ;; 创建一个闭包栈，并将函数索引传递给闭包栈
  (call $stack.closure.alloc (result i32)
    (local.get $new_stack)
    (i32.const 8) ;; 闭包栈的大小
  )
  (local.set $new_stack)

  ;; 将函数索引推送到闭包栈上
  (call $stack.push
    (local.get $new_stack)
    (local.get $func_index)
  )

  ;; 初始化新栈的状态，指向目标函数
  ;; 这里需要一些平台相关的代码，比如设置程序计数器
  ;; 假设我们有一个函数 $set_entrypoint，用于设置入口点
  (call $set_entrypoint
    (local.get $new_stack)
    (local.get $func_index)
  )

  ;; 返回新栈的 ID
  (local.get $new_stack)
)

;; 定义一个函数，用于切换到另一个协程
(func $switch_to (param $target_stack i32)
  ;; 保存当前栈的状态
  (call $stack.save
    (global.get $current_stack)
  )

  ;; 切换到目标栈
  (call $stack.restore
    (local.get $target_stack)
  )

  ;; 更新当前栈的 ID
  (global.set $current_stack
    (local.get $target_stack)
  )

  ;; 执行目标协程
  (call $resume_coroutine) ;; 假设我们有一个函数 $resume_coroutine，用于恢复协程的执行
)

;; 定义一个简单的协程函数
(func $coroutine_func (param $arg i32)
  ;; 打印参数
  (call $print_int (local.get $arg))

  ;; 切换回主协程
  (call $switch_to (i32.const 0)) ;; 假设主协程的栈 ID 是 0
)

;; 主函数
(func $main
  ;; 创建一个协程
  (local $coroutine_stack i32)
  (call $create_coroutine (result i32)
    (i32.const $coroutine_func) ;; 传递协程函数的索引
  )
  (local.set $coroutine_stack)

  ;; 切换到协程
  (call $switch_to (local.get $coroutine_stack))

  ;; 打印一条消息
  (call $print_string (i32.const "Back to main coroutine!"))
)

这个例子只是一个简化版，实际的 Wasm 协程实现会更复杂，涉及到更多的底层细节。但是，它能让你对 Wasm 协程的基本原理有个初步的了解。

Wasm 协程的优势：高性能、高并发

• 轻量级切换： 协程的栈切换比线程切换开销小得多，能更快地响应事件。
• 更好的资源利用： 协程不需要像线程那样分配独立的内核资源，能更高效地利用 CPU 和内存。
• 更容易的并发编程： 协程的同步机制比线程简单，能减少并发编程的复杂性。

Wasm 协程的应用场景：潜力无限

• 游戏开发： 可以用协程来管理游戏中的各种任务，比如 AI、动画、物理模拟等，提高游戏性能。
• 网络编程： 可以用协程来处理大量的并发连接，构建高性能的网络服务器。
• UI 开发： 可以用协程来处理用户界面事件，提高 UI 的响应速度。
• 区块链： 一些区块链项目也在考虑使用 Wasm 协程来优化智能合约的执行效率。
• 嵌入式系统： 协程的低资源消耗特性，非常适合在资源有限的嵌入式系统中使用。

Wasm 协程的挑战：标准、工具链、生态

• 标准尚未最终确定： Stack Switching Proposal 还在不断演进，最终的标准可能还会有所变化。
• 工具链支持不足： 目前的 Wasm 工具链对协程的支持还不够完善，需要更多的开发工作。
• 生态系统需要建设： 需要更多的库和框架来支持 Wasm 协程，才能让开发者更容易地使用它。
• 调试和错误处理： 协程的调试和错误处理比传统的函数调用更复杂，需要更强大的工具支持。

Wasm 协程的未来：值得期待

尽管 Wasm 协程还面临一些挑战，但它的潜力是巨大的。随着 Wasm 标准的不断完善、工具链的不断成熟、生态系统的不断丰富，Wasm 协程有望成为一种重要的并发编程技术，为 WebAssembly 带来更强大的功能和更高的性能。

与其他技术的对比

为了更好地理解Wasm协程的优势和局限性，可以将其与其他并发模型进行对比。

特性/技术	线程 (Threads)	协程 (Coroutines)	Web Workers
调度方式	操作系统内核调度	用户态调度	浏览器调度
资源消耗	每个线程有独立的栈和内核资源	轻量级，共享进程资源	每个Worker有独立的上下文和脚本执行环境
并发模型	真并发 (并行执行)	伪并发 (交替执行)	真并发 (并行执行)
通信方式	共享内存 (需要锁机制)	共享内存 (通常不需要锁，因为是协作式调度)	消息传递 (Message Passing)
适用场景	CPU密集型任务，需要真正的并行执行	I/O密集型任务，需要高并发，避免阻塞	后台任务，不阻塞主线程的UI渲染
复杂性	复杂 (锁、同步、死锁)	相对简单 (避免了锁的复杂性)	相对简单 (异步消息传递)
Wasm支持	SharedArrayBuffer + Atomics	Stack Switching Proposal (仍在开发中)	可以通过Web Workers运行Wasm模块，实现并发
性能	受限于线程切换开销，锁竞争	切换开销小，并发性能高	通信开销大，不适合频繁的数据交换

总结

Wasm 协程是一个激动人心的提案，它有望为 WebAssembly 带来革命性的变化。虽然目前还处于早期阶段，但它的潜力是巨大的。未来，我们可以期待 Wasm 协程在游戏开发、网络编程、UI 开发等领域发挥重要作用。

Q&A 环节

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