كشف أسرار .wasm: دليل إلى الأقسام المخصصة في WebAssembly

لقد غيّر WebAssembly (Wasm) بشكل جذري طريقتنا في التفكير في الكود عالي الأداء على الويب وخارجه. غالبًا ما يُشاد به كهدف تجميعي محمول وفعال وآمن للغات مثل C++ و Rust و Go. لكن وحدة Wasm هي أكثر من مجرد سلسلة من التعليمات منخفضة المستوى. إن الصيغة الثنائية لـ WebAssembly هي بنية متطورة، مصممة ليس فقط للتنفيذ ولكن أيضًا للتوسع. ويتحقق هذا التوسع بشكل أساسي من خلال ميزة قوية، ولكن غالبًا ما يتم تجاهلها، وهي: الأقسام المخصصة (custom sections).

إذا قمت يومًا بتصحيح أخطاء كود C++ في أدوات المطورين بالمتصفح أو تساءلت كيف يعرف ملف Wasm أي مترجم قام بإنشائه، فقد واجهت عمل الأقسام المخصصة. إنها المكان المخصص للبيانات الوصفية ومعلومات تصحيح الأخطاء وغيرها من البيانات غير الأساسية التي تثري تجربة المطور وتمكّن النظام البيئي الكامل لسلسلة الأدوات. يقدم هذا المقال نظرة عميقة وشاملة على الأقسام المخصصة في WebAssembly، مستكشفًا ماهيتها، ولماذا هي ضرورية، وكيف يمكنك الاستفادة منها في مشاريعك الخاصة.

تشريح وحدة WebAssembly

قبل أن نتمكن من تقدير الأقسام المخصصة، يجب علينا أولاً أن نفهم البنية الأساسية لملف .wasm الثنائي. يتم تنظيم وحدة Wasm في سلسلة من "الأقسام" المحددة جيدًا. يخدم كل قسم غرضًا محددًا ويتم تحديده بواسطة معرّف رقمي (ID).

تحدد مواصفات WebAssembly مجموعة من الأقسام القياسية، أو "المعروفة"، التي يحتاجها محرك Wasm لتنفيذ الكود. وتشمل هذه:

• النوع (ID 1): يحدد تواقيع الدوال (أنواع المعاملات والقيم المُعادة) المستخدمة في الوحدة.
• الاستيراد (ID 2): يعلن عن الدوال أو الذاكرة أو الجداول التي تستوردها الوحدة من بيئتها المضيفة (مثل دوال JavaScript).
• الدالة (ID 3): يربط كل دالة في الوحدة بتوقيع من قسم النوع.
• الجدول (ID 4): يحدد الجداول، والتي تستخدم بشكل أساسي لتنفيذ استدعاءات الدوال غير المباشرة.
• الذاكرة (ID 5): يحدد الذاكرة الخطية التي تستخدمها الوحدة.
• العام (ID 6): يعلن عن المتغيرات العامة للوحدة.
• التصدير (ID 7): يجعل الدوال أو الذاكرة أو الجداول أو المتغيرات العامة من الوحدة متاحة للبيئة المضيفة.
• البداية (ID 8): يحدد دالة يتم تنفيذها تلقائيًا عند إنشاء نسخة من الوحدة.
• العنصر (ID 9): يهيئ جدولًا بمراجع الدوال.
• الكود (ID 10): يحتوي على الكود الثنائي الفعلي القابل للتنفيذ لكل دالة من دوال الوحدة.
• البيانات (ID 11): يهيئ أجزاء من الذاكرة الخطية، وغالبًا ما يستخدم للبيانات الثابتة والسلاسل النصية.

هذه الأقسام القياسية هي جوهر أي وحدة Wasm. يقوم محرك Wasm بتحليلها بدقة لفهم البرنامج وتنفيذه. ولكن ماذا لو احتاجت سلسلة أدوات أو لغة برمجة إلى تخزين معلومات إضافية غير مطلوبة للتنفيذ؟ هنا يأتي دور الأقسام المخصصة.

ما هي الأقسام المخصصة بالضبط؟

القسم المخصص هو حاوية للأغراض العامة لأي بيانات عشوائية داخل وحدة Wasm. يتم تعريفه بواسطة المواصفات بمعرّف قسم خاص وهو 0 (Section ID of 0). الهيكل بسيط ولكنه قوي:

1. معرّف القسم (Section ID): دائمًا 0 للدلالة على أنه قسم مخصص.
2. حجم القسم (Section Size): الحجم الإجمالي للمحتوى التالي بالبايت.
3. الاسم (Name): سلسلة نصية بترميز UTF-8 تحدد الغرض من القسم المخصص (على سبيل المثال، "name"، ".debug_info").
4. الحمولة (Payload): سلسلة من البايتات تحتوي على البيانات الفعلية للقسم.

أهم قاعدة حول الأقسام المخصصة هي: يجب على محرك WebAssembly الذي لا يتعرف على اسم قسم مخصص أن يتجاهل حمولته. ببساطة، يتخطى البايتات المحددة بحجم القسم. يوفر هذا الخيار التصميمي الأنيق العديد من الفوائد الرئيسية:

• التوافق المستقبلي: يمكن للأدوات الجديدة إدخال أقسام مخصصة جديدة دون كسر أوقات تشغيل Wasm القديمة.
• قابلية توسيع النظام البيئي: يمكن لمطوري اللغات ومطوري الأدوات والمجمّعات تضمين بياناتهم الوصفية الخاصة دون الحاجة إلى تغيير مواصفات Wasm الأساسية.
• الفصل: يتم فصل منطق التنفيذ تمامًا عن البيانات الوصفية. وجود أو عدم وجود أقسام مخصصة ليس له أي تأثير على سلوك البرنامج وقت التشغيل.

فكر في الأقسام المخصصة على أنها مكافئة لبيانات EXIF في صورة JPEG أو علامات ID3 في ملف MP3. إنها توفر سياقًا قيمًا ولكنها ليست ضرورية لعرض الصورة أو تشغيل الموسيقى.

حالة الاستخدام الشائعة 1: قسم "name" لتصحيح الأخطاء удобочитаемый

أحد الأقسام المخصصة الأكثر استخدامًا هو قسم name. بشكل افتراضي، تتم الإشارة إلى دوال Wasm والمتغيرات والعناصر الأخرى بواسطة فهرستها الرقمي. عندما تنظر إلى تفكيك Wasm خام، قد ترى شيئًا مثل call $func42. في حين أنه فعال للآلة، إلا أنه غير مفيد للمطور البشري.

يحل قسم name هذه المشكلة عن طريق توفير خريطة من الفهارس إلى أسماء سلاسل نصية удобочитаемый. وهذا يسمح لأدوات مثل المفككات ومصححات الأخطاء بعرض معرّفات ذات معنى من الكود المصدري الأصلي.

على سبيل المثال، إذا قمت بترجمة دالة C:

            int calculate_total(int items, int price) {
    return items * price;
}
            

              
                Copy
              
            
          

يمكن للمترجم إنشاء قسم name يربط فهرس الدالة الداخلي (على سبيل المثال، 42) بالسلسلة النصية "calculate_total". ويمكنه أيضًا تسمية المتغيرات المحلية "items" و "price". عندما تتفحص وحدة Wasm في أداة تدعم هذا القسم، سترى مخرجات أكثر إفادة، مما يساعد في تصحيح الأخطاء والتحليل.

بنية قسم `name`

ينقسم قسم name نفسه إلى أقسام فرعية، يتم تحديد كل منها ببايت واحد:

• اسم الوحدة (ID 0): يوفر اسمًا للوحدة بأكملها.
• أسماء الدوال (ID 1): يربط فهارس الدوال بأسمائها.
• الأسماء المحلية (ID 2): يربط فهارس المتغيرات المحلية داخل كل دالة بأسمائها.
• أسماء التسميات، أسماء الأنواع، أسماء الجداول، إلخ: توجد أقسام فرعية أخرى لتسمية كل كيان تقريبًا داخل وحدة Wasm.

قسم name هو الخطوة الأولى نحو تجربة مطور جيدة، ولكنه مجرد البداية. لتصحيح الأخطاء على مستوى المصدر الحقيقي، نحتاج إلى شيء أقوى بكثير.

قوة تصحيح الأخطاء: DWARF في الأقسام المخصصة

الكأس المقدسة لتطوير Wasm هي تصحيح الأخطاء على مستوى المصدر: القدرة على تعيين نقاط توقف، وفحص المتغيرات، والتنقل خطوة بخطوة في كود C++ أو Rust أو Go الأصلي مباشرة داخل أدوات مطوري المتصفح. أصبحت هذه التجربة السحرية ممكنة بالكامل تقريبًا عن طريق تضمين معلومات تصحيح الأخطاء DWARF داخل سلسلة من الأقسام المخصصة.

ما هو DWARF؟

DWARF (Debugging With Attributed Record Formats) هو تنسيق بيانات تصحيح أخطاء موحد ومستقل عن اللغة. وهو نفس التنسيق الذي تستخدمه المترجمات الأصلية مثل GCC و Clang لتمكين مصححات الأخطاء مثل GDB و LLDB. إنه غني بشكل لا يصدق ويمكنه ترميز كمية هائلة من المعلومات، بما في ذلك:

• ربط المصدر: خريطة دقيقة من كل تعليمة WebAssembly إلى الملف المصدري الأصلي ورقم السطر ورقم العمود.
• معلومات المتغيرات: أسماء وأنواع ونطاقات المتغيرات المحلية والعامة. يعرف أين يتم تخزين المتغير في أي نقطة معينة في الكود (في سجل، على المكدس، إلخ).
• تعريفات الأنواع: أوصاف كاملة للأنواع المعقدة مثل الهياكل (structs) والفئات (classes) والتعدادات (enums) والاتحادات (unions) من لغة المصدر.
• معلومات الدوال: تفاصيل حول تواقيع الدوال، بما في ذلك أسماء المعلمات وأنواعها.
• ربط الدوال المضمنة: معلومات لإعادة بناء مكدس الاستدعاءات حتى عندما يتم تضمين الدوال بواسطة المحسِّن.

كيف يعمل DWARF مع WebAssembly

المترجمات مثل Emscripten (باستخدام Clang/LLVM) و `rustc` لديها علامة (عادةً -g أو -g4) توجهها لإنشاء معلومات DWARF إلى جانب كود Wasm الثنائي. ثم تأخذ سلسلة الأدوات بيانات DWARF هذه، وتقسمها إلى أجزائها المنطقية، وتضمن كل جزء في قسم مخصص منفصل داخل ملف .wasm. حسب العرف، تتم تسمية هذه الأقسام بنقطة بادئة:

• .debug_info: القسم الأساسي الذي يحتوي على إدخالات تصحيح الأخطاء الرئيسية.
• .debug_abbrev: يحتوي على اختصارات لتقليل حجم .debug_info.
• .debug_line: جدول أرقام الأسطر لربط كود Wasm بالكود المصدري.
• .debug_str: جدول سلاسل نصية تستخدمه أقسام DWARF الأخرى.
• .debug_ranges, .debug_loc، وغيرها الكثير.

عندما تقوم بتحميل وحدة Wasm هذه في متصفح حديث مثل Chrome أو Firefox وتفتح أدوات المطورين، يقوم محلل DWARF داخل الأدوات بقراءة هذه الأقسام المخصصة. يعيد بناء جميع المعلومات اللازمة لتقديم عرض لكود المصدر الأصلي الخاص بك، مما يتيح لك تصحيح أخطائه كما لو كان يعمل بشكل أصلي.

هذا يغير قواعد اللعبة. بدون DWARF في الأقسام المخصصة، سيكون تصحيح أخطاء Wasm عملية مؤلمة من التحديق في الذاكرة الخام والتفكيك غير المفهوم. معها، تصبح حلقة التطوير سلسة مثل تصحيح أخطاء JavaScript.

ما وراء تصحيح الأخطاء: استخدامات أخرى للأقسام المخصصة

بينما يعد تصحيح الأخطاء حالة استخدام أساسية، أدت مرونة الأقسام المخصصة إلى اعتمادها لمجموعة واسعة من الأدوات والاحتياجات الخاصة باللغة.

البيانات الوصفية الخاصة بالأدوات: قسم `producers`

غالبًا ما يكون من المفيد معرفة الأدوات التي تم استخدامها لإنشاء وحدة Wasm معينة. تم تصميم قسم producers لهذا الغرض. يخزن معلومات حول سلسلة الأدوات، مثل المترجم والرابط وإصداراتهما. على سبيل المثال، قد يحتوي قسم producers على:

• اللغة: "C++ 17"، "Rust 1.65.0"
• تمت المعالجة بواسطة: "Clang 16.0.0"، "binaryen 111"
• SDK: "Emscripten 3.1.25"

هذه البيانات الوصفية لا تقدر بثمن لإعادة إنتاج البنيات، والإبلاغ عن الأخطاء لمؤلفي سلسلة الأدوات الصحيحة، وللأنظمة الآلية التي تحتاج إلى فهم مصدر ملف Wasm الثنائي.

الربط والمكتبات الديناميكية

مواصفات WebAssembly، في شكلها الأصلي، لم يكن لديها مفهوم الربط. لتمكين إنشاء مكتبات ثابتة وديناميكية، تم إنشاء اتفاقية باستخدام الأقسام المخصصة. يحمل القسم المخصص linking بيانات وصفية مطلوبة من قبل رابط مدرك لـ Wasm (مثل wasm-ld) لحل الرموز، والتعامل مع عمليات النقل، وإدارة تبعيات المكتبات المشتركة. وهذا يسمح بتقسيم التطبيقات الكبيرة إلى وحدات أصغر يمكن إدارتها، تمامًا كما في التطوير الأصلي.

أوقات التشغيل الخاصة باللغة

اللغات ذات أوقات التشغيل المدارة، مثل Go أو Swift أو Kotlin، غالبًا ما تتطلب بيانات وصفية ليست جزءًا من نموذج Wasm الأساسي. على سبيل المثال، يحتاج جامع القمامة (GC) إلى معرفة تخطيط هياكل البيانات في الذاكرة لتحديد المؤشرات. يمكن تخزين معلومات التخطيط هذه في قسم مخصص. وبالمثل، قد تعتمد ميزات مثل الانعكاس (reflection) في Go على الأقسام المخصصة لتخزين أسماء الأنواع والبيانات الوصفية في وقت الترجمة، والتي يمكن لوقت تشغيل Go في وحدة Wasm قراءتها بعد ذلك أثناء التنفيذ.

المستقبل: نموذج مكونات WebAssembly

أحد أكثر الاتجاهات المستقبلية إثارة لـ WebAssembly هو نموذج المكونات (Component Model). يهدف هذا الاقتراح إلى تمكين التشغيل البيني الحقيقي والمستقل عن اللغة بين وحدات Wasm. تخيل مكون Rust يستدعي بسلاسة مكون Python، والذي بدوره يستخدم مكون C++، كل ذلك مع أنواع بيانات غنية تمر بينها.

يعتمد نموذج المكونات بشكل كبير على الأقسام المخصصة لتعريف الواجهات عالية المستوى والأنواع والعوالم. تصف هذه البيانات الوصفية كيفية تواصل المكونات، مما يسمح للأدوات بإنشاء الكود اللاصق الضروري تلقائيًا. إنه مثال رئيسي على كيفية توفير الأقسام المخصصة للأساس لبناء قدرات جديدة متطورة فوق معيار Wasm الأساسي.

دليل عملي: فحص ومعالجة الأقسام المخصصة

فهم الأقسام المخصصة أمر رائع، ولكن كيف تعمل معها؟ تتوفر العديد من الأدوات القياسية لهذا الغرض.

أساسيات الأدوات

• WABT (The WebAssembly Binary Toolkit): هذه المجموعة من الأدوات ضرورية لأي مطور Wasm. أداة wasm-objdump مفيدة بشكل خاص. سيؤدي تشغيل wasm-objdump -h your_module.wasm إلى سرد جميع الأقسام في الوحدة، بما في ذلك الأقسام المخصصة.
• Binaryen: هذه بنية تحتية قوية للمترجم وسلسلة الأدوات لـ Wasm. تتضمن wasm-strip، وهي أداة لإزالة الأقسام المخصصة من الوحدة.
• Dwarfdump: أداة قياسية (غالبًا ما يتم تجميعها مع Clang/LLVM) لتحليل وطباعة محتويات أقسام تصحيح DWARF بتنسيق удобочитаемый.

مثال على سير العمل: بناء، فحص، تجريد

دعنا نسير في سير عمل تطوير شائع مع ملف C++ بسيط، main.cpp:

            #include 

int main() {
    std::cout << "Hello from WebAssembly!" << std::endl;
    return 0;
}
            

              
                Copy
              
            
          

1. الترجمة مع معلومات التصحيح: نستخدم Emscripten لترجمة هذا إلى Wasm، باستخدام علامة -g لتضمين معلومات تصحيح DWARF.

emcc main.cpp -g -o main.wasm

2. فحص الأقسام: الآن، دعنا نستخدم wasm-objdump لنرى ما بالداخل.

wasm-objdump -h main.wasm

سيظهر الإخراج الأقسام القياسية (النوع، الدالة، الكود، إلخ) بالإضافة إلى قائمة طويلة من الأقسام المخصصة مثل name، .debug_info، .debug_line، وما إلى ذلك. لاحظ حجم الملف؛ سيكون أكبر بكثير من بناء بدون تصحيح.

3. التجريد للإنتاج: لإصدار الإنتاج، لا نريد شحن هذا الملف الكبير بكل معلومات التصحيح. نستخدم wasm-strip لإزالتها.

wasm-strip main.wasm -o main.stripped.wasm

4. الفحص مرة أخرى: إذا قمت بتشغيل wasm-objdump -h main.stripped.wasm، فسترى أن جميع الأقسام المخصصة قد اختفت. سيكون حجم ملف main.stripped.wasm جزءًا صغيرًا من الأصل، مما يجعله أسرع بكثير في التنزيل والتحميل.

المقايضات: الحجم والأداء وسهولة الاستخدام

تأتي الأقسام المخصصة، خاصة لـ DWARF، مع مقايضة رئيسية واحدة: حجم الملف. ليس من غير المألوف أن تكون بيانات DWARF أكبر بـ 5-10 مرات من كود Wasm الفعلي. يمكن أن يكون لهذا تأثير كبير على تطبيقات الويب، حيث تكون أوقات التنزيل حاسمة.

هذا هو السبب في أن سير عمل "التجريد للإنتاج" مهم جدًا. أفضل ممارسة هي:

• أثناء التطوير: استخدم البنيات التي تحتوي على معلومات DWARF كاملة لتجربة تصحيح أخطاء غنية على مستوى المصدر.
• للإنتاج: اشحن ملف Wasm ثنائيًا مجردًا تمامًا للمستخدمين لضمان أصغر حجم ممكن وأسرع أوقات تحميل.

بعض الإعدادات المتقدمة تستضيف حتى إصدار التصحيح على خادم منفصل. يمكن تكوين أدوات مطوري المتصفح لجلب هذا الملف الأكبر عند الطلب عندما يرغب المطور في تصحيح مشكلة إنتاج، مما يمنحك أفضل ما في العالمين. هذا مشابه لكيفية عمل خرائط المصدر لـ JavaScript.

من المهم ملاحظة أن الأقسام المخصصة ليس لها أي تأثير تقريبًا على أداء وقت التشغيل. يتعرف محرك Wasm عليها بسرعة من خلال معرفها 0 ويتخطى حمولتها ببساطة أثناء التحليل. بمجرد تحميل الوحدة، لا يتم استخدام بيانات القسم المخصص بواسطة المحرك، لذلك لا يبطئ تنفيذ الكود الخاص بك.

الخاتمة

تعتبر الأقسام المخصصة في WebAssembly درسًا نموذجيًا في تصميم الصيغ الثنائية القابلة للتوسيع. إنها توفر آلية موحدة ومتوافقة مع المستقبل لتضمين بيانات وصفية غنية دون تعقيد المواصفات الأساسية أو التأثير على أداء وقت التشغيل. إنها المحرك الخفي الذي يدعم تجربة مطور Wasm الحديثة، محولة تصحيح الأخطاء من فن غامض إلى عملية سلسة ومنتجة.

من أسماء الدوال البسيطة إلى عالم DWARF الشامل ومستقبل نموذج المكونات، الأقسام المخصصة هي ما يرفع WebAssembly من مجرد هدف تجميعي إلى نظام بيئي مزدهر وقابل للاستخدام. في المرة القادمة التي تضع فيها نقطة توقف في كود Rust الخاص بك الذي يعمل في متصفح، خذ لحظة لتقدير العمل الهادئ والقوي للأقسام المخصصة التي جعلت ذلك ممكنًا.