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WebAssembly：JavaScript 与 C++ 的互操作

WebAssembly：JavaScript 与 C++ 的互操作

欢迎来到 WebAssembly 世界！🚀

大家好，欢迎来到今天的讲座！今天我们要探讨的是 WebAssembly（简称 Wasm），特别是它如何让 JavaScript 和 C++ 这两种语言在浏览器中愉快地“合作”。如果你对这两门语言有一定了解，或者对 Web 开发感兴趣，那么你一定会觉得这个话题非常有趣！

什么是 WebAssembly？

WebAssembly 是一种低级别的二进制指令格式，旨在为 Web 提供接近原生的性能。它的设计目标是让开发者可以使用多种编程语言（如 C、C++、Rust 等）编写代码，并将其编译成可以在浏览器中高效运行的 WebAssembly 模块。

简单来说，WebAssembly 是一个“桥梁”，它可以让那些原本无法直接在浏览器中运行的语言（比如 C++）通过编译后，在浏览器中与 JavaScript 无缝协作。这为我们打开了一个新的开发模式，尤其是在处理高性能计算、图形渲染、游戏开发等领域时，WebAssembly 显得尤为重要。

为什么需要 JavaScript 和 C++ 互操作？

JavaScript 是 Web 开发的主力语言，但它并不是万能的。虽然 JavaScript 在处理异步任务、DOM 操作等方面表现出色，但在某些场景下，它的性能可能不够理想。例如：

  • 复杂的数学计算：像图像处理、加密算法、物理模拟等任务，JavaScript 可能会显得力不从心。
  • 内存管理：JavaScript 的垃圾回收机制虽然方便，但在某些情况下会导致性能瓶颈。
  • 多线程支持：JavaScript 的单线程模型限制了并发处理的能力。

而 C++ 则以其高效的性能和精细的内存控制著称。通过 WebAssembly，我们可以将 C++ 编写的高性能代码编译成 WebAssembly 模块，并在浏览器中与 JavaScript 交互，从而充分利用两者的优点。

如何实现 JavaScript 和 C++ 的互操作？

接下来，我们来看看具体如何实现 JavaScript 和 C++ 的互操作。为了让大家更好地理解，我们会通过一些简单的代码示例来说明。

1. 使用 Emscripten 编译 C++ 代码

Emscripten 是一个非常流行的工具链，它可以将 C++ 代码编译成 WebAssembly 模块。我们先来看一个简单的 C++ 函数，它用于计算两个整数的和：

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

这里我们使用了 extern "C" 关键字，以确保函数名不会被 C++ 编译器修改（即防止名称修饰）。接下来，我们使用 Emscripten 将这段代码编译成 WebAssembly 模块：

emcc add.cpp -o add.js -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" -s EXTRA_EXPORTED_RUNTIME_METHODS="['cwrap']"

这条命令会生成两个文件：add.wasm 和 add.js。add.wasm 是编译后的 WebAssembly 模块，而 add.js 是一个辅助脚本，帮助我们在 JavaScript 中加载和调用 WebAssembly 模块。

2. 在 JavaScript 中调用 C++ 函数

现在，我们可以在 JavaScript 中加载并调用这个 C++ 函数。以下是一个简单的 HTML 文件，展示了如何使用 add.js 来调用 C++ 的 add 函数：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>WebAssembly Example</title>
</head>
<body>
    <h1>JavaScript and C++ Interop with WebAssembly</h1>
    <script src="add.js"></script>
    <script>
        // Wait for the WebAssembly module to be loaded
        Module.onRuntimeInitialized = function() {
            // Get the C++ function using cwrap
            const add = Module.cwrap('add', 'number', ['number', 'number']);

            // Call the C++ function from JavaScript
            const result = add(5, 7);
            console.log(`5 + 7 = ${result}`);  // Output: 5 + 7 = 12
        };
    </script>
</body>
</html>

在这个例子中，我们使用了 Module.cwrap 方法来获取 C++ 的 add 函数，并将其包装成一个 JavaScript 函数。然后，我们就可以像调用普通的 JavaScript 函数一样调用它了。

3. 传递复杂数据类型

除了基本的整数和浮点数，我们还可以通过 WebAssembly 传递更复杂的数据类型，比如数组、结构体等。让我们看一个稍微复杂一点的例子，假设我们有一个 C++ 函数，它接受一个整数数组并返回数组的平均值：

// average.cpp
#include <vector>

extern "C" {
    double average(const int* data, int length) {
        if (length == 0) return 0.0;
        double sum = 0.0;
        for (int i = 0; i < length; ++i) {
            sum += data[i];
        }
        return sum / length;
    }
}

同样，我们使用 Emscripten 编译这段代码：

emcc average.cpp -o average.js -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_average']" -s EXTRA_EXPORTED_RUNTIME_METHODS="['cwrap']"

在 JavaScript 中，我们可以使用 TypedArray 来传递数组数据。以下是完整的代码示例：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>WebAssembly Array Example</title>
</head>
<body>
    <h1>Passing Arrays to C++ with WebAssembly</h1>
    <script src="average.js"></script>
    <script>
        Module.onRuntimeInitialized = function() {
            // Get the C++ function using cwrap
            const average = Module.cwrap('average', 'number', ['number', 'number']);

            // Create an array of integers in JavaScript
            const jsArray = [1, 2, 3, 4, 5];
            const arrayLength = jsArray.length;

            // Allocate memory in WebAssembly heap
            const wasmArray = new Int32Array(Module.HEAP32.buffer, Module._malloc(arrayLength * 4), arrayLength);

            // Copy the JavaScript array to the WebAssembly heap
            wasmArray.set(jsArray);

            // Call the C++ function with the array and its length
            const result = average(wasmArray.byteOffset, arrayLength);
            console.log(`Average: ${result}`);  // Output: Average: 3

            // Free the allocated memory
            Module._free(wasmArray.byteOffset);
        };
    </script>
</body>
</html>

在这个例子中，我们首先创建了一个 JavaScript 数组，然后将其复制到 WebAssembly 堆中。接着，我们调用 C++ 的 average 函数来计算数组的平均值。最后，别忘了释放分配的内存，以避免内存泄漏。

性能对比：JavaScript vs C++

既然我们已经学会了如何在 JavaScript 中调用 C++ 函数，那么接下来我们来做一个简单的性能对比。我们将分别使用 JavaScript 和 C++ 实现一个相同的任务——计算斐波那契数列的第 40 项。

JavaScript 版本

function fibonacci(n) {
    if (n <= 1) return n;
    return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}

console.time('JavaScript');
console.log(fibonacci(40));  // Output: 102334155
console.timeEnd('JavaScript');  // Output: JavaScript: ~2000ms

C++ 版本

// fibonacci.cpp
extern "C" {
    int fibonacci(int n) {
        if (n <= 1) return n;
        return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
    }
}

编译并调用：

emcc fibonacci.cpp -o fibonacci.js -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_fibonacci']" -s EXTRA_EXPORTED_RUNTIME_METHODS="['cwrap']"
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>Fibonacci Performance Test</title>
</head>
<body>
    <h1>Fibonacci Performance Test</h1>
    <script src="fibonacci.js"></script>
    <script>
        Module.onRuntimeInitialized = function() {
            const fibonacci = Module.cwrap('fibonacci', 'number', ['number']);

            console.time('C++');
            console.log(fibonacci(40));  // Output: 102334155
            console.timeEnd('C++');      // Output: C++: ~500ms
        };
    </script>
</body>
</html>

从上面的测试结果可以看出，C++ 版本的执行时间大约是 JavaScript 版本的一半左右。这充分展示了 WebAssembly 在性能上的优势，尤其是在处理递归或复杂计算时。

总结

通过今天的讲座，我们学习了如何使用 WebAssembly 实现 JavaScript 和 C++ 的互操作。我们不仅了解了如何编译 C++ 代码为 WebAssembly 模块，还掌握了如何在 JavaScript 中调用这些模块中的函数。此外，我们还通过一个简单的性能测试，看到了 WebAssembly 在处理计算密集型任务时的强大优势。

当然，WebAssembly 的应用场景远不止于此。它不仅可以用于提升 Web 应用的性能，还可以用于构建桌面应用、移动应用，甚至是服务器端应用。未来，随着 WebAssembly 生态系统的不断发展，我们有理由相信它将会成为 Web 开发中不可或缺的一部分。

希望今天的讲座对你有所帮助！如果你有任何问题或想法，欢迎随时提问或分享你的见解。😊

参考资料：

  • WebAssembly 官方文档
  • Emscripten 用户手册
  • MDN Web Docs: WebAssembly
  • Mozilla Hacks Blog: WebAssembly and JavaScript

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