JavaScript内核与高级编程之:`JavaScript` 的 `WebAssembly`:如何在 `JavaScript` 中利用 `Wasm` 进行 `CPU` 密集型计算。

咳咳,各位观众老爷们,晚上好!我是今晚的讲师,很高兴能和大家一起聊聊 JavaScript 和 WebAssembly 这对好基友,特别是 WebAssembly 如何帮 JavaScript 处理那些让人头疼的 CPU 密集型计算。

咱们都知道,JavaScript 擅长的是操作 DOM、处理用户交互,搞搞网页特效啥的。但一遇到复杂的数学运算、图像处理、音视频编解码这些 CPU 密集型任务,JavaScript 就有点力不从心了。毕竟,它天生就不是干这个的料。

这时候,WebAssembly(简称 Wasm)就闪亮登场了。它就像一个外挂,专门用来提升 JavaScript 的战斗力。

什么是 WebAssembly?

简单来说,WebAssembly 是一种新型的字节码格式,它可以在现代浏览器中以接近原生的速度运行。 它的目标是为高级语言(例如C、C++、Rust 等)提供一个编译目标,以便它们可以运行在 Web 上。

  • 高性能: Wasm 的设计目标就是高性能,它采用了紧凑的二进制格式,加载速度快,执行效率高。
  • 安全: Wasm 运行在一个沙箱环境中,无法直接访问操作系统资源,安全性有保障。
  • 可移植性: Wasm 可以在不同的浏览器和平台上运行,具有良好的可移植性。

为什么要用 WebAssembly?

用一句话概括:让 Web 应用更快!

想象一下,你要做一个在线图像编辑器,需要实现一些复杂的滤镜效果。如果用 JavaScript 来实现,可能会卡顿到让你怀疑人生。但如果用 C++ 编写滤镜算法,然后编译成 Wasm,性能就能得到显著提升。

WebAssembly 的工作原理

  1. 编写代码: 首先,你需要用 C、C++、Rust 等语言编写 CPU 密集型代码。
  2. 编译成 Wasm: 使用 Emscripten 或其他工具将代码编译成 Wasm 模块(.wasm 文件)。
  3. 加载 Wasm 模块: 在 JavaScript 中使用 fetchXMLHttpRequest 加载 Wasm 模块。
  4. 实例化 Wasm 模块: 使用 WebAssembly.instantiateStreamingWebAssembly.instantiate 函数实例化 Wasm 模块。
  5. 调用 Wasm 函数: 通过 JavaScript 调用 Wasm 模块中导出的函数。

实战演练:一个简单的加法器

咱们先来做一个最简单的例子:一个加法器。

  1. C++ 代码(add.cpp):

    #include <iostream>
    
    extern "C" {
      int add(int a, int b) {
        return a + b;
      }
    }

    这里定义了一个 add 函数,接受两个整数参数,返回它们的和。 extern "C" 的作用是告诉编译器按照 C 的方式编译这个函数,避免 C++ 的名称修饰导致 JavaScript 无法找到它。

  2. 编译成 Wasm:

    使用 Emscripten 编译 C++ 代码:

    emcc add.cpp -s WASM=1 -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" -o add.js
    • emcc:Emscripten 编译器。
    • add.cpp:C++ 源文件。
    • -s WASM=1:启用 WebAssembly 支持。
    • -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']":指定要导出的函数,注意函数名前面要加下划线。
    • -o add.js:输出文件名,Emscripten 会生成一个 .js 文件和一个 .wasm 文件。
  3. JavaScript 代码(index.html):

    <!DOCTYPE html>
    <html>
    <head>
      <title>WebAssembly 加法器</title>
    </head>
    <body>
      <h1>WebAssembly 加法器</h1>
      <input type="number" id="num1" value="10">
      +
      <input type="number" id="num2" value="20">
      =
      <span id="result"></span>
      <script>
        async function run() {
          const num1 = document.getElementById('num1');
          const num2 = document.getElementById('num2');
          const result = document.getElementById('result');
    
          // 加载 Wasm 模块
          const response = await fetch('add.wasm');
          const buffer = await response.arrayBuffer();
          const module = await WebAssembly.compile(buffer);
          const instance = await WebAssembly.instantiate(module);
    
          // 获取导出的 add 函数
          const add = instance.exports._add;
    
          // 计算结果
          const a = parseInt(num1.value);
          const b = parseInt(num2.value);
          const sum = add(a, b);
    
          // 显示结果
          result.textContent = sum;
        }
    
        run();
      </script>
    </body>
    </html>
    • 首先,我们通过 fetch 加载 add.wasm 文件。
    • 然后,使用 WebAssembly.compile 将 Wasm 字节码编译成一个 WebAssembly.Module 对象。
    • 接着,使用 WebAssembly.instantiate 实例化 WebAssembly.Module 对象,创建一个 WebAssembly.Instance 对象。
    • WebAssembly.Instance 对象包含了导出的函数和内存。我们可以通过 instance.exports 访问导出的函数。
    • 最后,我们调用导出的 _add 函数,并将结果显示在页面上。

    另一种加载方式(Streaming Compilation):

    上面的代码使用了 WebAssembly.compileWebAssembly.instantiate 两个步骤。其实,我们可以使用 WebAssembly.instantiateStreaming 函数一步完成加载和实例化:

    async function run() {
        const num1 = document.getElementById('num1');
        const num2 = document.getElementById('num2');
        const result = document.getElementById('result');
    
        // 加载和实例化 Wasm 模块
        const response = await fetch('add.wasm');
        const instance = await WebAssembly.instantiateStreaming(response);
    
        // 获取导出的 add 函数
        const add = instance.instance.exports._add;
    
        // 计算结果
        const a = parseInt(num1.value);
        const b = parseInt(num2.value);
        const sum = add(a, b);
    
        // 显示结果
        result.textContent = sum;
    }

    WebAssembly.instantiateStreaming 函数可以一边下载 Wasm 模块,一边进行编译和实例化,提高了加载速度。注意,WebAssembly.instantiateStreaming返回的对象结构略有不同。

内存管理:JavaScript 和 Wasm 的数据共享

JavaScript 和 Wasm 之间的数据共享是一个比较复杂的问题。Wasm 模块有自己的线性内存空间,JavaScript 无法直接访问。要实现数据共享,需要通过一些技巧。

  1. 共享 ArrayBuffer:

    最常用的方法是使用 ArrayBufferArrayBuffer 是 JavaScript 中表示原始二进制数据的对象。我们可以将 ArrayBuffer 传递给 Wasm 模块,让 Wasm 模块直接操作 ArrayBuffer 中的数据。

    C++ 代码(memory.cpp):

    #include <iostream>
    #include <cstring>
    
    extern "C" {
      void fill_array(int* array, int size, int value) {
        for (int i = 0; i < size; ++i) {
          array[i] = value;
        }
      }
    }

    这个 C++ 代码定义了一个 fill_array 函数,接受一个整数数组、数组大小和填充值作为参数,将数组中的所有元素设置为指定的值。

    编译成 Wasm:

    emcc memory.cpp -s WASM=1 -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_fill_array']" -s EXPORTED_RUNTIME_METHODS="['allocate', 'getValue', 'setValue']" -o memory.js
    • -s EXPORTED_RUNTIME_METHODS="['allocate', 'getValue', 'setValue']":导出 Emscripten 运行时提供的一些辅助函数,用于内存管理。

    JavaScript 代码(index.html):

    <!DOCTYPE html>
    <html>
    <head>
      <title>WebAssembly 内存共享</title>
    </head>
    <body>
      <h1>WebAssembly 内存共享</h1>
      <div id="array"></div>
      <button onclick="run()">填充数组</button>
      <script>
        async function run() {
          const arrayDiv = document.getElementById('array');
    
          // 加载 Wasm 模块
          const response = await fetch('memory.wasm');
          const buffer = await response.arrayBuffer();
          const module = await WebAssembly.compile(buffer);
          const instance = await WebAssembly.instantiate(module);
    
          // 获取导出的函数和内存
          const fillArray = instance.exports._fill_array;
          const memory = instance.exports.memory;
    
          // 创建 ArrayBuffer
          const arraySize = 10;
          const arrayBuffer = new Int32Array(memory.buffer, 0, arraySize);
    
          // 填充数组
          fillArray(0, arraySize, 42); // 0 是数组在内存中的起始地址
    
          // 显示数组
          arrayDiv.textContent = arrayBuffer.join(', ');
        }
      </script>
    </body>
    </html>
    • 首先,我们加载 Wasm 模块,并获取导出的函数 fillArray 和内存 memory
    • 然后,我们创建一个 Int32Array 对象,它直接指向 Wasm 模块的内存。
    • 接着,我们调用 fillArray 函数,将数组中的所有元素设置为 42。
    • 最后,我们读取 Int32Array 中的数据,并显示在页面上。
  2. Emscripten 提供的内存管理函数:

    Emscripten 提供了一些辅助函数,用于在 JavaScript 和 Wasm 之间分配和访问内存。

    • allocate(size, type):在 Wasm 模块的内存中分配指定大小的内存块,返回内存块的起始地址。
    • getValue(ptr, type):从 Wasm 模块的内存中读取指定地址的值。
    • setValue(ptr, value, type):将指定的值写入 Wasm 模块的内存中的指定地址。

    C++ 代码(memory2.cpp):

    #include <iostream>
    
    extern "C" {
      int* create_array(int size) {
        int* array = new int[size];
        return array;
      }
    
      void set_value(int* array, int index, int value) {
        array[index] = value;
      }
    
      int get_value(int* array, int index) {
        return array[index];
      }
    
      void delete_array(int* array) {
        delete[] array;
      }
    }

    编译成 Wasm:

    emcc memory2.cpp -s WASM=1 -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_create_array', '_set_value', '_get_value', '_delete_array']" -o memory2.js

    JavaScript 代码(index.html):

    <!DOCTYPE html>
    <html>
    <head>
      <title>WebAssembly 内存管理</title>
    </head>
    <body>
      <h1>WebAssembly 内存管理</h1>
      <div id="array"></div>
      <button onclick="run()">操作数组</button>
      <script>
        async function run() {
          const arrayDiv = document.getElementById('array');
    
          // 加载 Wasm 模块
          const response = await fetch('memory2.js'); // 注意这里加载的是 js 文件
          const module = await response.text();
          eval(module); // 执行 Emscripten 生成的 JavaScript 代码
    
          // 创建数组
          const arraySize = 5;
          const arrayPtr = _create_array(arraySize);
    
          // 设置数组元素的值
          _set_value(arrayPtr, 0, 10);
          _set_value(arrayPtr, 1, 20);
          _set_value(arrayPtr, 2, 30);
          _set_value(arrayPtr, 3, 40);
          _set_value(arrayPtr, 4, 50);
    
          // 读取数组元素的值
          const value1 = _get_value(arrayPtr, 1);
          const value3 = _get_value(arrayPtr, 3);
    
          // 显示数组
          arrayDiv.textContent = `value1: ${value1}, value3: ${value3}`;
    
          // 释放数组内存
          _delete_array(arrayPtr);
        }
      </script>
    </body>
    </html>

    注意,这里我们加载的是 Emscripten 生成的 JavaScript 文件,然后使用 eval 执行它。Emscripten 生成的 JavaScript 代码会初始化 Wasm 模块,并提供一些辅助函数。

高级应用:图像处理

咱们来一个稍微复杂点的例子:图像处理。

  1. C++ 代码(image_filter.cpp):

    #include <iostream>
    #include <vector>
    
    extern "C" {
      void grayscale(unsigned char* pixels, int width, int height) {
        for (int y = 0; y < height; ++y) {
          for (int x = 0; x < width; ++x) {
            int index = (y * width + x) * 4; // RGBA 格式
            unsigned char r = pixels[index];
            unsigned char g = pixels[index + 1];
            unsigned char b = pixels[index + 2];
    
            // 计算灰度值
            unsigned char gray = (r + g + b) / 3;
    
            // 设置像素的 RGB 值
            pixels[index] = gray;
            pixels[index + 1] = gray;
            pixels[index + 2] = gray;
          }
        }
      }
    }

    这个 C++ 代码实现了一个灰度滤镜。它接受一个像素数组、图像宽度和高度作为参数,将图像转换为灰度图像。

  2. 编译成 Wasm:

    emcc image_filter.cpp -s WASM=1 -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_grayscale']" -o image_filter.js
  3. JavaScript 代码(index.html):

    <!DOCTYPE html>
    <html>
    <head>
      <title>WebAssembly 图像处理</title>
    </head>
    <body>
      <h1>WebAssembly 图像处理</h1>
      <canvas id="canvas"></canvas>
      <script>
        async function run() {
          const canvas = document.getElementById('canvas');
          const ctx = canvas.getContext('2d');
    
          // 加载图像
          const image = new Image();
          image.src = 'image.jpg';
          await new Promise(resolve => image.onload = resolve);
    
          // 设置 Canvas 大小
          canvas.width = image.width;
          canvas.height = image.height;
    
          // 绘制图像到 Canvas
          ctx.drawImage(image, 0, 0);
    
          // 获取像素数据
          const imageData = ctx.getImageData(0, 0, canvas.width, canvas.height);
          const pixels = imageData.data;
    
          // 加载 Wasm 模块
          const response = await fetch('image_filter.wasm');
          const buffer = await response.arrayBuffer();
          const module = await WebAssembly.compile(buffer);
          const instance = await WebAssembly.instantiate(module);
    
          // 获取导出的 grayscale 函数
          const grayscale = instance.exports._grayscale;
    
          // 应用灰度滤镜
          grayscale(pixels.byteOffset, canvas.width, canvas.height);
    
          // 将处理后的像素数据放回 Canvas
          ctx.putImageData(imageData, 0, 0);
        }
    
        run();
      </script>
    </body>
    </html>
    • 首先,我们加载图像,并将其绘制到 Canvas 上。
    • 然后,我们获取 Canvas 的像素数据,并将像素数据传递给 Wasm 模块的 grayscale 函数。
    • 最后,我们将处理后的像素数据放回 Canvas,显示灰度图像。

    注意:这里 pixels.byteOffset 获取的是像素数据在 ArrayBuffer 中的起始地址。

优化技巧

  • 减少 JavaScript 和 Wasm 之间的交互: 频繁地在 JavaScript 和 Wasm 之间传递数据会降低性能。尽量将计算密集型任务放在 Wasm 中完成,减少数据传输。
  • 使用 SIMD 指令: WebAssembly 支持 SIMD(Single Instruction, Multiple Data)指令,可以并行处理多个数据,提高性能。
  • 使用合适的内存管理策略: 合理地分配和释放内存,避免内存泄漏和碎片。

WebAssembly 的优势与局限

优势 局限
高性能,接近原生速度 学习曲线较陡峭,需要掌握 C、C++、Rust 等语言
安全性高,运行在沙箱环境中 调试困难,Wasm 的调试工具相对较少
可移植性好,可以在不同的浏览器和平台上运行 与 JavaScript 的互操作性需要一定的技巧
可以使用多种编程语言编写 DOM 操作不如 JavaScript 方便,需要通过 JavaScript 来操作 DOM

总结

WebAssembly 是 JavaScript 的一个强大的补充,可以用来处理 CPU 密集型计算,提高 Web 应用的性能。虽然学习曲线较陡峭,但掌握了 WebAssembly,就能让你的 Web 应用如虎添翼。

好了,今天的讲座就到这里。希望大家有所收获! 感谢各位观众老爷的观看,祝大家编码愉快,Bug 远离!

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