تحسين إرجاع القيم المتعددة في WebAssembly: تعزيز واجهات الدوال لمشهد تطوير عالمي

يستمر التطور السريع لتقنيات الويب في دفع حدود الممكن في المتصفح وخارجه. في طليعة هذا الابتكار يبرز WebAssembly (Wasm)، وهو تنسيق تعليمات ثنائية مصمم كهدف تجميع محمول للغات البرمجة، مما يتيح النشر على الويب لتطبيقات الويب وكهدف مستقل لمنصات أخرى. من بين العديد من التطورات التي تشكل قدرات Wasm، يبرز تحسين إرجاع القيم المتعددة باعتباره تحسينًا مؤثرًا بشكل خاص لتصميم واجهة الدالة الخاصة به. تتيح هذه الميزة، التي تعد الآن جزءًا قياسيًا من مواصفات WebAssembly، للدوال إرجاع قيم متعددة مباشرةً، وهو تغيير صغير ظاهريًا يحقق فوائد كبيرة في الأداء وبساطة التعليمات البرمجية وقابلية التشغيل البيني عبر مجموعة متنوعة من لغات البرمجة.

تطور إرجاع الدوال: منظور تاريخي

تقليديًا، تعاملت لغات البرمجة مع إرجاع الدوال بإحدى طريقتين رئيسيتين:

• إرجاع قيمة واحدة: دعمت معظم اللغات، مثل C و C++ و JavaScript في أشكالها المبكرة، بشكل أساسي الدوال التي تُرجع قيمة واحدة. إذا كانت الدالة بحاجة إلى نقل معلومات متعددة، فقد لجأ المطورون إلى حلول بديلة.
• إرجاع الصفوف/الهياكل: تسمح لغات مثل Python و Go والتكرارات الحديثة من C++ و Rust للدوال بإرجاع قيم متعددة، غالبًا عن طريق تجميعها في صف أو هيكل أو كائن.

في سياق التجميع إلى WebAssembly، كان التحدي دائمًا هو تعيين آليات الإرجاع المتنوعة هذه إلى مجموعة تعليمات شائعة وفعالة. قبل إدخال إرجاع القيم المتعددة، كانت دوال Wasm تقتصر بشكل صارم على إرجاع قيمة واحدة على الأكثر. استلزم هذا القيد حلولًا بديلة يمكن أن تؤدي إلى زيادة النفقات وتعقيدها.

تحدي ما قبل إرجاع القيم المتعددة في WebAssembly

قبل أن يصبح إرجاع القيم المتعددة حقيقة واقعة في WebAssembly، واجه المطورون ومهندسو المترجمات عدة عقبات عند ترجمة التعليمات البرمجية التي تُرجع بشكل طبيعي قيمًا متعددة:

• قيود تحسين قيمة الإرجاع (RVO) وتحسين قيمة الإرجاع المسماة (NRVO): بينما تفوقت المترجمات مثل LLVM في تحسين قيم الإرجاع الفردية (على سبيل المثال، عن طريق حذف النسخ)، كانت هذه التحسينات أقل فعالية أو أكثر تعقيدًا في التنفيذ عند التعامل مع قيم إرجاع مفاهيمية متعددة.
• التجميع اليدوي: لإرجاع قيم متعددة من دالة Wasm، غالبًا ما كان يتعين على المطورين تجميعها يدويًا في كيان واحد، مثل هيكل أو مصفوفة أو مؤشر إلى موقع ذاكرة حيث يمكن تخزين النتائج. تضمن ذلك تخصيصات ذاكرة إضافية وإلغاء الإشارة إلى المؤشرات والنسخ، وكل ذلك يمكن أن يؤثر سلبًا على الأداء.
• زيادة التعليمات البرمجية النمطية: غالبًا ما أدت الحاجة إلى التجميع اليدوي إلى تعليمات برمجية أكثر تفصيلاً وتعقيدًا، سواء في لغة المصدر أو في Wasm التي تم إنشاؤها. أدى ذلك إلى زيادة العبء المعرفي على المطورين وجعل Wasm الذي تم إنشاؤه أقل قابلية للقراءة والصيانة.
• احتكاك قابلية التشغيل البيني: عند التفاعل مع JavaScript أو وحدات Wasm الأخرى، تطلب تمرير واستقبال قيم متعددة تنسيقًا دقيقًا وهياكل بيانات صريحة، مما أضاف طبقة أخرى من التعقيد إلى الاتصال متعدد اللغات.

ضع في اعتبارك دالة C++ بسيطة تهدف إلى إرجاع عددين صحيحين: عدد ورمز حالة.

قبل إرجاع القيم المتعددة (C++ مفاهيمي):

            struct CountStatus {
    int count;
    int status;
};

CountStatus get_data() {
    // ... calculation ...
    int count = 10;
    int status = 0;
    return {count, status};
}

// In Wasm caller:

auto result = get_data();
int count = result.count;
int status = result.status;

            

              
                Copy
              
            
          

غالبًا ما يتم تجميع كود C++ هذا في Wasm عن طريق إنشاء هيكل وإرجاعه ثم فكه على الجانب الطالب، أو عن طريق تمرير مؤشر إلى معلمات الإخراج.

بديل باستخدام معلمات الإخراج (C مفاهيمي):

            int get_data(int* status) {
    // ... calculation ...
    int count = 10;
    *status = 0;
    return count;
}

// In Wasm caller:

int status;
int count = get_data(&status);

            

              
                Copy
              
            
          

يتضمن كلا النهجين الوصول غير المباشر أو تجميع البيانات، مما يضيف نفقات تعالجها WebAssembly لإرجاع القيم المتعددة بشكل مباشر.

تقديم WebAssembly لإرجاع القيم المتعددة

تغير ميزة إرجاع القيم المتعددة في WebAssembly بشكل أساسي توقيع الدالة من خلال السماح للدالة بالإعلان عن قيم متعددة من أنواع مختلفة محتملة وإرجاعها مباشرةً. يتم تمثيل ذلك في نظام نوع Wasm بواسطة قائمة أنواع لقيم الإرجاع.

توقيع نوع Wasm المفاهيمي:

كانت الدالة تحتوي سابقًا على توقيع مثل (param_types) -> result_type. مع إرجاع القيم المتعددة، يصبح (param_types) -> (result_type1, result_type2, ... result_typeN).

كيف يعمل:

عندما يتم تعريف دالة لإرجاع قيم متعددة، يمكن لمحرك تنفيذ WebAssembly ربط قيم الإرجاع هذه مباشرةً بالمتغيرات الموجودة على الجانب الطالب دون الحاجة إلى هياكل بيانات وسيطة أو عمليات ذاكرة صريحة. هذا يشبه الطريقة التي تتعامل بها لغات مثل Go أو Python مع قيم الإرجاع المتعددة.

مثال توضيحي (مفاهيمي):

دعنا نراجع مثال C++، مع الأخذ في الاعتبار الآن كيف يمكن تمثيله مباشرةً في Wasm مع إرجاع القيم المتعددة:

تخيل تعليمة Wasm افتراضية تترجم مباشرةً إلى إرجاع قيمتين:

            ;; Hypothetical Wasm text format
(func $get_data (result i32 i32)
  ;; ... calculation ...
  i32.const 10
  i32.const 0
  ;; Returns 10 and 0 directly
  return
)

            

              
                Copy
              
            
          

وعلى الجانب الطالب (على سبيل المثال، JavaScript):

            // Assuming 'instance' is the WebAssembly instance
const [count, status] = instance.exports.get_data();

            

              
                Copy
              
            
          

يعمل هذا التعيين المباشر على تبسيط الواجهة بشكل كبير ويزيل النفقات المرتبطة بالتجميع اليدوي.

الفوائد الرئيسية لتحسين إرجاع القيم المتعددة

يوفر اعتماد إرجاع القيم المتعددة في WebAssembly سلسلة من الفوائد التي تمكن المطورين وتحسن كفاءة تطبيقات الويب وبيئات Wasm الأخرى.

1. مكاسب الأداء

يمكن القول إن هذه هي الفائدة الأهم. من خلال إلغاء الحاجة إلى هياكل بيانات وسيطة (مثل الهياكل أو المصفوفات) وتجنب نسخ الذاكرة المكلفة وإلغاء الإشارة إلى المؤشرات، يؤدي إرجاع القيم المتعددة إلى:

• تقليل تخصيصات الذاكرة: لا حاجة لتخصيص الذاكرة لكائنات الإرجاع المؤقتة.
• عدد أقل من عمليات النسخ: يتم تمرير القيم مباشرةً من المُستدعى إلى الطالب.
• تنفيذ مبسط: يمكن لمحرك Wasm تحسين تدفق القيم المتعددة بكفاءة أكبر مما يمكنه إدارة هياكل البيانات المعقدة.

بالنسبة للعمليات المكثفة حسابيًا أو الدوال التي تنتج بشكل طبيعي العديد من المخرجات ذات الصلة، يمكن أن تكون تحسينات الأداء هذه كبيرة. هذا أمر بالغ الأهمية بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب إنتاجية عالية، مثل محركات الألعاب والمحاكاة العلمية ومعالجة البيانات في الوقت الفعلي.

2. تبسيط واجهات الدوال ووضوح التعليمات البرمجية

تجعل القدرة على إرجاع قيم متعددة مباشرةً تواقيع الدوال أكثر سهولة والتعليمات البرمجية أسهل في الفهم والكتابة.

• تقليل التعليمات البرمجية النمطية: هناك حاجة إلى تعليمات برمجية أقل لتعبئة وفك قيم الإرجاع.
• تحسين إمكانية القراءة: تعكس تواقيع الدوال بدقة أكبر المعلومات التي يتم نقلها.
• تسهيل تصحيح الأخطاء: غالبًا ما يكون تتبع تدفق قيم الإرجاع المتعددة والمتميزة أبسط من تتبع الهياكل المجمعة.

يمكن للمطورين التعبير عن نواياهم بشكل أكثر مباشرة، مما يؤدي إلى قواعد بيانات أكثر قابلية للصيانة وأقل عرضة للأخطاء. هذا الوضوح لا يقدر بثمن في بيئات التطوير التعاونية والعالمية حيث يكون فهم التعليمات البرمجية المكتوبة بواسطة الآخرين أمرًا بالغ الأهمية.

3. تحسين قابلية التشغيل البيني عبر اللغات

تكمن قوة WebAssembly في قدرتها على العمل كهدف تجميع للعديد من لغات البرمجة. يعمل إرجاع القيم المتعددة على تبسيط الترجمة والتفاعل بين اللغات المختلفة التي لها اصطلاحات مختلفة لقيمة الإرجاع بشكل كبير.

• تعيين مباشر لإرجاع يشبه الصفوف: يمكن تجميع اللغات مثل Go و Python و Swift التي تدعم قيم الإرجاع المتعددة إلى Wasm بشكل أكثر مباشرة، مع الحفاظ على دلالات الإرجاع الخاصة بها.
• ربط اللغات ذات القيمة الواحدة والقيم المتعددة: يمكن استهلاك دوال Wasm التي تُرجع قيمًا متعددة بواسطة اللغات التي تدعم إرجاعًا واحدًا فقط (عن طريق تجميعها في بيئة المضيف، على سبيل المثال، JavaScript)، والعكس صحيح. ومع ذلك، فإن إرجاع القيم المتعددة المباشر يوفر مسارًا أنظف عندما يدعمه كلا الجانبين.
• تقليل عدم تطابق المعاوقة: تقلل الميزة من الفجوة الدلالية بين لغة المصدر وهدف Wasm، مما يجعل عملية التجميع أكثر سلاسة و Wasm الذي تم إنشاؤه أكثر تعبيرًا.

تعد قابلية التشغيل البيني المحسنة هذه حجر الزاوية لبناء تطبيقات متعددة اللغات معقدة تستفيد من أفضل الأدوات والمكتبات من النظم البيئية المختلفة. بالنسبة للجمهور العالمي، هذا يعني سهولة تكامل المكونات المطورة بلغات مختلفة ومن قبل فرق متنوعة.

4. دعم أفضل لميزات اللغة الحديثة

تبنت العديد من لغات البرمجة الحديثة قيم الإرجاع المتعددة كميزة أساسية للتعبير عن أنماط معينة بشكل تعبيري. يضمن دعم WebAssembly لهذه الميزة إمكانية تجميع هذه اللغات إلى Wasm دون التضحية بالتعبير أو الأداء.

• إنشاء تعليمات برمجية تعبيرية: يمكن للمترجمات إنشاء Wasm يعكس مباشرةً بنيات إرجاع القيم المتعددة للغة المصدر.
• تمكين الأنماط المتقدمة: تتم معالجة الميزات مثل إرجاع نتيجة وخطأ في نفس الوقت (شائع في لغات مثل Go و Rust) بكفاءة.

تنفيذات المترجمات وأمثلة

يعتمد نجاح إرجاع القيم المتعددة على دعم المترجمات القوي. تم تحديث سلاسل أدوات المترجمات الرئيسية للاستفادة من هذه الميزة.

LLVM و Clang/Emscripten

توفر LLVM، وهي بنية تحتية للمترجم مستخدمة على نطاق واسع، الواجهة الخلفية للعديد من مترجمات Wasm، بما في ذلك Clang و Emscripten لـ C/C++. يمكن الآن لعمليات التحليل والتحسين المتطورة في LLVM اكتشاف وتحويل بنيات C++ بشكل فعال مثل إرجاع الهياكل أو استخدام NRVO إلى دوال Wasm بقيم إرجاع متعددة.

مثال: C++ مع `std::tuple`

ضع في اعتبارك دالة C++ تُرجع `std::tuple`:

            #include <tuple>
#include <string>

std::tuple<int, std::string> get_user_info() {
    int user_id = 123;
    std::string username = "Alice";
    return {user_id, username};
}

// When compiled with Emscripten and targeting Wasm with multi-value support:
// The Wasm function signature might look like (result i32 externref)
// where i32 is for user_id and externref is for the string reference.

            

              
                Copy
              
            
          

يمكن لـ Emscripten، بالاستفادة من LLVM، تجميع هذا بشكل أكثر مباشرة، وتجنب النفقات العامة لتعبئة الصف في نقطة ذاكرة واحدة إذا كان وقت تشغيل Wasm يدعم ذلك.

سلسلة أدوات Rust

تستخدم Rust أيضًا بشكل كبير قيم الإرجاع المتعددة، خاصة لآلية معالجة الأخطاء الخاصة بها (إرجاع `Result`). كانت سلسلة أدوات Rust-to-Wasm مفيدة في تبني إرجاع القيم المتعددة والاستفادة منها.

مثال: Rust مع `Result`

            fn get_config() -> Result<(u32, bool), &'static str> {
    // ... configuration loading logic ...
    let version = 1;
    let is_enabled = true;
    Ok((version, is_enabled))
}

// When compiled with `wasm-pack` or `cargo build --target wasm32-unknown-unknown`:
// The Rust compiler can map the Ok(tuple) return directly to Wasm multi-value returns.
// This means the function signature in Wasm would represent two return values:
// one for the version (e.g., i32) and one for the boolean (e.g., i32 or i64).

            

              
                Copy
              
            
          

هذا التعيين المباشر أمر بالغ الأهمية لتطبيقات Rust الحساسة للأداء التي تم تجميعها لـ Wasm، خاصة في مجالات مثل خدمات الواجهة الخلفية وتطوير الألعاب وأدوات المستندة إلى المستعرض.

تأثير Go

يجعل نموذج التزامن في Go ودعمه الأصلي لقيم الإرجاع المتعددة مرشحًا رئيسيًا للاستفادة من ميزة Wasm هذه. عند تجميع كود Go إلى Wasm، يسمح تحسين إرجاع القيم المتعددة بتمثيل أكثر مباشرة وفعالية لدلالات الإرجاع المتعددة في Go.

مثال: Go

            func get_coordinates() (int, int) {
    // ... calculate coordinates ...
    x := 100
    y := 200
    return x, y
}

// When compiled to Wasm, this function can directly map its two int return values
// to Wasm's multi-value return signature, e.g., (result i32 i32).

            

              
                Copy
              
            
          

يتجنب ذلك حاجة الواجهة الخلفية لـ Wasm في Go إلى إنشاء هياكل وسيطة أو استخدام آليات تمرير المؤشرات المعقدة، مما يؤدي إلى ثنائيات Wasm أنظف وأسرع.

التفاعل مع مضيفي JavaScript

يعد تكامل WebAssembly مع JavaScript جانبًا أساسيًا من حالة استخدامه على الويب. يعزز إرجاع القيم المتعددة هذا التفاعل بشكل كبير.

تعيين التفكيك:

يتطابق بناء جملة تعيين التفكيك في JavaScript تمامًا مع إرجاع القيم المتعددة في WebAssembly.

            // Assuming 'instance' is your WebAssembly instance
// and 'my_wasm_function' returns two integers.

const [value1, value2] = instance.exports.my_wasm_function();

console.log(`Received: ${value1}, ${value2}`);

            

              
                Copy
              
            
          

هذا التعيين النظيف والمباشر أكثر أناقة وكفاءة من استرداد القيم يدويًا من مصفوفة أو كائن يتم إرجاعه بواسطة دالة Wasm التي اضطرت إلى تجميع عمليات الإرجاع الخاصة بها.

تمرير البيانات إلى Wasm:

في حين أن هذا المنشور يركز على عمليات الإرجاع، فمن الجدير بالذكر أن تمرير المعلمات في WebAssembly شهد أيضًا تطورات تعمل جنبًا إلى جنب مع إرجاع القيم المتعددة، مما يساهم في تصميم واجهة دالة أكثر تماسكًا.

حالات الاستخدام العملية والتطبيقات العالمية

إن فوائد تحسين إرجاع القيم المتعددة ليست نظرية؛ إنها تترجم إلى تحسينات ملموسة عبر مجموعة واسعة من التطبيقات ذات الصلة بجمهور عالمي.

• أدوات التطوير المستندة إلى الويب: يمكن للمترجمات والمدققين ومنسقي التعليمات البرمجية التي تم تجميعها إلى Wasm تحقيق أداء أفضل عند معالجة التعليمات البرمجية وإرجاع نتائج تحليل متعددة (مثل رموز الخطأ وأرقام الأسطر ومستويات الخطورة).
• تطوير الألعاب: غالبًا ما تتطلب الألعاب حسابًا سريعًا وإرجاعًا لمتجهات أو إحداثيات أو معلومات حالة متعددة. يمكن لإرجاع القيم المتعددة تبسيط هذه العمليات، مما يساهم في طريقة لعب أكثر سلاسة عبر الأجهزة في جميع أنحاء العالم.
• الحوسبة العلمية والمالية: غالبًا ما تتضمن المحاكاة المعقدة والنماذج المالية دوال تحسب وترجع مقاييس متعددة ذات صلة (على سبيل المثال، نتائج المحاكاة وعوامل الخطر ومؤشرات الأداء). تعمل عمليات الإرجاع المحسّنة على تحسين سرعة وكفاءة هذه العمليات الحسابية، وهي ضرورية للأسواق المالية العالمية والبحث العلمي.
• معالجة الصور والفيديو: يمكن للفلاتر والتأثيرات في الوقت الفعلي في محرري الوسائط المستندة إلى المستعرض الاستفادة من الإرجاع الأسرع لبيانات البكسل أو معلمات التحويل أو نتائج التحليل.
• خدمات الواجهة الخلفية (Wasm خارج المستعرض): مع اكتساب WebAssembly زخمًا على جانب الخادم (على سبيل المثال، عبر WASI)، يصبح إرجاع القيم المتعددة أمرًا بالغ الأهمية للخدمات الصغيرة التي تحتاج إلى تبادل البيانات المنظمة بكفاءة، مما يؤدي إلى بنية تحتية سحابية أكثر أداءً وقابلية للتطوير على مستوى العالم.
• المكتبات متعددة الأنظمة الأساسية: يمكن للمكتبات التي تم تجميعها إلى Wasm عرض واجهات برمجة تطبيقات أنظف وأكثر أداءً للمطورين بغض النظر عن بيئة المضيف التي اختاروها (مستعرض أو خادم أو أجهزة إنترنت الأشياء)، مما يعزز اعتمادًا أوسع وتكاملاً أسهل في المشاريع الدولية.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

في حين أن إرجاع القيم المتعددة يمثل قفزة كبيرة إلى الأمام، لا تزال هناك اعتبارات وتطورات جارية:

• نضج سلسلة الأدوات: يعد ضمان الدعم المتسق والأمثل عبر جميع لغات البرمجة وسلاسل أدوات تجميع Wasm الخاصة بها جهدًا مستمرًا.
• دعم وقت التشغيل: على الرغم من الدعم الواسع النطاق، فإن ضمان التنفيذ الكامل والفعال لإرجاع القيم المتعددة من قبل جميع أوقات تشغيل Wasm المستهدفة (المستعرضات و Node.js وأوقات التشغيل المستقلة) أمر أساسي.
• أدوات تصحيح الأخطاء: قد يكون تصحيح أخطاء Wasm أمرًا صعبًا. مع تحول ميزات مثل إرجاع القيم المتعددة إلى معيار، تحتاج أدوات تصحيح الأخطاء إلى التطور لتوفير رؤية واضحة في أنواع الإرجاع المعقدة هذه.
• مزيد من تحسينات الواجهة: يستمر نظام Wasm البيئي في التطور. قد تعتمد المقترحات المستقبلية على إرجاع القيم المتعددة لتقديم طرق أكثر تطوراً للتعامل مع هياكل البيانات المعقدة وتواقيع الدوال.

رؤى قابلة للتنفيذ للمطورين العالميين

بالنسبة للمطورين الذين يعملون في بيئة معولمة، يمكن أن يوفر تبني WebAssembly وميزاته المتقدمة مثل إرجاع القيم المتعددة ميزة تنافسية:

• إعطاء الأولوية لـ Wasm للوحدات النمطية ذات الأهمية للأداء: إذا كان تطبيقك يحتوي على أجزاء مكثفة حسابيًا مكتوبة بلغات مثل C++ أو Rust أو Go، ففكر في تجميعها إلى WebAssembly. استفد من إرجاع القيم المتعددة لتحقيق أقصى قدر من الأداء وتقليل النفقات العامة.
• تبني اللغات الحديثة التي تتمتع بدعم قوي لـ Wasm: تتمتع لغات مثل Rust و Go بسلاسل أدوات Wasm ممتازة تستخدم بالفعل إرجاع القيم المتعددة بشكل جيد.
• استكشف Emscripten لـ C/C++: عند العمل مع C/C++، تأكد من أنك تستخدم أحدث إصدارات Emscripten و Clang التي تستفيد من دعم LLVM متعدد القيم.
• فهم واجهة Wasm: تعرف على كيفية ترجمة إرجاع القيم المتعددة إلى تنسيق نص Wasm وكيف يتم عرضها على بيئات المضيف مثل JavaScript. هذا الفهم أمر بالغ الأهمية لتصحيح الأخطاء والتكامل الفعال.
• المساهمة في النظام البيئي: إذا واجهت مشكلات أو كان لديك اقتراحات بخصوص دعم Wasm في سلسلة أدوات لغتك المفضلة، ففكر في المساهمة في المشاريع مفتوحة المصدر.
• ابق على اطلاع دائم: تتطور مواصفات WebAssembly وأدواتها المحيطة بها باستمرار. سيضمن لك الاطلاع على أحدث الميزات وأفضل الممارسات الاستفادة دائمًا من الحلول الأكثر كفاءة.

الخلاصة

يعد تحسين إرجاع القيم المتعددة في WebAssembly تقدمًا حاسمًا، وإن كان غالبًا ما يتم التقليل من شأنه، في تطور مواصفات Wasm. إنه يعالج بشكل مباشر جانبًا أساسيًا من البرمجة: كيفية تواصل الدوال بالنتائج. من خلال تمكين الدوال من إرجاع قيم متعددة بكفاءة وتعبيرية، تعمل هذه الميزة على تعزيز الأداء بشكل كبير وتبسيط التعليمات البرمجية وتعزيز قابلية التشغيل البيني بين لغات البرمجة المتنوعة. مع استمرار WebAssembly في التوسع إلى ما وراء المستعرض في تطبيقات جانب الخادم وأجهزة إنترنت الأشياء والمزيد، فإن ميزات مثل إرجاع القيم المتعددة تعزز مكانتها كتقنية متعددة الاستخدامات وقوية لمشهد التطوير العالمي. يمكن للمطورين في جميع أنحاء العالم الآن بناء تطبيقات أسرع وأنظف وأكثر تكاملاً من خلال تسخير قوة واجهات الدوال المحسنة في WebAssembly.