阐述 WebAssembly (Wasm) 的 Linear Memory 模型，以及 JavaScript WebAssembly.Memory 对象如何与 Wasm 模块进行高效的二进制数据交换。

早上好，各位！今天我们来聊聊WebAssembly（Wasm）的Linear Memory，以及JavaScript是如何和Wasm模块愉快地交换二进制数据的。这玩意儿听起来有点抽象，但其实挺有意思的，就像给两个不同星球的人搭桥，让他们能互相分享小零食一样。

Wasm Linear Memory：一块巨大的共享白板

首先，我们要理解什么是Linear Memory。可以把它想象成一块巨大的、连续的、可读写的内存区域，就像一块无限大的白板。Wasm模块就在这块白板上涂涂画画，存储各种数据，比如数字、字符串，甚至更复杂的数据结构。

• 线性（Linear）: 这意味着内存地址是连续的，从0开始，一直延伸到某个最大值。就像一根长长的绳子，每个位置都有一个编号。
• 可读写（Read-Write）: Wasm模块可以自由地读取和修改这块内存区域的内容。

这块白板对Wasm模块来说至关重要，它就是Wasm模块存储数据、进行计算的基础。

为什么要用Linear Memory？

你可能会问，为什么Wasm要搞这么一套特殊的内存模型呢？直接用JavaScript的内存不行吗？答案是：不行！JavaScript的内存管理是高度抽象的，由JavaScript引擎负责垃圾回收等操作。虽然方便，但性能较差，控制粒度也不够细。而Wasm的目标是高性能，它需要一种更直接、更可控的内存管理方式。

Linear Memory的优势在于：

• 性能: 直接操作内存，避免了JavaScript引擎的中间层，速度更快。
• 可控性: Wasm模块可以更精确地控制内存的分配和释放，减少不必要的开销。
• 安全性: 虽然Wasm可以直接操作内存，但它仍然是安全的。Wasm虚拟机（VM）会对内存访问进行严格的边界检查，防止Wasm模块访问到不属于它的内存区域，避免安全漏洞。

JavaScript WebAssembly.Memory对象：连接两个世界的桥梁

现在我们有了Wasm的Linear Memory这块白板，但JavaScript怎么才能访问它呢？这就轮到WebAssembly.Memory对象登场了。

WebAssembly.Memory对象是JavaScript中代表Wasm Linear Memory的接口。它可以让我们从JavaScript中读取和修改Wasm模块的内存。就像一个特殊的望远镜，通过它可以观察到Wasm世界里的情况。

创建WebAssembly.Memory对象

创建WebAssembly.Memory对象很简单，只需要指定初始大小和最大大小（可选）即可。大小以页（page）为单位，一页通常是64KB。

const memory = new WebAssembly.Memory({
  initial: 10, // 初始大小：10页，即640KB
  maximum: 100 // 最大大小：100页，即6.4MB (可选)
});

• initial: 必须指定，表示初始分配的内存页数。
• maximum: 可选，表示允许分配的最大内存页数。如果未指定，则没有最大限制（但实际上受限于浏览器的限制）。

重要提示： initial 和 maximum 都是以页（page）为单位的，一页等于64KB。

如何从JavaScript访问Wasm Linear Memory？

有了WebAssembly.Memory对象，我们就可以通过它的buffer属性来访问Wasm Linear Memory了。buffer属性返回一个ArrayBuffer对象，它代表了Wasm Linear Memory的原始字节数据。

const buffer = memory.buffer;

ArrayBuffer对象本身不能直接读写数据，我们需要借助TypedArray对象来操作它。TypedArray对象提供了更方便的方式来访问和修改ArrayBuffer中的数据，比如Uint8Array（8位无符号整数数组）、Int32Array（32位有符号整数数组）等等。

const uint8Array = new Uint8Array(buffer); // 将ArrayBuffer转换为Uint8Array
const int32Array = new Int32Array(buffer); // 将ArrayBuffer转换为Int32Array

现在，我们就可以通过uint8Array或int32Array来读取和修改Wasm Linear Memory中的数据了。

代码示例：JavaScript读取Wasm Linear Memory

假设Wasm模块在Linear Memory的地址100处存储了一个32位整数，我们可以用以下代码从JavaScript中读取它：

// 假设memory是WebAssembly.Memory对象
const buffer = memory.buffer;
const int32Array = new Int32Array(buffer);

const value = int32Array[100 / 4]; // 100 / 4 = 25，因为每个整数占4个字节
console.log("Value at address 100:", value);

重要提示：

• 我们需要将字节地址（100）转换为数组索引（25），因为int32Array是以32位整数为单位的数组。
• 不同的TypedArray类型，转换方式也不同。例如，对于Uint8Array，可以直接使用字节地址作为数组索引。

代码示例：JavaScript写入Wasm Linear Memory

类似地，我们可以用以下代码将一个32位整数写入Wasm Linear Memory的地址200：

// 假设memory是WebAssembly.Memory对象
const buffer = memory.buffer;
const int32Array = new Int32Array(buffer);

int32Array[200 / 4] = 12345; // 将12345写入地址200
console.log("Wrote 12345 to address 200");

Wasm模块如何访问Linear Memory？

Wasm模块使用特殊的指令来访问Linear Memory，比如i32.load（加载32位整数）和i32.store（存储32位整数）。这些指令需要指定要访问的内存地址。

以下是一个简单的Wasm模块的WAT（WebAssembly Text Format）代码示例，它将Linear Memory地址0处的值加上1，并将结果存储回地址0：

(module
  (memory (import "env" "memory") 1)  ; 导入Linear Memory

  (func (export "addOne")
    i32.const 0            ; 将地址0压入栈
    i32.load               ; 从地址0加载32位整数到栈
    i32.const 1            ; 将常量1压入栈
    i32.add                ; 将栈顶的两个值相加
    i32.const 0            ; 将地址0压入栈
    swap                   ; 交换栈顶的两个值 (地址和结果)
    i32.store              ; 将栈顶的值 (结果) 存储到地址0
  )
)

这个Wasm模块首先导入了一个名为env.memory的Linear Memory。然后，它定义了一个名为addOne的函数，该函数从地址0加载一个32位整数，将其加上1，然后将结果存储回地址0。

完整的代码示例：JavaScript和Wasm交互

现在，让我们把JavaScript和Wasm代码放在一起，创建一个完整的示例。

1. Wasm代码 (add.wat):

(module
  (memory (export "memory") (initial 1)) ; 导出Linear Memory

  (func (export "addOne") (param $addr i32)
    local.get $addr          ; 将地址压入栈
    i32.load               ; 从地址加载32位整数到栈
    i32.const 1            ; 将常量1压入栈
    i32.add                ; 将栈顶的两个值相加
    local.get $addr          ; 将地址压入栈
    swap                   ; 交换栈顶的两个值 (地址和结果)
    i32.store              ; 将栈顶的值 (结果) 存储到地址
  )
)

这个Wasm模块导出了一个名为memory的Linear Memory和一个名为addOne的函数。addOne函数接受一个地址作为参数，将该地址处的值加上1。

2. JavaScript代码 (index.js):

async function run() {
  // 1. 加载Wasm模块
  const response = await fetch('add.wasm'); // 假设 add.wasm 是编译后的 Wasm 文件
  const buffer = await response.arrayBuffer();
  const module = await WebAssembly.compile(buffer);

  // 2. 创建WebAssembly实例
  const instance = new WebAssembly.Instance(module, {
    env: {
      memoryBase: 0,
      tableBase: 0,
      abort: console.error, // 错误处理
      // 如果Wasm模块导入了其他的函数，也需要在这里提供
    }
  });

  // 3. 获取导出的Linear Memory和函数
  const memory = instance.exports.memory;
  const addOne = instance.exports.addOne;

  // 4. 初始化Linear Memory
  const bufferView = new Int32Array(memory.buffer);
  bufferView[0] = 10; // 将地址0处的值设置为10

  // 5. 调用Wasm函数
  addOne(0); // 将地址0处的值加上1

  // 6. 读取Linear Memory中的值
  console.log("Value at address 0:", bufferView[0]); // 输出: 11
}

run();

这个JavaScript代码首先加载Wasm模块，然后创建WebAssembly实例。接着，它获取导出的Linear Memory和addOne函数。然后，它初始化Linear Memory，将地址0处的值设置为10。最后，它调用addOne函数，并将地址0处的值加上1，然后打印出来。

编译Wasm代码

你需要将add.wat编译成add.wasm。你可以使用wabt工具链中的wat2wasm命令来完成这个任务：

wat2wasm add.wat -o add.wasm

运行JavaScript代码

将add.wasm和index.js放在同一个目录下，然后在浏览器中运行index.js。你应该能在控制台中看到输出 "Value at address 0: 11"。

WebAssembly.Memory对象的grow()方法

WebAssembly.Memory对象还提供了一个grow()方法，用于增加Linear Memory的大小。

memory.grow(1); // 增加1页 (64KB)

grow()方法接受一个参数，表示要增加的页数。增加内存大小可能会导致ArrayBuffer对象失效，因此在调用grow()方法后，需要重新获取buffer属性。

const oldBuffer = memory.buffer; // 保存旧的 ArrayBuffer
memory.grow(1);
const newBuffer = memory.buffer; // 获取新的 ArrayBuffer

if (oldBuffer !== newBuffer) {
  console.log("ArrayBuffer changed!");
  // 使用 newBuffer 代替 oldBuffer
}

表格总结

概念	描述
Linear Memory	Wasm模块使用的线性、连续的内存区域，类似于一块巨大的白板。
WebAssembly.Memory	JavaScript中代表Wasm Linear Memory的接口，允许JavaScript访问和修改Wasm模块的内存。
ArrayBuffer	WebAssembly.Memory对象的buffer属性返回的原始字节数据。
TypedArray	用于访问和修改ArrayBuffer中数据的类型化数组，比如Uint8Array、Int32Array等。
内存页 (Page)	Linear Memory的基本单位，通常大小为64KB。
memory.grow(pages)	WebAssembly.Memory对象的方法，用于增加Linear Memory的大小，参数pages表示要增加的页数。 增加内存后ArrayBuffer可能会失效，需要重新获取。

注意事项

• 安全性: 虽然Wasm可以操作Linear Memory，但它仍然是安全的。Wasm虚拟机（VM）会对内存访问进行严格的边界检查，防止Wasm模块访问到不属于它的内存区域，避免安全漏洞。
• 内存管理: Wasm模块需要自己管理Linear Memory的分配和释放。如果Wasm模块没有正确地管理内存，可能会导致内存泄漏或内存溢出。
• 类型安全: JavaScript和Wasm之间的数据类型需要匹配。例如，如果Wasm模块期望一个32位整数，那么JavaScript也应该传递一个32位整数。
• ArrayBuffer失效: 增长Linear Memory后，之前的ArrayBuffer可能会失效，需要重新获取。

总结

Wasm的Linear Memory模型为Wasm模块提供了一种高性能、可控的内存管理方式。WebAssembly.Memory对象是JavaScript访问Wasm Linear Memory的桥梁，通过它可以实现JavaScript和Wasm之间高效的二进制数据交换。 理解Linear Memory模型对于编写高性能的WebAssembly应用至关重要。 记住，Wasm就像一个努力学习新语言的外星人，而Linear Memory就是你们共同使用的翻译工具，确保你们能互相理解，共同创造出令人惊叹的作品！

希望今天的讲解能帮助大家更好地理解Wasm的Linear Memory模型，以及JavaScript和Wasm之间的数据交互。 谢谢大家！