WebAssembly（Wasm）与JavaScript互操作：探讨如何将C++、Rust等语言编译成`WebAssembly`并在浏览器中运行，实现高性能计算。

WebAssembly 与 JavaScript 互操作：在浏览器中实现高性能计算

大家好！今天我们来聊聊 WebAssembly (Wasm) 与 JavaScript 的互操作，以及如何利用这项技术在浏览器中实现高性能计算。

WebAssembly 简介

WebAssembly 是一种新型的二进制指令集，设计目标是为 Web 应用提供接近原生应用的性能。它不是一门编程语言，而是一个编译目标。我们可以使用 C、C++、Rust 等高级语言编写代码，然后将它们编译成 Wasm 模块，最后在浏览器中运行。

为什么需要 WebAssembly？

JavaScript 在 Web 开发中占据主导地位，但它的性能瓶颈也日益凸显。尤其是在处理复杂的计算密集型任务时，JavaScript 的解释执行方式会带来明显的性能损失。

WebAssembly 的出现正是为了解决这个问题。它具有以下优势：

高性能： Wasm 模块以二进制形式存在，体积小，加载速度快。浏览器可以直接执行 Wasm 代码，无需解释，因此性能接近原生应用。
安全性： Wasm 代码运行在沙箱环境中，无法直接访问底层操作系统资源，保证了 Web 应用的安全性。
跨平台： Wasm 是一种标准化的指令集，可以在不同的浏览器和操作系统上运行。
多语言支持： 可以使用多种编程语言（如 C、C++、Rust）编写 Wasm 模块，为 Web 开发提供了更多的选择。

WebAssembly 的基本概念

在深入探讨互操作之前，我们先了解一些 WebAssembly 的基本概念：

模块 (Module): Wasm 模块是编译后的二进制文件，包含代码、数据、导入和导出。
实例 (Instance): Wasm 模块的实例是模块在内存中的一个具体实现。一个模块可以创建多个实例。
内存 (Memory): Wasm 模块可以访问线性内存，用于存储数据。
表 (Table): Wasm 表是一个类型化的函数引用数组，用于实现函数指针和动态调用。
导入 (Import): Wasm 模块可以导入 JavaScript 函数、内存、表等资源。
导出 (Export): Wasm 模块可以将函数、内存、表等资源导出，供 JavaScript 调用。

WebAssembly 与 JavaScript 互操作

WebAssembly 的强大之处在于它可以与 JavaScript 无缝地互操作。这意味着我们可以在 JavaScript 中加载和执行 Wasm 模块，也可以在 Wasm 模块中调用 JavaScript 函数。

1. 从 JavaScript 调用 WebAssembly 函数

这是最常见的互操作方式。我们可以将一些计算密集型的任务用 C++ 或 Rust 编写，编译成 Wasm 模块，然后在 JavaScript 中调用这些 Wasm 函数。

示例 (C++ -> Wasm -> JavaScript):

C++ 代码 (add.cpp):

#include <iostream>

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

编译 C++ 代码为 Wasm:

使用 Emscripten 工具链将 C++ 代码编译成 Wasm 模块。
```
emcc add.cpp -o add.js -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORT_NAME="AddModule"' -s ENVIRONMENT=web
```
这个命令会生成 add.js 和 add.wasm 文件。 add.js 是一个 JavaScript 胶水代码，负责加载和初始化 Wasm 模块。-s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" 指定要导出的函数，_add 是 C++ 函数 add 的 mangled name (Emscripten 会自动添加前缀 _)。 MODULARIZE=1 和 EXPORT_NAME="AddModule" 将 Wasm 模块封装成一个 JavaScript 模块，方便使用。 ENVIRONMENT=web 确保代码在 Web 环境中运行。
JavaScript 代码 (index.html):

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>WebAssembly Add Example</title>
</head>
<body>
  <script src="add.js"></script>
  <script>
    AddModule().then(function(Module) {
      const add = Module.cwrap('add', 'number', ['number', 'number']); // 使用 cwrap 简化调用

      const result = add(5, 3);
      console.log("Result: ", result); // 输出 "Result: 8"
    });
  </script>
</body>
</html>

代码解释:

加载 add.js: add.js 文件包含了加载和初始化 Wasm 模块的代码。
AddModule().then(...): AddModule() 返回一个 Promise，当 Wasm 模块加载完成时，Promise 会 resolve，并将 Wasm 模块实例作为参数传递给 then 方法。
Module.cwrap('add', 'number', ['number', 'number']): cwrap 是 Emscripten 提供的一个函数，用于简化从 JavaScript 调用 Wasm 函数的过程。它接受三个参数：
- 'add'：Wasm 函数的名称 (实际上是 C++ 函数的 mangled name，因为我们在编译时指定了导出函数 _add，cwrap 会处理 mangled name)。
- 'number'：Wasm 函数的返回值类型 (JavaScript number)。
- ['number', 'number']：Wasm 函数的参数类型 (两个 JavaScript number)。
const result = add(5, 3);: 调用 Wasm 函数 add，并将结果存储在 result 变量中。
console.log("Result: ", result);: 将结果输出到控制台。

使用 cwrap 的好处：

简化了类型转换：cwrap 会自动处理 JavaScript 和 Wasm 之间的数据类型转换。
隐藏了底层细节：cwrap 封装了调用 Wasm 函数的底层细节，使代码更简洁易懂。

2. 从 WebAssembly 调用 JavaScript 函数

我们也可以在 Wasm 模块中调用 JavaScript 函数。这在需要访问 Web API 或与 JavaScript 代码进行更复杂的交互时非常有用。

示例 (JavaScript -> Wasm -> JavaScript):

C++ 代码 (alert.cpp):

#include <iostream>
#include <emscripten.h>

extern "C" {
  void showAlert(const char* message) {
    EM_ASM({
      alert(UTF8ToString($0)); // 调用 JavaScript 的 alert 函数
    }, message);
  }
}

编译 C++ 代码为 Wasm:

emcc alert.cpp -o alert.js -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_showAlert']" -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORT_NAME="AlertModule"' -s ENVIRONMENT=web

JavaScript 代码 (index.html):

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>WebAssembly Alert Example</title>
</head>
<body>
  <script src="alert.js"></script>
  <script>
    AlertModule().then(function(Module) {
      const showAlert = Module.cwrap('showAlert', null, ['string']);

      showAlert("Hello from WebAssembly!");
    });
  </script>
</body>
</html>

代码解释:

#include <emscripten.h>: 引入 Emscripten 头文件，该文件提供了与 JavaScript 交互的 API。
EM_ASM({ ... }, message);: EM_ASM 是 Emscripten 提供的一个宏，用于在 C++ 代码中嵌入 JavaScript 代码。
- { alert(UTF8ToString($0)); }：这段 JavaScript 代码调用了 alert 函数，显示一个消息框。UTF8ToString($0) 将 C++ 字符串转换为 JavaScript 字符串。$0 是 EM_ASM 的第一个参数 message 的占位符。
showAlert("Hello from WebAssembly!");: 在 JavaScript 中调用 Wasm 函数 showAlert，传递一个字符串参数。

3. 共享内存

WebAssembly 和 JavaScript 可以通过共享内存进行更高效的数据交换。共享内存避免了数据复制，提高了性能。

示例 (C++ -> Wasm -> JavaScript – 共享内存):

C++ 代码 (memory.cpp):

#include <iostream>
#include <emscripten.h>

const int ARRAY_SIZE = 10;

extern "C" {
  void populateArray(int* array) {
    for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; ++i) {
      array[i] = i * 2;
    }
  }

  int sumArray(int* array) {
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; ++i) {
      sum += array[i];
    }
    return sum;
  }
}

编译 C++ 代码为 Wasm:
```
emcc memory.cpp -o memory.js -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_populateArray', '_sumArray']" -s MODULARIZE=1 -s 'EXPORT_NAME="MemoryModule"' -s ENVIRONMENT=web -s ALLOW_MEMORY_GROWTH=1 -s EXPORTED_RUNTIME_METHODS=['getValue','setValue']
```
-s ALLOW_MEMORY_GROWTH=1 允许 WebAssembly 内存增长，这对于处理动态数据非常重要。-s EXPORTED_RUNTIME_METHODS=['getValue','setValue'] 导出 getValue 和 setValue 方法，便于直接操作内存。
JavaScript 代码 (index.html):

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>WebAssembly Shared Memory Example</title>
</head>
<body>
  <script src="memory.js"></script>
  <script>
    MemoryModule().then(function(Module) {
      const populateArray = Module.cwrap('populateArray', null, ['number']);
      const sumArray = Module.cwrap('sumArray', 'number', ['number']);

      // Allocate memory for the array in WebAssembly memory
      const arrayPtr = Module._malloc(ARRAY_SIZE * 4); // 4 bytes per integer

      // Populate the array from C++
      populateArray(arrayPtr);

      // Sum the array from C++
      const sum = sumArray(arrayPtr);
      console.log("Sum of array elements: ", sum); // 输出 "Sum of array elements:  90"

      // Read array elements from JavaScript using getValue and setValue
      for (let i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
        const value = Module.getValue(arrayPtr + i * 4, 'i32');
        console.log(`Array[${i}] = ${value}`);
      }

      // Free the allocated memory
      Module._free(arrayPtr);
    });

    const ARRAY_SIZE = 10; // Define ARRAY_SIZE in JavaScript to match C++
  </script>
</body>
</html>

代码解释:

*`Module._malloc(ARRAY_SIZE 4);:** 在 WebAssembly 内存中分配一个大小为ARRAY_SIZE * 4字节的数组。_malloc` 是 Emscripten 提供的一个函数，用于在 Wasm 内存中分配空间。每个整数占用 4 个字节。
populateArray(arrayPtr);: 调用 Wasm 函数 populateArray，将数组指针传递给它。
sumArray(arrayPtr);: 调用 Wasm 函数 sumArray，计算数组元素的总和。
*`Module.getValue(arrayPtr + i 4, ‘i32’);:** 使用getValue从 WebAssembly 内存中读取数据。arrayPtr + i * 4计算数组元素的地址。‘i32’` 指定读取的数据类型为 32 位整数。
Module._free(arrayPtr);: 释放分配的内存。
*`Module.setValue(arrayPtr + i 4, ‘i32’, newValue);:** 使用setValue` 可以修改 WebAssembly 内存中的数据。

表格总结：JavaScript 和 WebAssembly 互操作方法

互操作方式	说明	优点	缺点
JavaScript 调用 Wasm	JavaScript 代码调用 WebAssembly 模块中的函数。	简单易用，适用于将计算密集型任务交给 WebAssembly 处理。	需要通过 Emscripten 的 `cwrap` 或手动编写胶水代码进行类型转换和函数调用，略显繁琐。
Wasm 调用 JavaScript	WebAssembly 模块调用 JavaScript 函数，访问 Web API 或与 JavaScript 代码进行更复杂的交互。	灵活，可以利用 JavaScript 的强大功能。	需要使用 Emscripten 的 `EM_ASM` 宏嵌入 JavaScript 代码，代码可读性较差。
共享内存	WebAssembly 和 JavaScript 共享同一块内存区域，实现高效的数据交换。	避免了数据复制，提高了性能。	需要手动管理内存，容易出错。需要使用 Emscripten 的 `_malloc` 和 `_free` 函数分配和释放内存。以及getValue/setValue函数操作内存。

性能考量

虽然 WebAssembly 提供了接近原生应用的性能，但在实际应用中，还需要考虑一些性能因素：

模块加载时间： 虽然 Wasm 模块体积小，加载速度快，但加载时间仍然会影响 Web 应用的启动速度。可以使用预加载技术来提前加载 Wasm 模块。
数据类型转换： 在 JavaScript 和 WebAssembly 之间传递数据时，需要进行数据类型转换。类型转换会带来一定的性能开销。尽量减少数据类型转换的次数。
内存管理： WebAssembly 内存是线性内存，需要手动管理。不合理的内存管理会导致内存泄漏和性能问题。
函数调用开销： JavaScript 调用 WebAssembly 函数或 WebAssembly 调用 JavaScript 函数都会有一定的开销。尽量减少函数调用的次数。

调试 WebAssembly

调试 WebAssembly 代码可能比较困难，因为 Wasm 模块是二进制文件。不过，现代浏览器提供了强大的 WebAssembly 调试工具。

Chrome DevTools: Chrome DevTools 提供了 WebAssembly 调试器，可以查看 Wasm 代码、设置断点、单步执行代码、查看内存和变量的值。
Firefox Developer Tools: Firefox Developer Tools 也提供了类似的 WebAssembly 调试功能。

工具链

Emscripten: Emscripten 是一个流行的工具链，可以将 C 和 C++ 代码编译成 WebAssembly。
Rust: Rust 语言对 WebAssembly 提供了良好的支持。可以使用 wasm-pack 工具将 Rust 代码编译成 WebAssembly。

一些实用建议

选择合适的编程语言： 根据项目的需求选择合适的编程语言。C++ 适合对性能要求极高的任务，Rust 适合需要安全性和并发性的任务。
优化 WebAssembly 代码： 使用编译器优化选项来提高 WebAssembly 代码的性能。例如，使用 -O3 选项来启用最高级别的优化。
使用 WebAssembly 特性： 充分利用 WebAssembly 提供的特性，例如 SIMD 指令和线程，来提高性能。
使用现有的 WebAssembly 库： 有很多现有的 WebAssembly 库可以帮助你完成各种任务，例如图像处理、音视频编解码、机器学习等。

未来的发展趋势

WebAssembly 正在快速发展，未来将会在以下方面取得更多的进展：

更多的语言支持： 越来越多的编程语言将会支持 WebAssembly。
更好的工具链： WebAssembly 工具链将会更加完善，使用更加方便。
更强大的特性： WebAssembly 将会提供更多的特性，例如垃圾回收和异常处理。
WebAssembly System Interface (WASI): WASI 旨在为 WebAssembly 提供一个标准化的系统接口，使其可以在浏览器之外运行。

总结与展望

WebAssembly 是一项革命性的技术，它为 Web 应用带来了接近原生应用的性能。通过与 JavaScript 的互操作，我们可以充分利用 WebAssembly 的性能优势和 JavaScript 的灵活性，开发出更加强大和高效的 Web 应用。虽然目前还有一些挑战，例如调试困难和内存管理复杂，但随着 WebAssembly 技术的不断发展和完善，相信这些问题都将得到解决。未来，WebAssembly 将会在 Web 开发中扮演越来越重要的角色，推动 Web 应用进入一个新的时代。

WebAssembly 与 JavaScript 互操作：在浏览器中实现高性能计算

发表回复 取消回复

发表回复取消回复