阐述 JavaScript 中的 WebAssembly (Wasm) 如何作为高性能计算的编译目标，并与 JavaScript 进行高效互操作。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

咳咳，各位，欢迎来到今天的“WebAssembly：JavaScript的好基友，高性能的秘密武器”讲座！今天咱们不讲那些枯燥的理论，直接上干货，用最接地气的方式聊聊WebAssembly（简称Wasm）是怎么在JavaScript的地盘上搞事情，并成为高性能计算的香饽饽的。

开场白：JavaScript，你不是一个人在战斗！

一直以来，JavaScript都被贴上“灵活”、“易学”的标签，但也免不了被吐槽“性能差”、“跑得慢”。毕竟，动态类型、解释执行这些特性，注定了它不可能像C++、Rust那样快如闪电。但是！WebAssembly的出现，改变了这一切。它就像是给JavaScript请了个外援，一个身手敏捷、力大无穷的壮汉。

WebAssembly：什么来头？

简单来说，WebAssembly是一种新的二进制指令格式，是为基于堆栈的虚拟机设计的。听起来很玄乎？换句话说，你可以把它理解成一种“汇编语言”，但不是给人看的，而是给浏览器看的。它的主要特点是：

体积小，加载快： 二进制格式嘛，天然就比文本格式的JavaScript文件小，压缩起来更给力。
执行速度快： 接近原生速度，这才是它最大的亮点。为什么？因为它是预编译的，浏览器可以直接执行，不需要像JavaScript那样先解释再执行。
安全性高： 运行在沙箱环境中，无法直接访问操作系统资源，安全性有保障。
可移植性好： 只要浏览器支持WebAssembly，就能运行，跨平台无压力。

Wasm凭什么这么牛？

要理解Wasm的厉害之处，咱们得先简单回顾一下JavaScript的执行流程：

下载： 浏览器从服务器下载JavaScript代码。
解析： 浏览器解析JavaScript代码，构建抽象语法树（AST）。
编译： 浏览器将AST编译成机器码（这步通常是即时编译，JIT）。
执行： 浏览器执行机器码。

这个过程中，解析和编译是比较耗时的环节，特别是即时编译，需要在运行时进行优化，会占用大量的CPU资源。

而Wasm呢？它的执行流程是这样的：

下载： 浏览器从服务器下载Wasm模块（.wasm文件）。
编译： 浏览器将Wasm模块编译成机器码（这步通常是提前编译，AOT）。
执行： 浏览器执行机器码。

可以看到，Wasm省去了JavaScript的解析环节，并且编译是提前完成的，所以执行速度更快。

Wasm：JavaScript的好基友

Wasm不是要取代JavaScript，而是要和JavaScript一起工作。它们之间的关系就像是：

JavaScript负责处理DOM操作、UI渲染、网络请求等。
Wasm负责执行计算密集型的任务，例如图像处理、音视频编解码、游戏逻辑等。

JavaScript 和 Wasm 如何高效互操作？

重点来了！它们是怎么配合的呢？这就要说到Wasm的API了。 JavaScript可以通过Wasm API来：

加载Wasm模块： 将.wasm文件加载到浏览器中。
实例化Wasm模块： 创建Wasm模块的实例。
调用Wasm函数： 从JavaScript中调用Wasm模块中的函数。
访问Wasm内存： 从JavaScript中读写Wasm模块的内存。

反过来，Wasm也可以通过import object来调用JavaScript函数。这样，JavaScript和Wasm就可以互相调用，协同完成任务。

代码示例：JavaScript 调用 Wasm 函数

咱们来写一个简单的例子，演示JavaScript如何调用Wasm函数。

首先，我们需要一个Wasm模块。这个模块实现一个简单的加法函数。我们可以用C++来编写，然后用Emscripten编译成Wasm：

#include <iostream>

extern "C" {
    int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

这段C++代码定义了一个add函数，接收两个整数参数，返回它们的和。 extern "C"是为了告诉编译器，这个函数要按照C的调用约定来编译，这样Wasm才能正确地调用它。

接下来，我们需要使用Emscripten将这段C++代码编译成Wasm：

emcc add.cpp -o add.js -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" -s WASM=1

这条命令会生成两个文件：add.js和add.wasm。 add.wasm是Wasm模块，add.js是JavaScript胶水代码，负责加载和实例化Wasm模块。

现在，我们可以在HTML文件中使用这段代码了：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Wasm Example</title>
</head>
<body>
    <script src="add.js"></script>
    <script>
        Module['onRuntimeInitialized'] = function() {
            const result = Module.ccall(
                'add', // 函数名
                'number', // 返回值类型
                ['number', 'number'], // 参数类型
                [2, 3] // 参数值
            );
            console.log('Result:', result); // 输出：Result: 5
        };
    </script>
</body>
</html>

在这个HTML文件中，我们首先引入了add.js，它会自动加载add.wasm。然后，我们定义了一个Module['onRuntimeInitialized']函数，这个函数会在Wasm模块加载完成后被调用。在这个函数中，我们使用Module.ccall函数来调用Wasm模块中的add函数。

Module.ccall函数的参数分别是：

'add'：要调用的函数名。
'number'：返回值类型，这里是整数。
['number', 'number']：参数类型，这里是两个整数。
[2, 3]：参数值，这里是2和3。

运行这个HTML文件，你会在控制台中看到输出：Result: 5。这说明我们成功地从JavaScript中调用了Wasm函数。

代码示例：Wasm 调用 JavaScript 函数

现在，咱们再来一个反向的例子，演示Wasm如何调用JavaScript函数。

首先，我们需要修改C++代码，声明一个要从JavaScript中导入的函数：

#include <iostream>

extern "C" {
    extern int jsAlert(int value); // 声明要导入的 JavaScript 函数

    int addAndAlert(int a, int b) {
        int sum = a + b;
        jsAlert(sum); // 调用 JavaScript 函数
        return sum;
    }
}

这段C++代码声明了一个jsAlert函数，它接收一个整数参数，没有返回值。这个函数将在JavaScript中定义，并被Wasm模块导入。

然后，我们需要使用Emscripten将这段C++代码编译成Wasm：

emcc add_and_alert.cpp -o add_and_alert.js -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_addAndAlert']" -s IMPORTED_FUNCTIONS="['_jsAlert']" -s WASM=1

注意，这次我们使用了-s IMPORTED_FUNCTIONS="['_jsAlert']"选项，告诉Emscripten要导入jsAlert函数。

接下来，我们可以在HTML文件中使用这段代码了：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>Wasm Example</title>
</head>
<body>
    <script src="add_and_alert.js"></script>
    <script>
        var importObject = {
            env: {
                jsAlert: function(value) {
                    alert('Wasm says: ' + value);
                }
            }
        };

        Module['onRuntimeInitialized'] = function() {
            const result = Module.ccall(
                'addAndAlert', // 函数名
                'number', // 返回值类型
                ['number', 'number'], // 参数类型
                [2, 3] // 参数值
            );
            console.log('Result:', result); // 输出：Result: 5
        };

        Module.imports = importObject; // 设置导入对象
    </script>
</body>
</html>

在这个HTML文件中，我们首先定义了一个importObject对象，它包含了我们要导入的JavaScript函数。然后，我们将importObject赋值给Module.imports，告诉Wasm模块要从哪里导入函数。

当addAndAlert函数被调用时，它会先计算2和3的和，然后调用jsAlert函数，弹出一个对话框，显示“Wasm says: 5”。

Wasm的应用场景

现在，咱们来聊聊Wasm的应用场景。 Wasm的优势在于高性能，所以它特别适合以下场景：

游戏： 游戏引擎、物理引擎、渲染引擎等都可以用Wasm来实现，提高游戏性能。
图像处理： 图像处理算法（例如滤镜、缩放、裁剪）可以用Wasm来实现，加快处理速度。
音视频编解码： 音视频编解码器可以用Wasm来实现，提高编解码效率。
科学计算： 科学计算库（例如线性代数、数值分析）可以用Wasm来实现，加速计算过程。
密码学： 密码学算法可以用Wasm来实现，提高加密解密速度。
虚拟机/模拟器： Wasm 可以用来构建虚拟机或者模拟器，例如运行其他编程语言的代码。
服务器端应用： Wasm 不仅限于浏览器环境，也可以在服务器端运行，例如使用 Wasm 构建高性能的 API 服务。

Wasm的未来

Wasm的未来一片光明。随着WebAssembly标准的不断完善，以及工具链的不断成熟，Wasm将会被应用到更多的领域。想象一下，未来Web应用中的大部分计算密集型任务都将由Wasm来完成，JavaScript只需要负责UI渲染和交互，Web应用的性能将会得到极大的提升。

Wasm的优势与劣势

为了更清晰地了解Wasm，咱们用表格来总结一下它的优势与劣势：

特性	优势	劣势
性能	接近原生速度，远超JavaScript	仍然需要编译，存在一定的启动时间（虽然很短）。对于极其简单的任务，JavaScript可能更快。
安全性	运行在沙箱环境中，无法直接访问操作系统资源	需要谨慎处理内存管理，避免内存泄漏。
体积	体积小，加载快	相比于高度优化的JavaScript代码，Wasm体积可能更大，尤其是在没有经过充分优化的情况下。
语言	支持多种编程语言（C/C++, Rust, Go等）	需要学习新的工具链和编译流程。并非所有语言都对Wasm有良好的支持。
调试	调试工具逐渐完善	调试Wasm代码相比JavaScript代码更复杂，需要借助专门的调试工具。
互操作性	与JavaScript无缝互操作	需要通过JavaScript胶水代码进行交互，增加了一定的复杂性。
生态系统	生态系统正在快速发展	相比JavaScript，Wasm的生态系统还不够成熟，缺少一些常用的库和框架。
可移植性	跨平台，只要浏览器支持WebAssembly，就能运行	依赖于浏览器支持，某些旧版本浏览器可能不支持。

总结：Wasm，Web的未来之星

WebAssembly的出现，为Web开发带来了新的可能性。它不仅可以提高Web应用的性能，还可以让开发者使用自己熟悉的编程语言来开发Web应用。随着Wasm技术的不断发展，我们有理由相信，Wasm将会成为Web的未来之星。

好了，今天的讲座就到这里。希望大家对WebAssembly有了更深入的了解。记住，JavaScript不是一个人在战斗，它有WebAssembly这个好基友！谢谢大家！

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