JS `WebAssembly` `Custom Sections`：存储模块元数据与工具链集成

咳咳，大家好，我是你们今天的导游，将带领大家探索 WebAssembly 模块中那些神秘的“自定义段（Custom Sections）”。 系好安全带，让我们一起揭开它们的神秘面纱！

WebAssembly 模块的骨架：不仅仅是代码

首先，让我们回顾一下 WebAssembly 模块的基本结构。一个典型的 WebAssembly 模块就像一栋精心设计的建筑物，包含多个不同的“房间”，每个房间都有特定的用途：

• 类型段 (Type Section): 定义函数签名，告诉我们函数接收什么参数，返回什么值。
• 导入段 (Import Section): 声明模块需要从外部环境导入的内容，比如 JavaScript 函数。
• 函数段 (Function Section): 声明模块内部定义的函数，但仅仅是声明，还没有具体的代码。
• 表段 (Table Section): 定义函数指针表，用于间接调用函数。
• 内存段 (Memory Section): 定义线性内存，WebAssembly 可以读写这块内存。
• 全局段 (Global Section): 定义全局变量。
• 导出段 (Export Section): 声明模块对外暴露的函数、内存、表或全局变量，以便 JavaScript 可以访问。
• 起始段 (Start Section): 指定模块加载时自动执行的函数。
• 元素段 (Element Section): 初始化函数指针表。
• 数据段 (Data Section): 初始化线性内存。
• 代码段 (Code Section): 包含函数体的实际代码。

这些段就像房屋的承重墙、门窗和管道，共同构成了一个可执行的 WebAssembly 模块。但是，如果仅仅只有这些“标准房间”，WebAssembly 模块就显得有些单调了。想象一下，一栋房子只有基本的房间，没有储物间、地下室，甚至没有装饰品，那该多么缺乏个性！

这时候，就需要“自定义段”来发挥作用了。

Custom Sections：WebAssembly 的百宝箱

自定义段就像 WebAssembly 模块的百宝箱，允许开发者在模块中存储任意的元数据和附加信息。 它们就像房屋中的储物间、地下室，甚至是你精心挑选的装饰品，可以用来存放各种各样的东西，并且不会影响模块的正常执行。

自定义段的格式

每个自定义段都由两部分组成：

• 名称 (Name): 一个 UTF-8 编码的字符串，用于标识自定义段的类型和用途。
• 数据 (Data): 任意的字节序列，用于存储实际的元数据。

让我们用一个表格来总结一下：

字段	描述
名称	一个 UTF-8 字符串，用于标识自定义段。例如，"author"、"version"、"debug_info" 等。
数据	任意的字节序列，用于存储实际的元数据。数据可以采用任何格式，比如 JSON、XML、Protocol Buffers，甚至可以是自定义的二进制格式。数据的具体含义由自定义段的名称决定。

自定义段的应用场景

自定义段的应用场景非常广泛，几乎任何需要额外元数据或工具链集成的地方都可以使用它们。 让我们来看几个常见的例子：

1. 调试信息:

   调试器可以使用自定义段来存储调试信息，比如源代码的行号、变量名、函数名等。这样，调试器就可以将 WebAssembly 代码映射回原始的源代码，方便开发者进行调试。

   例如，一个名为 ".debug_info" 的自定义段可以包含 DWARF 调试信息，这是一种通用的调试信息格式，被广泛应用于各种编程语言和工具链。

   // 使用 LLVM 生成包含 DWARF 调试信息的 WebAssembly 模块
   #include <llvm/Support/CommandLine.h>
   #include <llvm/Support/FileSystem.h>
   #include <llvm/Support/Host.h>
   #include <llvm/Support/raw_ostream.h>
   #include <llvm/Target/TargetOptions.h>
   #include <llvm/TargetParser/TargetRegistry.h>
   #include <llvm/IR/Module.h>
   #include <llvm/IR/IRBuilder.h>
   #include <llvm/Analysis/Verifier.h>
   #include <llvm/Transforms/Utils/ModuleUtils.h>
   #include <llvm/Transforms/InstCombine/InstCombine.h>
   #include <llvm/Transforms/Scalar.h>
   #include <llvm/Transforms/Scalar/GVN.h>
   #include <llvm/Passes/PassBuilder.h>
   #include <llvm/BinaryFormat/Wasm.h>
   #include <llvm/Support/FormattedStream.h>
   
   using namespace llvm;
   
   int main(int argc, char **argv) {
       // 创建 LLVM 上下文
       LLVMContext context;
   
       // 创建模块
       Module module("my_module", context);
       module.setTargetTriple(sys::getDefaultTargetTriple());
   
       // 创建函数类型
       FunctionType *funcType = FunctionType::get(Type::getInt32Ty(context), false);
   
       // 创建函数
       Function *func = Function::Create(funcType, Function::ExternalLinkage, "my_function", module);
   
       // 创建基本块
       BasicBlock *entry = BasicBlock::Create(context, "entry", func);
   
       // 创建 IR 构建器
       IRBuilder<> builder(entry);
   
       // 创建返回值
       Value *returnValue = builder.getInt32(42);
   
       // 返回
       builder.CreateRet(returnValue);
   
       // 验证模块
       if (verifyModule(module, &errs())) {
           errs() << "Error: Module verification failed.n";
           return 1;
       }
   
       // 初始化目标
       InitializeAllTargetInfos();
       InitializeAllTargets();
       InitializeAllTargetMCs();
       InitializeAllAsmParsers();
       InitializeAllAsmPrinters();
   
       auto targetTriple = sys::getDefaultTargetTriple();
       std::string error;
       auto target = TargetRegistry::lookupTarget(targetTriple, error);
   
       if (!target) {
           errs() << "Error: " << error;
           return 1;
       }
   
       auto cpu = "generic";
       auto features = "";
   
       TargetOptions opt;
       auto rm = Optional<Reloc::Model>();
       auto targetMachine = target->createTargetMachine(targetTriple, cpu, features, opt, rm);
   
       module.setDataLayout(targetMachine->createDataLayout());
       module.setTargetTriple(targetTriple);
   
       // 创建 PassManagerBuilder
       PassBuilder passBuilder;
       ModuleAnalysisManager mam;
       FunctionAnalysisManager fam;
       CGSCCAnalysisManager cgam;
       LoopAnalysisManager lam;
       passBuilder.registerModuleAnalyses(mam);
       passBuilder.registerFunctionAnalyses(fam);
       passBuilder.registerCGSCCAnalyses(cgam);
       passBuilder.registerLoopAnalyses(lam);
       passBuilder.crossRegisterProxies(lam, fam, cgam, mam);
   
       ModulePassManager mpm = passBuilder.buildPerModuleDefaultPipeline(OptimizationLevel::O1);
   
       // 运行优化
       mpm.run(module, mam);
   
       // 打开输出文件
       std::error_code ec;
       raw_fd_ostream dest("my_module.wasm", ec, sys::fs::OF_None);
   
       if (ec) {
           errs() << "Could not open file: " << ec.message();
           return 1;
       }
   
       // 创建 WebAssembly 目标对象文件发射器
       legacy::PassManager pass;
       targetMachine->addPassesToEmitFile(pass, dest, nullptr, CodeGenFileType::CGFT_ObjectFile, true);
   
       // 发射对象文件
       pass.run(module);
   
       // 关闭输出文件
       dest.close();
   
       return 0;
   }

   编译上述代码，生成 my_module.wasm，并使用 wasm-objdump -s my_module.wasm 查看段信息，就能看到.debug_info相关的自定义段，里面存储了DWARF调试信息。

2. 元数据:

   开发者可以使用自定义段来存储模块的元数据，比如作者、版本号、许可证信息等。这些元数据可以帮助开发者更好地管理和维护 WebAssembly 模块。

   例如，一个名为 "author" 的自定义段可以包含模块的作者姓名，一个名为 "version" 的自定义段可以包含模块的版本号。

   // 创建一个包含元数据的 WebAssembly 模块
   const module = new WebAssembly.Module(new Uint8Array([
     0x00, 0x61, 0x73, 0x6d, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, // WebAssembly 魔数和版本号
   
     // 自定义段：作者
     0x01, // 段 ID (自定义段)
     0x08, // 段大小 (8 字节)
     0x06, // 名称长度 (6 字节)
     0x61, 0x75, 0x74, 0x68, 0x6f, 0x72, // 名称："author"
     0x0a, // 数据长度 (10 字节)
     0x4a, 0x6f, 0x68, 0x6e, 0x20, 0x44, 0x6f, 0x65, 0x00, 0x00, // 数据："John Doe" (带空字符结尾)
   
     // 自定义段：版本
     0x01, // 段 ID (自定义段)
     0x08, // 段大小 (8 字节)
     0x07, // 名称长度 (7 字节)
     0x76, 0x65, 0x72, 0x73, 0x69, 0x6f, 0x6e, // 名称："version"
     0x04, // 数据长度 (4 字节)
     0x01, 0x00, 0x00, 0x00, // 数据：版本号 1.0.0.0 (整数)
   
     // 类型段
     0x01, // 段 ID (类型段)
     0x04, // 段大小
     0x01, // 类型数量
     0x60, // 函数类型：(i32) -> (i32)
     0x01, 0x7f, 0x01, 0x7f,
   
     // 函数段
     0x03, // 段 ID (函数段)
     0x02, // 段大小
     0x01, // 函数数量
     0x00, // 类型索引
   
     // 导出段
     0x07, // 段 ID (导出段)
     0x07, // 段大小
     0x01, // 导出数量
     0x07, // 名称长度
     0x6d, 0x79, 0x5f, 0x66, 0x75, 0x6e, 0x63, // 名称 "my_func"
     0x00, // 导出类型：函数
     0x00, // 函数索引
   
     // 代码段
     0x0a, // 段 ID (代码段)
     0x09, // 段大小
     0x01, // 函数体数量
     0x07, // 函数体大小
     0x00, // 局部变量数量
     0x20, 0x00, // local.get 0
     0x41, 0x01, // i32.const 1
     0x6a,       // i32.add
     0x0f,       // return
     0x0b        // end
   ]));
   
   const instance = new WebAssembly.Instance(module);
   console.log(instance.exports.my_func(10)); // 输出 11

   这个例子展示了如何在 WebAssembly 模块中添加 "author" 和 "version" 两个自定义段。 请注意，这些自定义段不会影响模块的功能，仅仅是存储了一些元数据。可以使用 wasm-objdump -h your_module.wasm来查看这些自定义段。

3. 工具链集成:

   不同的工具链可以使用自定义段来存储特定的信息，以便在编译、优化和链接过程中进行交互。

   例如，一个编译器可以使用自定义段来存储编译器的版本号、优化级别等信息，以便在后续的构建过程中进行验证和兼容性检查。

   一个链接器可以使用自定义段来存储符号表、重定位信息等信息，以便在链接过程中进行符号解析和地址重定位。

   例如，Emscripten 就使用自定义段来存储 JavaScript glue 代码，以便在 WebAssembly 模块加载时自动执行 JavaScript 代码。

4. 安全信息:

   自定义段可以用来存储安全相关的元数据，例如代码签名、安全策略等。 这样，运行时环境就可以验证模块的安全性，并根据安全策略来限制模块的行为。

   例如，一个名为 "code_signature" 的自定义段可以包含模块的代码签名，用于验证模块的完整性和来源。

5. 实验性特性:

   自定义段可以用来实现一些实验性的特性，而无需修改 WebAssembly 的核心规范。 这样，开发者就可以在不破坏兼容性的前提下，尝试新的功能和优化。

   例如，一个名为 "experimental_feature" 的自定义段可以包含实验性特性的配置信息，用于启用或禁用该特性。

自定义段的优势

使用自定义段有很多优势：

• 灵活性: 自定义段可以存储任意的元数据，满足各种不同的需求。
• 可扩展性: 开发者可以根据自己的需要定义新的自定义段，而无需修改 WebAssembly 的核心规范。
• 兼容性: 自定义段不会影响 WebAssembly 模块的正常执行，即使运行时环境不支持特定的自定义段，模块仍然可以正常加载和运行。
• 工具链集成: 自定义段可以方便地集成到各种工具链中，实现编译、优化、链接、调试等功能。

自定义段的注意事项

在使用自定义段时，需要注意以下几点：

• 名称冲突: 为了避免名称冲突，建议使用命名空间来组织自定义段的名称。 例如，可以使用公司或组织的域名作为命名空间的前缀，比如 "com.example.my_custom_section"。
• 数据格式: 建议使用标准的数据格式，比如 JSON、XML、Protocol Buffers，以便不同的工具链可以方便地解析和处理自定义段的数据。
• 性能影响: 过多的自定义段可能会增加 WebAssembly 模块的大小，从而影响加载速度。 因此，应该尽量减少自定义段的数量和大小。
• 安全性: 在存储敏感信息时，应该采取适当的安全措施，比如加密和签名，以防止信息泄露和篡改。

代码示例：使用 wasm-bindgen 生成包含自定义段的 WebAssembly 模块

wasm-bindgen 是一个流行的 Rust 工具，用于生成 WebAssembly 模块和 JavaScript glue 代码。 我们可以使用 wasm-bindgen 来生成包含自定义段的 WebAssembly 模块。

1. 创建一个 Rust 项目:

   cargo new --lib my_wasm_module
   cd my_wasm_module

2. 添加 wasm-bindgen 依赖:

   cargo add wasm-bindgen

3. 修改 src/lib.rs 文件:

   use wasm_bindgen::prelude::*;
   
   #[wasm_bindgen]
   extern "C" {
       #[wasm_bindgen(js_namespace = console)]
       fn log(s: &str);
   }
   
   #[wasm_bindgen]
   pub fn greet(name: &str) {
       log(&format!("Hello, {}!", name));
   }
   
   // 添加自定义段
   #[link_section = ".my_custom_section"]
   static MY_CUSTOM_DATA: [u8; 16] = [
       0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08,
       0x09, 0x0a, 0x0b, 0x0c, 0x0d, 0x0e, 0x0f, 0x10,
   ];

   在这个例子中，我们使用 #[link_section = ".my_custom_section"] 属性来将 MY_CUSTOM_DATA 静态变量放入名为 ".my_custom_section" 的自定义段中。

4. 修改 Cargo.toml 文件:

   [package]
   name = "my_wasm_module"
   version = "0.1.0"
   edition = "2021"
   
   [lib]
   crate-type = ["cdylib"]
   
   [dependencies]
   wasm-bindgen = "0.2"

5. 构建 WebAssembly 模块:

   wasm-pack build --target web

   这将会生成一个名为 pkg 的目录，其中包含 WebAssembly 模块 (my_wasm_module.wasm) 和 JavaScript glue 代码 (my_wasm_module.js)。

6. 查看自定义段:

   可以使用 wasm-objdump -s pkg/my_wasm_module_bg.wasm 命令来查看生成的 WebAssembly 模块，并确认是否包含 ".my_custom_section" 自定义段。

   pkg/my_wasm_module_bg.wasm: file format wasm 0x1
   
   Sections:
   
   ...
   Section: custom section ".my_custom_section" has length 20
       - start: 0x00000072 (file position 0x72)
       - size: 20 bytes
       - name: .my_custom_section
       - content:
           0000072: 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10  ................
   ...

   可以看到，生成的 WebAssembly 模块中包含了 ".my_custom_section" 自定义段，并且包含了我们定义的 16 字节的数据。

总结

自定义段是 WebAssembly 模块中一个非常强大的特性，允许开发者存储任意的元数据和附加信息，从而实现各种不同的功能和工具链集成。 掌握自定义段的使用方法，可以帮助你更好地利用 WebAssembly 的潜力，构建更加强大和灵活的 Web 应用。

希望今天的讲座能帮助大家更好地理解 WebAssembly 自定义段。 感谢大家的参与，下次再见！