WebAssembly متعدد الذاكرة: شرح إدارة مثيلات الذاكرة المتعددة

لقد أحدث WebAssembly (WASM) ثورة في تطوير الويب من خلال تمكين أداء شبه أصلي للتطبيقات التي تعمل في المتصفح. أحد الجوانب الأساسية في WASM هو نموذج الذاكرة الخاص به. في الأصل، كان WebAssembly يدعم مثيل ذاكرة خطية واحدة فقط لكل وحدة. ومع ذلك، فإن تقديم مقترح الذاكرة المتعددة يوسع بشكل كبير من قدرات WASM، مما يسمح للوحدات بإدارة مثيلات ذاكرة متعددة. يقدم هذا المقال نظرة عامة شاملة على WebAssembly متعدد الذاكرة، وفوائده، وحالات استخدامه، وتفاصيل التنفيذ للمطورين حول العالم.

ما هو WebAssembly متعدد الذاكرة؟

قبل الخوض في التفاصيل، دعونا نحدد ما هو WebAssembly متعدد الذاكرة بالفعل. في مواصفات WASM الأصلية، كانت كل وحدة تقتصر على ذاكرة خطية واحدة، وهي كتلة متجاورة من البايتات يمكن لوحدة WASM الوصول إليها مباشرة. كانت هذه الذاكرة تُستخدم عادةً لتخزين بيانات الوحدة، بما في ذلك المتغيرات والمصفوفات وهياكل البيانات الأخرى.

ترفع ميزة الذاكرة المتعددة هذا القيد، مما يسمح لوحدة WebAssembly بإنشاء واستيراد وتصدير مثيلات ذاكرة خطية متعددة ومتميزة. يعمل كل مثيل ذاكرة كمساحة ذاكرة مستقلة، يمكن تحديد حجمها وإدارتها بشكل منفصل. وهذا يفتح إمكانيات لخطط إدارة ذاكرة أكثر تعقيدًا، وتحسين الوحدات النمطية، وتعزيز الأمان.

فوائد الذاكرة المتعددة

يقدم إدخال الذاكرة المتعددة العديد من الفوائد الرئيسية لتطوير WebAssembly:

1. نمطية محسنة

تسمح الذاكرة المتعددة للمطورين بتقسيم أجزاء مختلفة من تطبيقاتهم إلى مثيلات ذاكرة منفصلة. وهذا يعزز النمطية عن طريق عزل البيانات ومنع التداخل غير المقصود بين المكونات. على سبيل المثال، قد يقسم تطبيق كبير ذاكرته إلى مثيلات منفصلة لواجهة المستخدم، ومحرك اللعبة، ورمز الشبكات. يمكن لهذا العزل أن يبسط بشكل كبير عملية تصحيح الأخطاء والصيانة.

2. أمان معزز

من خلال عزل البيانات في مثيلات ذاكرة منفصلة، يمكن للذاكرة المتعددة تحسين أمان تطبيقات WebAssembly. إذا تم اختراق مثيل ذاكرة واحد، فإن وصول المهاجم يقتصر على ذلك المثيل، مما يمنعه من الوصول إلى البيانات أو تعديلها في أجزاء أخرى من التطبيق. هذا الأمر مهم بشكل خاص للتطبيقات التي تتعامل مع بيانات حساسة، مثل المعاملات المالية أو المعلومات الشخصية. لنفترض أن موقعًا للتجارة الإلكترونية يستخدم WASM لمعالجة المدفوعات. فإن عزل منطق معالجة الدفع في مساحة ذاكرة منفصلة يحميه من الثغرات الأمنية في أجزاء أخرى من التطبيق.

3. إدارة مبسطة للذاكرة

يمكن أن تكون إدارة ذاكرة خطية واحدة وكبيرة أمرًا صعبًا، خاصة بالنسبة للتطبيقات المعقدة. تبسط الذاكرة المتعددة إدارة الذاكرة من خلال السماح للمطورين بتخصيص وإلغاء تخصيص الذاكرة في أجزاء أصغر وأكثر قابلية للإدارة. يمكن أن يقلل هذا من تجزئة الذاكرة ويحسن الأداء العام. علاوة على ذلك، يمكن تكوين مثيلات الذاكرة المختلفة بمعلمات نمو ذاكرة مختلفة، مما يسمح بالتحكم الدقيق في استخدام الذاكرة. على سبيل المثال، يمكن لتطبيق كثيف الرسوميات تخصيص مثيل ذاكرة أكبر للصور والنماذج، بينما يستخدم مثيلًا أصغر لواجهة المستخدم.

4. دعم لميزات اللغات

تحتوي العديد من لغات البرمجة على ميزات يصعب أو يستحيل تنفيذها بكفاءة باستخدام ذاكرة خطية واحدة. على سبيل- المثال، تدعم بعض اللغات أكوامًا متعددة أو جامعي قمامة. تجعل الذاكرة المتعددة من السهل دعم هذه الميزات في WebAssembly. يمكن للغات مثل Rust، بتركيزها على أمان الذاكرة، الاستفادة من الذاكرة المتعددة لفرض حدود ذاكرة أكثر صرامة ومنع الأخطاء الشائعة المتعلقة بالذاكرة.

5. أداء متزايد

في بعض الحالات، يمكن للذاكرة المتعددة تحسين أداء تطبيقات WebAssembly. من خلال عزل البيانات في مثيلات ذاكرة منفصلة، يمكن أن تقلل من التنافس على موارد الذاكرة وتحسين محلية ذاكرة التخزين المؤقت. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يفتح الباب أمام استراتيجيات جمع قمامة أكثر كفاءة، حيث يمكن لكل مثيل ذاكرة أن يكون له جامع قمامة خاص به. على سبيل المثال، يمكن لتطبيق محاكاة علمية الاستفادة من تحسين محلية البيانات عند معالجة مجموعات البيانات الكبيرة المخزنة في مثيلات ذاكرة منفصلة.

حالات استخدام الذاكرة المتعددة

للذاكرة المتعددة مجموعة واسعة من حالات الاستخدام المحتملة في تطوير WebAssembly:

1. تطوير الألعاب

غالبًا ما تدير محركات الألعاب أكوامًا متعددة لأنواع مختلفة من البيانات، مثل الصور والنماذج والصوت. تجعل الذاكرة المتعددة من السهل نقل محركات الألعاب الحالية إلى WebAssembly. يمكن تخصيص مساحات ذاكرة خاصة بأنظمة فرعية مختلفة للعبة، مما يبسط عملية النقل ويحسن الأداء. علاوة على ذلك، يمكن أن يعزز عزل الذاكرة الأمان، مما يمنع الاستغلال الذي يستهدف أصول اللعبة المحددة.

2. تطبيقات الويب المعقدة

يمكن لتطبيقات الويب الكبيرة الاستفادة من فوائد النمطية والأمان للذاكرة المتعددة. من خلال تقسيم التطبيق إلى وحدات منفصلة مع مثيلات ذاكرة خاصة بها، يمكن للمطورين تحسين قابلية صيانة الكود وتقليل مخاطر الثغرات الأمنية. على سبيل المثال، لنفترض مجموعة برامج مكتبية قائمة على الويب مع وحدات منفصلة لمعالجة الكلمات وجداول البيانات والعروض التقديمية. يمكن أن يكون لكل وحدة مثيل ذاكرة خاص بها، مما يوفر العزل ويبسط إدارة الذاكرة.

3. WebAssembly من جانب الخادم

يتم استخدام WebAssembly بشكل متزايد في بيئات جانب الخادم، مثل الحوسبة الطرفية والوظائف السحابية. يمكن استخدام الذاكرة المتعددة لعزل مستأجرين أو تطبيقات مختلفة تعمل على نفس الخادم، مما يحسن الأمان وإدارة الموارد. على سبيل المثال، يمكن لمنصة بدون خادم استخدام الذاكرة المتعددة لعزل مساحات الذاكرة لوظائف مختلفة، مما يمنعها من التدخل في بعضها البعض.

4. العزل والأمان (Sandboxing)

يمكن استخدام الذاكرة المتعددة لإنشاء بيئات معزولة (sandboxes) للتعليمات البرمجية غير الموثوق بها. من خلال تشغيل الكود في مثيل ذاكرة منفصل، يمكن للمطورين الحد من وصوله إلى موارد النظام ومنعه من التسبب في ضرر. هذا مفيد بشكل خاص للتطبيقات التي تحتاج إلى تنفيذ كود من جهة خارجية، مثل أنظمة المكونات الإضافية أو محركات البرمجة النصية. يمكن لمنصة ألعاب سحابية، على سبيل المثال، استخدام الذاكرة المتعددة لعزل محتوى اللعبة الذي أنشأه المستخدم، مما يمنع البرامج النصية الضارة من اختراق المنصة.

5. الأنظمة المدمجة

يجد WebAssembly طريقه إلى الأنظمة المدمجة حيث تعد قيود الموارد مصدر قلق كبير. يمكن أن تساعد الذاكرة المتعددة في إدارة الذاكرة بكفاءة في هذه البيئات عن طريق تخصيص مثيلات ذاكرة منفصلة لمهام أو وحدات مختلفة. يمكن أن يؤدي هذا العزل أيضًا إلى تحسين استقرار النظام عن طريق منع وحدة واحدة من التسبب في تعطل النظام بأكمله بسبب تلف الذاكرة.

تفاصيل التنفيذ

يتطلب تنفيذ الذاكرة المتعددة في WebAssembly تغييرات في كل من مواصفات WebAssembly ومحركات WebAssembly (المتصفحات، وأوقات التشغيل). إليك نظرة على بعض الجوانب الرئيسية:

1. صيغة WebAssembly Text Format (WAT)

تم توسيع صيغة WebAssembly Text Format (WAT) لدعم مثيلات الذاكرة المتعددة. يمكن الآن لتعليمة memory أن تأخذ معرفًا اختياريًا لتحديد مثيل الذاكرة الذي سيتم العمل عليه. على سبيل المثال:

            (module
  (memory (export "mem1") 1)
  (memory (export "mem2") 2)
  (func (export "read_mem1") (param i32) (result i32)
    (i32.load (memory 0) (local.get 0)) ;; Access mem1
  )
  (func (export "read_mem2") (param i32) (result i32)
    (i32.load (memory 1) (local.get 0)) ;; Access mem2
  )
)
            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال، يتم تعريف وتصدير مثيلي ذاكرة، "mem1" و "mem2". تصل الدالة read_mem1 إلى مثيل الذاكرة الأول، بينما تصل الدالة read_mem2 إلى مثيل الذاكرة الثاني. لاحظ استخدام الفهرس (0 أو 1) لتحديد الذاكرة التي سيتم الوصول إليها في تعليمة i32.load.

2. واجهة برمجة تطبيقات جافاسكريبت (JavaScript API)

تم تحديث واجهة برمجة تطبيقات جافاسكريبت (JavaScript API) لـ WebAssembly أيضًا لدعم الذاكرة المتعددة. يمكن الآن استخدام مُنشئ WebAssembly.Memory لإنشاء مثيلات ذاكرة متعددة، ويمكن استيراد وتصدير هذه المثيلات من وحدات WebAssembly. يمكنك أيضًا استرداد مثيلات الذاكرة الفردية بأسمائها المصدرة. على سبيل المثال:

            const memory1 = new WebAssembly.Memory({ initial: 10 });
const memory2 = new WebAssembly.Memory({ initial: 20 });

const importObject = {
  env: {
    memory1: memory1,
    memory2: memory2
  }
};

WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'), importObject)
  .then(result => {
    // Access exported functions that use memory1 and memory2
    const read_mem1 = result.instance.exports.read_mem1;
    const read_mem2 = result.instance.exports.read_mem2;
  });

            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال، يتم إنشاء مثيلي ذاكرة، memory1 و memory2، في جافاسكريبت. ثم يتم تمرير مثيلات الذاكرة هذه إلى وحدة WebAssembly كواردات. يمكن لوحدة WebAssembly بعد ذلك الوصول إلى مثيلات الذاكرة هذه مباشرة.

3. نمو الذاكرة

يمكن أن يكون لكل مثيل ذاكرة معلمات نمو مستقلة خاصة به. هذا يعني أنه يمكن للمطورين التحكم في مقدار الذاكرة التي يمكن لكل مثيل تخصيصها ومقدار نموها. يمكن استخدام تعليمة memory.grow لزيادة حجم مثيل ذاكرة معين. يمكن أن يكون لكل ذاكرة حدود مختلفة، مما يتيح إدارة دقيقة للذاكرة.

4. اعتبارات للمترجمات (Compilers)

تحتاج سلاسل أدوات المترجمات، مثل تلك الخاصة بـ C++ و Rust و AssemblyScript، إلى التحديث للاستفادة من الذاكرة المتعددة. يتضمن ذلك إنشاء كود WebAssembly يستخدم فهارس الذاكرة المناسبة بشكل صحيح عند الوصول إلى مثيلات ذاكرة مختلفة. ستعتمد تفاصيل ذلك على اللغة والمترجم المحددين المستخدمين، ولكنها تتضمن عمومًا تعيين بنيات اللغة عالية المستوى (مثل الأكوام المتعددة) إلى وظائف الذاكرة المتعددة الأساسية لـ WebAssembly.

مثال: استخدام الذاكرة المتعددة مع Rust

دعونا نفكر في مثال بسيط لاستخدام الذاكرة المتعددة مع Rust و WebAssembly. سيقوم هذا المثال بإنشاء مثيلي ذاكرة واستخدامهما لتخزين أنواع مختلفة من البيانات.

أولاً، قم بإنشاء مشروع Rust جديد:

            cargo new multi-memory-example --lib
cd multi-memory-example
            

              
                Copy
              
            
          

أضف التبعيات التالية إلى ملف Cargo.toml الخاص بك:

            [dependencies]
wasm-bindgen = "0.2"

            

              
                Copy
              
            
          

قم بإنشاء ملف باسم src/lib.rs بالكود التالي:

            use wasm_bindgen::prelude::*;

#[wasm_bindgen]
extern "C" {
    #[wasm_bindgen(js_namespace = console)]
    fn log(s: &str);
}

// Declare memory imports
#[wasm_bindgen(module = "./index")]
extern "C" {
    #[wasm_bindgen(js_name = memory1)]
    static MEMORY1: JsValue;
    #[wasm_bindgen(js_name = memory2)]
    static MEMORY2: JsValue;
}

#[wasm_bindgen]
pub fn write_to_memory1(offset: usize, value: u32) {
    let memory: &WebAssembly::Memory = &MEMORY1.into();
    let buffer = unsafe { memory.buffer().slice() };
    let array = unsafe { &mut *(buffer.as_ptr() as *mut [u32; 1024]) }; // Assuming memory size
    array[offset] = value;
    log(&format!("Wrote {} to memory1 at offset {}", value, offset));
}

#[wasm_bindgen]
pub fn write_to_memory2(offset: usize, value: u32) {
    let memory: &WebAssembly::Memory = &MEMORY2.into();
    let buffer = unsafe { memory.buffer().slice() };
    let array = unsafe { &mut *(buffer.as_ptr() as *mut [u32; 1024]) }; // Assuming memory size
    array[offset] = value;
    log(&format!("Wrote {} to memory2 at offset {}", value, offset));
}

#[wasm_bindgen]
pub fn read_from_memory1(offset: usize) -> u32 {
    let memory: &WebAssembly::Memory = &MEMORY1.into();
    let buffer = unsafe { memory.buffer().slice() };
    let array = unsafe { &*(buffer.as_ptr() as *const [u32; 1024]) }; // Assuming memory size
    let value = array[offset];
    log(&format!("Read {} from memory1 at offset {}", value, offset));
    value
}

#[wasm_bindgen]
pub fn read_from_memory2(offset: usize) -> u32 {
    let memory: &WebAssembly::Memory = &MEMORY2.into();
    let buffer = unsafe { memory.buffer().slice() };
    let array = unsafe { &*(buffer.as_ptr() as *const [u32; 1024]) }; // Assuming memory size
    let value = array[offset];
    log(&format!("Read {} from memory2 at offset {}", value, offset));
    value
}

            

              
                Copy
              
            
          

بعد ذلك، قم بإنشاء ملف index.js بالكود التالي:

            import init, { write_to_memory1, write_to_memory2, read_from_memory1, read_from_memory2 } from './pkg/multi_memory_example.js';

const memory1 = new WebAssembly.Memory({ initial: 10 });
const memory2 = new WebAssembly.Memory({ initial: 10 });

window.memory1 = memory1; // Make memory1 accessible globally (debugging)
window.memory2 = memory2; // Make memory2 accessible globally (debugging)

async function run() {
    await init();

    // Write to memory1
    write_to_memory1(0, 42);
    // Write to memory2
    write_to_memory2(1, 123);

    // Read from memory1
    const value1 = read_from_memory1(0);
    console.log("Value from memory1:", value1);

    // Read from memory2
    const value2 = read_from_memory2(1);
    console.log("Value from memory2:", value2);
}

run();

export const MEMORY1 = memory1;
export const MEMORY2 = memory2;

            

              
                Copy
              
            
          

أضف ملف index.html:

            


    
    


    



            

              
                Copy
              
            
          

أخيرًا، قم ببناء كود Rust إلى WebAssembly:

            wasm-pack build --target web
            

              
                Copy
              
            
          

قم بتقديم الملفات باستخدام خادم ويب (على سبيل المثال، باستخدام npx serve). افتح ملف index.html في متصفحك، ويجب أن ترى الرسائل في وحدة التحكم تشير إلى أنه تم كتابة البيانات وقراءتها من كلا مثيلي الذاكرة. يوضح هذا المثال كيفية إنشاء واستيراد واستخدام مثيلات ذاكرة متعددة في وحدة WebAssembly مكتوبة بلغة Rust.

الأدوات والمصادر

تتوفر العديد من الأدوات والمصادر لمساعدة المطورين على العمل مع WebAssembly متعدد الذاكرة:

• مواصفات WebAssembly: توفر مواصفات WebAssembly الرسمية معلومات مفصلة حول الذاكرة المتعددة.
• Wasmtime: وقت تشغيل WebAssembly مستقل يدعم الذاكرة المتعددة.
• Emscripten: سلسلة أدوات لترجمة كود C و C++ إلى WebAssembly، مع دعم للذاكرة المتعددة.
• wasm-pack: أداة لبناء واختبار ونشر WebAssembly الذي تم إنشاؤه بواسطة Rust.
• AssemblyScript: لغة شبيهة بـ TypeScript يتم ترجمتها مباشرة إلى WebAssembly، مع دعم للذاكرة المتعددة.

التحديات والاعتبارات

بينما توفر الذاكرة المتعددة العديد من الفوائد، هناك أيضًا بعض التحديات والاعتبارات التي يجب وضعها في الاعتبار:

1. زيادة التعقيد

تضيف الذاكرة المتعددة تعقيدًا إلى تطوير WebAssembly. يحتاج المطورون إلى فهم كيفية إدارة مثيلات الذاكرة المتعددة وكيفية ضمان الوصول إلى البيانات بشكل صحيح. يمكن أن يزيد هذا من منحنى التعلم لمطوري WebAssembly الجدد.

2. الحمل الزائد لإدارة الذاكرة

يمكن أن تؤدي إدارة مثيلات الذاكرة المتعددة إلى بعض الحمل الزائد، خاصة إذا تم إنشاء وتدمير مثيلات الذاكرة بشكل متكرر. يحتاج المطورون إلى التفكير بعناية في استراتيجية إدارة الذاكرة لتقليل هذا الحمل الزائد. تصبح استراتيجية التخصيص (مثل التخصيص المسبق، تخصيص المجمع) ذات أهمية متزايدة.

3. دعم الأدوات

لا تدعم جميع أدوات ومكتبات WebAssembly الذاكرة المتعددة بشكل كامل حتى الآن. قد يحتاج المطورون إلى استخدام إصدارات حديثة جدًا من الأدوات أو المساهمة في مشاريع مفتوحة المصدر لإضافة دعم للذاكرة المتعددة.

4. تصحيح الأخطاء (Debugging)

يمكن أن يكون تصحيح أخطاء تطبيقات WebAssembly ذات الذاكرة المتعددة أكثر صعوبة من تصحيح أخطاء التطبيقات ذات الذاكرة الخطية الواحدة. يحتاج المطورون إلى أن يكونوا قادرين على فحص محتويات مثيلات الذاكرة المتعددة وتتبع تدفق البيانات بينها. ستصبح أدوات تصحيح الأخطاء القوية ذات أهمية متزايدة.

مستقبل WebAssembly متعدد الذاكرة

تعد ميزة WebAssembly متعدد الذاكرة ميزة جديدة نسبيًا، ولا يزال اعتمادها ينمو. مع إضافة المزيد من الأدوات والمكتبات لدعم الذاكرة المتعددة، ومع زيادة معرفة المطورين بفوائدها، من المرجح أن تصبح جزءًا قياسيًا من تطوير WebAssembly. قد تشمل التطورات المستقبلية ميزات إدارة ذاكرة أكثر تطوراً، مثل جمع القمامة لمثيلات الذاكرة الفردية، وتكاملًا أوثق مع ميزات WebAssembly الأخرى، مثل الخيوط و SIMD. من المرجح أيضًا أن يلعب التطور المستمر لـ WASI (واجهة نظام WebAssembly) دورًا رئيسيًا، حيث يوفر طرقًا أكثر توحيدًا للتفاعل مع البيئة المضيفة من داخل وحدة WebAssembly متعددة الذاكرة.

الخاتمة

تعد ميزة WebAssembly متعدد الذاكرة ميزة قوية توسع من قدرات WASM وتمكن حالات استخدام جديدة. من خلال السماح للوحدات بإدارة مثيلات ذاكرة متعددة، فإنه يحسن النمطية، ويعزز الأمان، ويبسط إدارة الذاكرة، ويدعم ميزات اللغة المتقدمة. في حين أن هناك بعض التحديات المرتبطة بالذاكرة المتعددة، فإن فوائدها تجعلها أداة قيمة لمطوري WebAssembly في جميع أنحاء العالم. مع استمرار تطور نظام WebAssembly البيئي، تستعد الذاكرة المتعددة للعب دور متزايد الأهمية في مستقبل الويب وما بعده.