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
- 编写代码: 首先,你需要用 C、C++、Rust 等语言编写 CPU 密集型代码。
- 编译成 Wasm: 使用 Emscripten 或其他工具将代码编译成 Wasm 模块(.wasm 文件)。
- 加载 Wasm 模块: 在 JavaScript 中使用
fetch
或XMLHttpRequest
加载 Wasm 模块。 - 实例化 Wasm 模块: 使用
WebAssembly.instantiateStreaming
或WebAssembly.instantiate
函数实例化 Wasm 模块。 - 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。
-
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。 -
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。
-
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.compile
和WebAssembly.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。 - 首先,我们通过
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。
-
共享 ArrayBuffer:
最常用的方法是使用
ArrayBuffer
。ArrayBuffer
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。
-
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。
-
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。
-
编译成 Wasm:
emcc image_filter.cpp -s WASM=1 -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_grayscale']" -o image_filter.js
-
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!