JavaScript内核与高级编程之：`JavaScript`的`WebAssembly Threads`：如何使用 `Wasm` 在 `JavaScript` `Web Worker` 中实现多线程。

各位靓仔靓女，晚上好！我是你们的码农老王，今天咱们来聊聊一个让 JavaScript 跑得更快的秘密武器：WebAssembly Threads。

开场白：单线程的 JavaScript，有点寂寞啊！

大家伙都知道，JavaScript 天生就是个单线程的家伙。啥意思呢？就是说，它同一时刻只能干一件事情。想象一下，你家厨房只有一个厨师，既要切菜，又要炒菜，还要洗碗，那效率能高吗？

但是，现代 Web 应用对性能的要求越来越高，尤其是在处理复杂计算、图形渲染、音视频处理等任务时，单线程 JavaScript 常常显得力不从心。这就好比让一个厨师同时负责十桌客人的菜，不崩溃才怪！

所以，我们需要引入多线程的概念，让 JavaScript 也能像真正的后端语言一样，可以同时执行多个任务。这就是 WebAssembly Threads 要解决的问题。

Web Worker：JavaScript 的帮手

在介绍 WebAssembly Threads 之前，我们先来认识一下 JavaScript 的小助手：Web Worker。

Web Worker 允许我们在后台线程中运行 JavaScript 代码，而不会阻塞主线程。简单来说，就是我们可以把一些耗时的任务交给 Web Worker 去处理，主线程可以继续响应用户的交互，保持页面的流畅性。

// 主线程
const worker = new Worker('worker.js');

worker.postMessage({ message: '开始计算' }); // 向 worker 发送消息

worker.onmessage = function(event) {
  console.log('Worker 返回的结果：', event.data);
};

worker.onerror = function(error) {
  console.error('Worker 出错：', error);
};

// worker.js
self.onmessage = function(event) {
  const data = event.data;
  console.log('Worker 收到消息：', data);

  // 执行耗时计算
  let result = 0;
  for (let i = 0; i < 1000000000; i++) {
    result += i;
  }

  self.postMessage({ result: result }); // 将结果返回给主线程
};

这段代码演示了如何使用 Web Worker 执行耗时计算。主线程创建了一个 Worker 实例，并将任务发送给它。Worker 在后台线程中执行计算，并将结果返回给主线程。

虽然 Web Worker 实现了多线程，但它也有一些限制：

消息传递： 主线程和 Worker 之间通过消息传递进行通信，传递的数据需要进行序列化和反序列化，这会带来一定的性能开销。
内存隔离： 主线程和 Worker 拥有各自独立的内存空间，无法直接共享数据。

WebAssembly Threads：真正的高手登场

WebAssembly Threads 解决了 Web Worker 的这些限制，它允许我们在 Wasm 模块中使用共享内存，实现真正的多线程。

啥是 WebAssembly (Wasm)?

WebAssembly 是一种新的二进制格式，它可以被浏览器编译成原生机器码执行。与 JavaScript 相比，Wasm 具有更高的性能和更低的内存占用。你可以把它想象成一种更高效的 JavaScript 的替代品。

WebAssembly Threads 的工作原理

WebAssembly Threads 的核心在于共享内存和原子操作。

共享内存： 多个 Wasm 线程可以访问同一块内存区域，从而实现数据的共享。
原子操作： 原子操作可以确保在多线程环境下，对共享内存的读写操作是安全的，不会出现数据竞争。

WebAssembly Threads 的优点

高性能： Wasm 本身就具有很高的性能，再加上共享内存和原子操作，可以实现更高效的多线程编程。
低开销： 共享内存避免了消息传递带来的序列化和反序列化开销。
灵活： Wasm 可以使用多种编程语言进行编写，例如 C、C++、Rust 等。

如何使用 WebAssembly Threads

要使用 WebAssembly Threads，需要经过以下几个步骤：

编译 Wasm 模块： 使用支持线程的编译器将 C、C++ 或 Rust 代码编译成 Wasm 模块。
加载 Wasm 模块： 在 JavaScript 中加载 Wasm 模块。
创建共享内存： 创建一个 SharedArrayBuffer 对象，作为 Wasm 模块的共享内存。
创建 Worker： 创建一个 Web Worker，并将 Wasm 模块和共享内存传递给它。
启动线程： 在 Wasm 模块中启动线程，并开始执行多线程计算。

代码示例：使用 Rust 和 WebAssembly Threads 计算斐波那契数列

下面是一个使用 Rust 和 WebAssembly Threads 计算斐波那契数列的例子：

1. Rust 代码 (src/lib.rs):

use std::sync::atomic::{AtomicU32, Ordering};
use std::thread;

#[no_mangle]
pub extern "C" fn fibonacci(n: u32, result_ptr: *mut u32) {
    unsafe {
        *result_ptr = fib(n);
    }
}

fn fib(n: u32) -> u32 {
    match n {
        0 => 0,
        1 => 1,
        _ => fib(n - 1) + fib(n - 2),
    }
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn fibonacci_threaded(n: u32, result_ptr: *mut u32, num_threads: u32) {
    let chunk_size = n / num_threads;
    let remainder = n % num_threads;

    let results: Vec<AtomicU32> = (0..num_threads).map(|_| AtomicU32::new(0)).collect();
    let results_ptr = results.as_ptr() as *mut AtomicU32;

    let mut handles = vec![];

    for i in 0..num_threads {
        let start = i * chunk_size;
        let end = if i == num_threads - 1 {
            start + chunk_size + remainder
        } else {
            start + chunk_size
        };

        let result_index = i as usize;

        handles.push(thread::spawn(move || {
            let mut sum = 0;
            for j in start..end {
                sum += fib(j);
            }
            unsafe {
                (*results_ptr.add(result_index)).store(sum, Ordering::Relaxed);
            }
        }));
    }

    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }

    let mut total_sum = 0;
    for i in 0..num_threads {
        total_sum += results[i as usize].load(Ordering::Relaxed);
    }

    unsafe {
        *result_ptr = total_sum;
    }
}

2. Cargo.toml:

[package]
name = "wasm-threads-example"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[lib]
crate-type = ["cdylib"]

[dependencies]
wasm-bindgen = "0.2"
wee_alloc = "0.4"
lazy_static = "1.4"

[profile.release]
lto = true
opt-level = "z"
codegen-units = 1

3. JavaScript 代码 (index.js):

async function loadWasm() {
  const response = await fetch('fibonacci.wasm');
  const bytes = await response.arrayBuffer();

  const memory = new WebAssembly.Memory({
    initial: 256,
    maximum: 256,
    shared: true, // 关键：启用共享内存
  });

  const imports = {
    env: {
      memory: memory,
    },
  };

  const module = await WebAssembly.instantiate(bytes, imports);
  const instance = module.instance;

  const fibonacci = instance.exports.fibonacci;
  const fibonacci_threaded = instance.exports.fibonacci_threaded;

  const n = 20;
  const num_threads = 4;

  // 单线程计算
  const resultPtr = new Uint32Array(memory.buffer, 0, 1);
  fibonacci(n, resultPtr.byteOffset);
  console.log(`单线程 Fibonacci(${n}) = ${resultPtr[0]}`);

  // 多线程计算
  const resultPtrThreaded = new Uint32Array(memory.buffer, 4, 1); // 偏移量4，避免冲突
  fibonacci_threaded(n, resultPtrThreaded.byteOffset, num_threads);
  console.log(`多线程 Fibonacci(${n}) = ${resultPtrThreaded[0]}`);
}

loadWasm();

4. 构建 Wasm 模块:

首先安装 Rust 和 wasm-pack:

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
cargo install wasm-pack

然后构建 Wasm 模块:

wasm-pack build --target web --no-default-features --features atomics,bulk-memory,threads

注意事项:

确保你的浏览器支持 WebAssembly Threads。
需要在服务器上运行这个例子，因为 WebAssembly 需要服务器环境才能加载 Wasm 模块。
SharedArrayBuffer 的使用需要设置适当的 HTTP 头部，例如 Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp 和 Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin。

表格总结：Web Worker vs. WebAssembly Threads

特性	Web Worker	WebAssembly Threads
线程类型	独立线程	共享内存线程
通信方式	消息传递 (序列化/反序列化)	共享内存 (原子操作)
内存共享	不支持	支持
性能	相对较低	较高
适用场景	简单的后台任务，数据量较小	复杂的计算任务，需要大量数据共享
实现难度	简单	相对复杂

WebAssembly Threads 的应用场景

游戏开发： 可以使用 WebAssembly Threads 来加速游戏引擎的渲染和物理模拟。
图像处理： 可以使用 WebAssembly Threads 来并行处理图像，例如图像滤镜、图像识别等。
音视频处理： 可以使用 WebAssembly Threads 来加速音视频的编码和解码。
科学计算： 可以使用 WebAssembly Threads 来加速科学计算任务，例如数值模拟、数据分析等。

踩坑指南：WebAssembly Threads 的一些坑

浏览器兼容性： 并非所有浏览器都完全支持 WebAssembly Threads。
共享内存的安全性： 需要小心处理共享内存的并发访问，避免数据竞争。
调试难度： 多线程程序的调试比单线程程序更困难。

总结：WebAssembly Threads，未来可期！

WebAssembly Threads 为 JavaScript 带来了真正的多线程能力，可以显著提升 Web 应用的性能。虽然目前 WebAssembly Threads 还处于发展阶段，但它的潜力是巨大的。相信在未来，WebAssembly Threads 将会成为 Web 开发中不可或缺的一部分。

好了，今天的讲座就到这里。希望大家对 WebAssembly Threads 有了更深入的了解。记住，技术是不断发展的，我们要保持学习的热情，才能跟上时代的步伐。

祝大家编码愉快，Bug 永不相见！下次再见！

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