大家好！我是你们今天的Wasm讲师，今天咱们不搞那些虚头巴脑的，直接上干货，聊聊 JavaScript 和 WebAssembly (Wasm) 联手打造高性能应用的那些事儿。
第一幕：Wasm 闪亮登场，拯救JS于水火？
话说 JavaScript，这门语言可是 web 界的扛把子，前端后端通吃。但是，它有个软肋，就是性能。JavaScript 是解释型语言，执行速度相对较慢，尤其是在处理复杂计算时，简直就像蜗牛爬树。
这时候，Wasm 出现了，就像救世主一样。Wasm 是一种低级的、类汇编的二进制格式，设计目标就是高性能。你可以用 C、C++、Rust 等等语言编写代码，然后编译成 Wasm，再放到浏览器里运行。
想象一下，你用 C++ 写了一个超复杂的物理引擎，编译成 Wasm，然后在你的 JavaScript 游戏里调用，那感觉，简直爽爆了！
第二幕：Wasm 的优势，不只是快那么简单
Wasm 相比 JavaScript，到底快在哪儿？
- 预编译和优化： Wasm 代码是预编译好的，浏览器可以直接执行，省去了 JavaScript 的解析和编译过程。
- 类型安全： Wasm 有更严格的类型系统，可以避免很多 JavaScript 运行时错误，提高执行效率。
- 接近原生性能： Wasm 代码更接近底层硬件，可以充分利用 CPU 的性能。
但是，Wasm 的优势可不仅仅是快。它还具有：
- 可移植性： Wasm 可以在不同的浏览器和平台上运行，具有很好的可移植性。
- 安全性： Wasm 运行在沙箱环境中，可以防止恶意代码攻击。
第三幕：JS 和 Wasm 的爱恨情仇：互操作的艺术
Wasm 想要在 web 上大展拳脚，就必须和 JavaScript 搞好关系。毕竟，JavaScript 才是 web 的老大。
那么，JavaScript 和 Wasm 如何互操作呢？
其实很简单，它们之间通过 JavaScript API 进行通信。JavaScript 可以调用 Wasm 导出的函数，Wasm 也可以调用 JavaScript 提供的函数。
咱们来看个例子：
// 假设我们有一个 Wasm 模块，导出一个名为 "add" 的函数
fetch('my_module.wasm')
.then(response => response.arrayBuffer())
.then(bytes => WebAssembly.instantiate(bytes, {
imports: {
// 可以导入一些 JavaScript 函数供 Wasm 调用
consoleLog: (value) => console.log("Wasm says:", value)
}
}))
.then(results => {
const instance = results.instance;
const add = instance.exports.add; // 获取 Wasm 导出的 add 函数
// 调用 Wasm 函数
const result = add(5, 3);
console.log('Result from Wasm:', result); // 输出：Result from Wasm: 8
// Wasm 调用 JavaScript 函数
instance.exports.callConsoleLogFromWasm(42); // Wasm 调用 JavaScript 的 consoleLog 函数
});在这个例子中，我们首先加载 Wasm 模块，然后实例化它。在 WebAssembly.instantiate 的第二个参数中，我们可以定义 imports 对象，这个对象允许 Wasm 模块导入 JavaScript 函数。这样 Wasm 模块就可以调用 JavaScript 函数了。
然后，我们通过 instance.exports 获取 Wasm 导出的函数，就可以像调用普通 JavaScript 函数一样调用它了。
再来一个 Wasm (C++) 的例子，展示如何从 Wasm 模块中调用 JavaScript 函数：
// my_module.cpp
#include <iostream>
#include <emscripten/emscripten.h>
extern "C" {
// 声明一个 JavaScript 函数
extern void consoleLog(int value);
// 导出函数，供 JavaScript 调用
EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
int callConsoleLogFromWasm(int value) {
std::cout << "Calling consoleLog from Wasm with value: " << value << std::endl;
consoleLog(value); // 调用 JavaScript 函数
return value * 2;
}
EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
int add(int a, int b) {
return a + b;
}
}
int main() {
return 0;
}编译这个 C++ 代码：
emcc my_module.cpp -o my_module.wasm -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add', '_callConsoleLogFromWasm']" -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORT_NAME="MyModule"' -s "EXTRA_EXPORTED_RUNTIME_METHODS=['ccall']"这个命令使用 Emscripten 编译器将 C++ 代码编译成 Wasm 模块。 EXPORTED_FUNCTIONS 选项指定了要导出的函数， MODULARIZE=1 和 EXPORT_NAME 将 Wasm 模块封装成一个 JavaScript 模块，方便加载和使用。
这里用到了 Emscripten，它是一个工具链，可以将 C 和 C++ 代码编译成 WebAssembly。它提供了一些特殊的宏和函数，比如 EMSCRIPTEN_KEEPALIVE，用于标记需要导出的函数。
第四幕：互操作的代价：性能损耗在哪里？
JavaScript 和 Wasm 互操作虽然方便，但是也会带来一些性能损耗。
- 数据类型转换： JavaScript 和 Wasm 使用不同的数据类型，在互相传递数据时需要进行类型转换，这会消耗一定的性能。
- 函数调用开销： JavaScript 和 Wasm 之间的函数调用需要跨越语言边界，这会增加函数调用的开销。
- 内存管理： JavaScript 和 Wasm 使用不同的内存管理机制，在互相传递数据时需要进行内存拷贝，这也会消耗一定的性能。
为了减少这些性能损耗，我们可以采取一些优化措施：
- 减少互操作次数： 尽量将计算密集型的任务放在 Wasm 中执行，减少 JavaScript 和 Wasm 之间的互操作次数。
- 使用共享内存： Wasm 和 JavaScript 可以使用共享内存（SharedArrayBuffer）来直接访问同一块内存，避免数据拷贝。不过，使用共享内存需要注意线程安全问题。
- 优化数据类型转换： 尽量使用相同的数据类型，减少类型转换的开销。
第五幕：Wasm 的用武之地：高性能计算场景
Wasm 在哪些场景下可以发挥它的优势呢？
- 游戏开发： 用 C++ 或 Rust 编写游戏引擎，编译成 Wasm，可以提高游戏的性能。
- 图像处理： 用 Wasm 进行图像处理，可以比 JavaScript 快很多。
- 科学计算： 用 Wasm 进行科学计算，可以提高计算效率。
- 音视频处理： 用 Wasm 进行音视频处理，可以提高处理速度。
- 加密解密： 用 Wasm 进行加密解密，可以提高安全性。
- 机器学习： 虽然 WebGL 或专门的 WebML API 更适合，但某些低端设备或者特殊需求情况下，Wasm 也能加速机器学习模型的推理过程。
总而言之，只要是计算密集型的任务，都可以考虑使用 Wasm 来提高性能。
第六幕：一个更实际的例子：图像处理
咱们来一个稍微复杂点的例子，用 Wasm 进行图像处理。
首先，我们用 C++ 编写图像处理代码：
// image_processing.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <emscripten/emscripten.h>
extern "C" {
// 导出函数，用于将图像转换为灰度图
EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
void grayscale(unsigned char* imageData, int width, int height) {
for (int i = 0; i < width * height * 4; i += 4) {
int r = imageData[i];
int g = imageData[i + 1];
int b = imageData[i + 2];
int gray = (r + g + b) / 3;
imageData[i] = gray;
imageData[i + 1] = gray;
imageData[i + 2] = gray;
}
}
}这个 C++ 代码实现了一个简单的灰度图转换函数。
然后，我们编译这个 C++ 代码：
emcc image_processing.cpp -o image_processing.wasm -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_grayscale']" -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORT_NAME="ImageProcessing"'接下来，我们用 JavaScript 调用 Wasm 函数：
// index.html
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Wasm Image Processing</title>
</head>
<body>
<canvas id="myCanvas" width="512" height="512"></canvas>
<script>
// 获取 canvas 元素
const canvas = document.getElementById('myCanvas');
const ctx = canvas.getContext('2d');
// 加载图像
const image = new Image();
image.src = 'image.jpg'; // 替换成你的图像文件
image.onload = () => {
ctx.drawImage(image, 0, 0, canvas.width, canvas.height);
// 获取图像数据
const imageData = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
const data = imageData.data;
// 加载 Wasm 模块
ImageProcessing().then(module => {
// 获取 Wasm 导出的函数
const grayscale = module.grayscale;
// 调用 Wasm 函数
const startTime = performance.now();
grayscale(data, canvas.width, canvas.height);
const endTime = performance.now();
console.log('Wasm grayscale time:', endTime - startTime, 'ms');
// 将处理后的图像数据放回 canvas
ctx.putImageData(imageData, 0, 0);
});
};
</script>
</body>
</html>在这个例子中，我们首先加载图像，然后获取图像数据。然后，我们加载 Wasm 模块，获取 Wasm 导出的 grayscale 函数，并调用它来处理图像数据。最后，我们将处理后的图像数据放回 canvas。
你可以使用 performance.now() 来测量 Wasm 和 JavaScript 的性能差异。 实际运行你会发现，Wasm 在图像处理方面通常比纯 JavaScript 快得多。
第七幕：表格总结：JS vs Wasm
为了更清晰地对比 JavaScript 和 Wasm，咱们来个表格：
| 特性 | JavaScript | WebAssembly (Wasm) |
|---|---|---|
| 类型 | 动态类型 | 静态类型 |
| 执行方式 | 解释执行 (JIT 编译) | 预编译 |
| 性能 | 相对较慢 | 接近原生性能 |
| 适用场景 | UI 交互、业务逻辑 | 计算密集型任务、高性能计算 |
| 安全性 | 沙箱环境 | 沙箱环境 |
| 内存管理 | 垃圾回收 | 手动内存管理 (也可以使用 Rust 等语言的内存安全特性) |
| 与 HTML/DOM 交互 | 直接 | 需要通过 JavaScript |
| 语言 | JavaScript | C、C++、Rust 等 |
| 开发难度 | 较低 | 较高 |
第八幕：注意事项和最佳实践
- 权衡利弊： Wasm 并不是万能的，它也有自己的缺点。在选择使用 Wasm 之前，需要权衡利弊，考虑是否真的需要 Wasm 带来的性能提升。
- 不要过度优化： 不要为了追求极致的性能而过度优化 Wasm 代码，这可能会增加代码的复杂性和维护成本。
- 关注工具链： Emscripten 是一个非常重要的工具链，它可以将 C 和 C++ 代码编译成 WebAssembly。你需要熟悉 Emscripten 的使用方法。
- 学习新的语言： 如果你想充分利用 Wasm 的优势，最好学习一门系统级编程语言，比如 C++ 或 Rust。
第九幕：Wasm 的未来：超越浏览器
Wasm 的应用场景已经超越了浏览器。现在，Wasm 还可以用于：
- 服务器端： Wasm 可以作为服务器端的运行时环境，提供高性能的服务。
- 嵌入式系统： Wasm 可以运行在嵌入式系统中，提供安全可靠的执行环境。
- 区块链： Wasm 可以用于智能合约的执行，提供高性能和安全性。
Wasm 的未来充满想象空间，它将成为 web 和 beyond 的重要技术。
第十幕：总结
今天，我们一起探讨了 JavaScript 和 WebAssembly (Wasm) 的互操作，以及 Wasm 在高性能计算领域的应用。希望通过今天的讲解，你对 Wasm 有了更深入的了解。
记住，Wasm 并不是要取代 JavaScript，而是要与 JavaScript 携手合作，共同打造更强大的 web 应用。它们就像一对黄金搭档，JavaScript 负责 UI 和交互，Wasm 负责计算和性能。
好了，今天的讲座就到这里，感谢大家的参与！希望对大家有所帮助。