كائن تصدير WebAssembly: دليل شامل لتكوين تصدير الوحدات

لقد أحدث WebAssembly (Wasm) ثورة في تطوير الويب من خلال توفير طريقة عالية الأداء، محمولة، وآمنة لتنفيذ التعليمات البرمجية في المتصفحات الحديثة. يتمثل جانب حاسم في وظائف WebAssembly في قدرته على التفاعل مع بيئة JavaScript المحيطة من خلال كائن التصدير الخاص به. يعمل هذا الكائن كجسر، مما يسمح لتعليمات JavaScript البرمجية بالوصول إلى الدوال، الذاكرة، الجداول، والمتغيرات العامة واستخدامها المحددة داخل وحدة WebAssembly. يعد فهم كيفية تكوين وإدارة تصديرات WebAssembly أمرًا ضروريًا لبناء تطبيقات ويب فعالة وقوية. يقدم هذا الدليل استكشافًا شاملاً لكائنات تصدير WebAssembly، يغطي تكوين تصدير الوحدات، وأنواع التصدير المختلفة، وأفضل الممارسات، والتقنيات المتقدمة للأداء الأمثل وقابلية التشغيل البيني.

ما هو كائن تصدير WebAssembly؟

عندما يتم تجميع وحدة WebAssembly وتثبيتها، فإنها تنتج كائن مثيل. يحتوي كائن المثيل هذا على خاصية تسمى exports، وهي كائن التصدير. كائن التصدير هو كائن JavaScript يحتوي على مراجع للكيانات المختلفة (الدوال، الذاكرة، الجداول، المتغيرات العامة) التي تجعل وحدة WebAssembly متاحة لاستخدام تعليمات JavaScript البرمجية.

فكر فيه كواجهة برمجة تطبيقات عامة لوحدة WebAssembly الخاصة بك. إنها الطريقة التي يمكن لـ JavaScript من خلالها "رؤية" والتفاعل مع التعليمات البرمجية والبيانات داخل وحدة Wasm.

المفاهيم الأساسية

• الوحدة: ملف ثنائي WebAssembly مجمع (.wasm).
• المثيل: مثيل تشغيل لوحدة WebAssembly. هذا هو المكان الذي يتم فيه تنفيذ التعليمات البرمجية فعليًا، ويتم تخصيص الذاكرة.
• كائن التصدير: كائن JavaScript يحتوي على الأعضاء المصدرة لمثيل WebAssembly.
• الأعضاء المصدرة: الدوال، الذاكرة، الجداول، والمتغيرات العامة التي تكشفها وحدة WebAssembly لاستخدام تعليمات JavaScript البرمجية.

تكوين تصديرات وحدات WebAssembly

تتم عملية تكوين ما يتم تصديره من وحدة WebAssembly بشكل أساسي في وقت التجميع، داخل التعليمات البرمجية المصدر التي يتم تجميعها إلى WebAssembly. تعتمد بناء الجملة والطرق المحددة على لغة المصدر التي تستخدمها (مثل C، C++، Rust، AssemblyScript). دعنا نستكشف كيف يتم الإعلان عن التصديرات في بعض اللغات الشائعة:

C/C++ مع Emscripten

Emscripten هي سلسلة أدوات شائعة لتجميع كود C و C++ إلى WebAssembly. لتصدير دالة، تستخدم عادةً ماكرو EMSCRIPTEN_KEEPALIVE أو تحدد التصديرات في إعدادات Emscripten.

مثال: تصدير دالة باستخدام EMSCRIPTEN_KEEPALIVE

كود C:

#include <emscripten.h>

EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

في هذا المثال، يتم تمييز الدالتين add و multiply باستخدام EMSCRIPTEN_KEEPALIVE، مما يخبر Emscripten بتضمينها في كائن التصدير.

مثال: تصدير دالة باستخدام إعدادات Emscripten

يمكنك أيضًا تحديد التصديرات باستخدام العلامة -s EXPORTED_FUNCTIONS أثناء التجميع:

emcc add.c -o add.js -s EXPORTED_FUNCTIONS='[_add,_multiply]'

يخبر هذا الأمر Emscripten بتصدير الدوال _add و _multiply (لاحظ الشرطة السفلية البادئة، والتي غالبًا ما يضيفها Emscripten). سيحتوي ملف JavaScript الناتج (add.js) على التعليمات البرمجية اللازمة لتحميل وحدة WebAssembly والتفاعل معها، وستكون الدوال add و multiply متاحة عبر كائن التصدير.

Rust مع wasm-pack

Rust هي لغة ممتازة أخرى لتطوير WebAssembly. أداة wasm-pack تبسط عملية بناء وتعبئة كود Rust لـ WebAssembly.

مثال: تصدير دالة في Rust

كود Rust:

#[no_mangle]
pub extern "C" fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
  a + b
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn multiply(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a * b
}

في هذا المثال، يمنع السمة #[no_mangle] مترجم Rust من تشويه أسماء الدوال، و pub extern "C" يجعل الدوال متاحة من البيئات المتوافقة مع C (بما في ذلك WebAssembly). تحتاج أيضًا إلى إضافة تبعية `wasm-bindgen` في Cargo.toml.

للبناء، ستقوم باستخدام:

wasm-pack build

سيحتوي الحزمة الناتجة على وحدة WebAssembly (ملف .wasm) وملف JavaScript يسهل التفاعل مع الوحدة.

AssemblyScript

AssemblyScript هي لغة شبيهة بـ TypeScript تقوم بالتجميع مباشرة إلى WebAssembly. إنها تقدم بناء جملة مألوف لمطوري JavaScript.

مثال: تصدير دالة في AssemblyScript

كود AssemblyScript:

export function add(a: i32, b: i32): i32 {
  return a + b;
}

export function multiply(a: i32, b: i32): i32 {
    return a * b;
}

في AssemblyScript، تستخدم ببساطة الكلمة المفتاحية export لتعيين الدوال التي يجب تضمينها في كائن التصدير.

التجميع:

asc assembly/index.ts -b build/index.wasm -t build/index.wat

أنواع تصديرات WebAssembly

يمكن لوحدات WebAssembly تصدير أربعة أنواع رئيسية من الكيانات:

• الدوال: كتل التعليمات البرمجية القابلة للتنفيذ.
• الذاكرة: الذاكرة الخطية التي تستخدمها وحدة WebAssembly.
• الجداول: مصفوفات من مراجع الدوال.
• المتغيرات العامة: قيم بيانات قابلة للتغيير أو غير قابلة للتغيير.

الدوال

الدوال المصدرة هي النوع الأكثر شيوعًا للتصدير. إنها تسمح لتعليمات JavaScript البرمجية باستدعاء الدوال المحددة داخل وحدة WebAssembly.

مثال (JavaScript): استدعاء دالة مصدرة

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const add = wasm.instance.exports.add;
const result = add(5, 3); // result will be 8
console.log(result);

الذاكرة

يسمح تصدير الذاكرة لـ JavaScript بالوصول المباشر إلى الذاكرة الخطية لوحدة WebAssembly ومعالجتها. يمكن أن يكون هذا مفيدًا لمشاركة البيانات بين JavaScript و WebAssembly، ولكنه يتطلب أيضًا إدارة دقيقة لتجنب تلف الذاكرة.

مثال (JavaScript): الوصول إلى الذاكرة المصدرة

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const memory = wasm.instance.exports.memory;
const buffer = new Uint8Array(memory.buffer);

// Write a value to memory
buffer[0] = 42;

// Read a value from memory
const value = buffer[0]; // value will be 42

console.log(value);

الجداول

الجداول هي مصفوفات من مراجع الدوال. تستخدم لتنفيذ الإرسال الديناميكي ومؤشرات الدوال في WebAssembly. يسمح تصدير الجدول لـ JavaScript باستدعاء الدوال بشكل غير مباشر عبر الجدول.

مثال (JavaScript): الوصول إلى الجدول المصدر

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const table = wasm.instance.exports.table;

// Assuming the table contains function references
const functionIndex = 0; // Index of the function in the table
const func = table.get(functionIndex);

// Call the function
const result = func(5, 3);
console.log(result);

المتغيرات العامة

يسمح تصدير المتغيرات العامة لـ JavaScript بقراءة وتعديل (إذا كان المتغير قابلاً للتغيير) قيم المتغيرات العامة المحددة في وحدة WebAssembly.

مثال (JavaScript): الوصول إلى متغير عام مصدر

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const globalVar = wasm.instance.exports.globalVar;

// Read the value
const value = globalVar.value;
console.log(value);

// Modify the value (if mutable)
globalVar.value = 100;

أفضل الممارسات لتكوين تصدير WebAssembly

عند تكوين تصديرات WebAssembly، من الضروري اتباع أفضل الممارسات لضمان الأداء الأمثل والأمان وقابلية الصيانة.

تقليل التصديرات

صدّر فقط الدوال والبيانات الضرورية للغاية للتفاعل مع JavaScript. يمكن أن تزيد التصديرات المفرطة من حجم كائن التصدير وتؤثر على الأداء المحتمل.

استخدام هياكل بيانات فعالة

عند مشاركة البيانات بين JavaScript و WebAssembly، استخدم هياكل بيانات فعالة تقلل من الحمل الزائد لتحويل البيانات. ضع في اعتبارك استخدام المصفوفات المسماة (Uint8Array، Float32Array، إلخ) لتحقيق الأداء الأمثل.

التحقق من المدخلات والمخرجات

تحقق دائمًا من المدخلات والمخرجات من وإلى دوال WebAssembly لمنع السلوك غير المتوقع والثغرات الأمنية المحتملة. هذا مهم بشكل خاص عند التعامل مع الوصول إلى الذاكرة.

إدارة الذاكرة بعناية

عند تصدير الذاكرة، كن حذرًا للغاية بشأن كيفية وصول JavaScript إليها ومعالجتها. يمكن أن يؤدي الوصول غير الصحيح إلى الذاكرة إلى تلف الذاكرة وتعطلها. ضع في اعتبارك استخدام دوال مساعدة داخل وحدة WebAssembly لإدارة الوصول إلى الذاكرة بطريقة متحكم فيها.

تجنب الوصول المباشر إلى الذاكرة عند الإمكان

على الرغم من أن الوصول المباشر إلى الذاكرة يمكن أن يكون فعالًا، إلا أنه يضيف أيضًا تعقيدًا ومخاطر محتملة. ضع في اعتبارك استخدام تجريدات عالية المستوى، مثل الدوال التي تغلف الوصول إلى الذاكرة، لتحسين قابلية صيانة التعليمات البرمجية وتقليل خطر الأخطاء. على سبيل المثال، يمكنك الحصول على دوال WebAssembly للحصول على القيم وتعيينها في مواقع محددة داخل مساحة الذاكرة الخاصة بها بدلاً من جعل JavaScript تقوم بالوصول المباشر إلى المخزن المؤقت.

اختر اللغة المناسبة للمهمة

اختر لغة البرمجة التي تناسب المهمة المحددة التي تقوم بها في WebAssembly. للمهام المكثفة حسابيًا، قد تكون C أو C++ أو Rust خيارات جيدة. للمهام التي تتطلب تكاملًا وثيقًا مع JavaScript، قد يكون AssemblyScript خيارًا أفضل.

ضع في اعتبارك الآثار الأمنية

كن على دراية بالآثار الأمنية لتصدير أنواع معينة من البيانات أو الوظائف. على سبيل المثال، يمكن أن يعرض تصدير الذاكرة مباشرة وحدة WebAssembly لهجمات فيضان المخزن المؤقت المحتملة إذا لم يتم التعامل معها بعناية. تجنب تصدير البيانات الحساسة إلا إذا كان ذلك ضروريًا للغاية.

تقنيات متقدمة

استخدام SharedArrayBuffer للذاكرة المشتركة

يسمح لك SharedArrayBuffer بإنشاء مخزن مؤقت للذاكرة يمكن مشاركته بين JavaScript والعديد من مثيلات WebAssembly (أو حتى خيوط متعددة). يمكن أن يكون هذا مفيدًا لتنفيذ العمليات الحسابية المتوازية وهياكل البيانات المشتركة.

مثال (JavaScript): استخدام SharedArrayBuffer

// Create a SharedArrayBuffer
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);

// Instantiate a WebAssembly module with the shared buffer
const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'), {
  env: {
    memory: new WebAssembly.Memory({ shared: true, initial: 1024, maximum: 1024 }),
  },
});

// Access the shared buffer from JavaScript
const buffer = new Uint8Array(sharedBuffer);

// Access the shared buffer from WebAssembly (requires specific configuration)
// (e.g., using atomics for synchronization)

هام: يتطلب استخدام SharedArrayBuffer آليات مزامنة مناسبة (مثل العمليات الذرية) لمنع ظروف السباق عند وصول خيوط أو مثيلات متعددة إلى المخزن المؤقت بشكل متزامن.

العمليات غير المتزامنة

للعمليات الطويلة أو المحظورة داخل WebAssembly، ضع في اعتبارك استخدام تقنيات غير متزامنة لتجنب حظر مؤشر JavaScript الرئيسي. يمكن تحقيق ذلك باستخدام ميزة Asyncify في Emscripten أو عن طريق تنفيذ آليات غير متزامنة مخصصة باستخدام Promises أو callbacks.

استراتيجيات إدارة الذاكرة

ليس لدى WebAssembly جامع قمامة مدمج. ستحتاج إلى إدارة الذاكرة يدويًا، خاصة للبرامج الأكثر تعقيدًا. قد يتضمن ذلك استخدام مخصصات ذاكرة مخصصة داخل وحدة WebAssembly أو الاعتماد على مكتبات إدارة الذاكرة الخارجية.

تجميع التدفق

استخدم WebAssembly.instantiateStreaming لتجميع وتثبيت وحدات WebAssembly مباشرة من تيار بايت. يمكن أن يحسن هذا وقت بدء التشغيل عن طريق السماح للمتصفح ببدء تجميع الوحدة قبل تنزيل الملف بأكمله. أصبح هذا هو الأسلوب المفضل لتحميل الوحدات.

التحسين للأداء

قم بتحسين تعليمات WebAssembly البرمجية للأداء باستخدام هياكل البيانات والخوارزميات وعلامات المترجم المناسبة. قم بقياس أداء تعليماتك البرمجية لتحديد الاختناقات وتحسينها وفقًا لذلك. ضع في اعتبارك استخدام تعليمات SIMD (Single Instruction, Multiple Data) للمعالجة المتوازية.

أمثلة واقعية وحالات استخدام

يستخدم WebAssembly في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك:

• الألعاب: نقل الألعاب الحالية إلى الويب وإنشاء ألعاب ويب جديدة عالية الأداء.
• معالجة الصور والفيديو: إجراء مهام معالجة الصور والفيديو المعقدة في المتصفح.
• الحوسبة العلمية: تشغيل عمليات المحاكاة المكثفة حسابيًا وتطبيقات تحليل البيانات في المتصفح.
• التشفير: تنفيذ خوارزميات وبروتوكولات التشفير بطريقة آمنة ومحمولة.
• برامج الترميز: معالجة برامج ترميز الوسائط وضغط/فك ضغط الوسائط في المتصفح، مثل ترميز وفك ترميز الفيديو أو الصوت.
• الأجهزة الافتراضية: تنفيذ الأجهزة الافتراضية بطريقة آمنة وعالية الأداء.
• تطبيقات جانب الخادم: على الرغم من أن الاستخدام الأساسي في المتصفحات، يمكن أيضًا استخدام WASM في بيئات جانب الخادم.

مثال: معالجة الصور باستخدام WebAssembly

تخيل أنك تقوم ببناء محرر صور قائم على الويب. يمكنك استخدام WebAssembly لتنفيذ عمليات معالجة الصور الحيوية للأداء، مثل ترشيح الصور، وتغيير الحجم، ومعالجة الألوان. يمكن لوحدة WebAssembly تصدير دوال تأخذ بيانات الصورة كمدخلات وتعيد بيانات الصور المعالجة كمخرجات. هذا يفرغ العبء الثقيل من JavaScript، مما يؤدي إلى تجربة مستخدم أكثر سلاسة واستجابة.

مثال: تطوير الألعاب باستخدام WebAssembly

يستخدم العديد من مطوري الألعاب WebAssembly لنقل الألعاب الحالية إلى الويب أو لإنشاء ألعاب ويب جديدة عالية الأداء. يتيح لهم WebAssembly تحقيق أداء قريب من الأداء الأصلي، مما يمكّنهم من تشغيل رسومات ثلاثية الأبعاد معقدة ومحاكاة فيزيائية في المتصفح. تدعم محركات الألعاب الشهيرة مثل Unity و Unreal Engine تصدير WebAssembly.

الخاتمة

يعد كائن تصدير WebAssembly آلية حاسمة لتمكين الاتصال والتفاعل بين وحدات WebAssembly وتعليمات JavaScript البرمجية. من خلال فهم كيفية تكوين تصديرات الوحدات، وإدارة أنواع التصدير المختلفة، واتباع أفضل الممارسات، يمكن للمطورين بناء تطبيقات ويب فعالة وآمنة وقابلة للصيانة تستفيد من قوة WebAssembly. مع استمرار تطور WebAssembly، سيكون إتقان قدرات التصدير الخاصة به أمرًا ضروريًا لإنشاء تجارب ويب مبتكرة وعالية الأداء.

قدم هذا الدليل نظرة عامة شاملة على كائنات تصدير WebAssembly، يغطي كل شيء من المفاهيم الأساسية إلى التقنيات المتقدمة. من خلال تطبيق المعرفة وأفضل الممارسات الموضحة في هذا الدليل، يمكنك استخدام WebAssembly بفعالية في مشاريع تطوير الويب الخاصة بك وفتح إمكانياته الكاملة.