معالجة استثناءات WebAssembly وتتبع المكدس: الحفاظ على سياق الخطأ للتطبيقات القوية

ظهرت WebAssembly (Wasm) كتقنية قوية لبناء تطبيقات عالية الأداء ومتعددة المنصات. إن بيئة التنفيذ المعزولة (sandboxed) وتنسيق البايت كود الفعال يجعلانها مثالية لمجموعة واسعة من حالات الاستخدام، بدءًا من تطبيقات الويب ومنطق الخادم وصولاً إلى الأنظمة المدمجة وتطوير الألعاب. ومع تزايد تبني WebAssembly، تصبح معالجة الأخطاء القوية ذات أهمية متزايدة لضمان استقرار التطبيق وتسهيل تصحيح الأخطاء بكفاءة.

تتعمق هذه المقالة في تعقيدات معالجة استثناءات WebAssembly، والأهم من ذلك، الدور الحاسم للحفاظ على سياق الخطأ في تتبع المكدس (stack traces). سنستكشف الآليات المتضمنة، والتحديات التي تواجهنا، وأفضل الممارسات لبناء تطبيقات Wasm التي توفر معلومات أخطاء ذات معنى، مما يمكّن المطورين من تحديد المشكلات وحلها بسرعة عبر بيئات وهياكل مختلفة.

فهم معالجة استثناءات WebAssembly

يوفر WebAssembly، بحكم تصميمه، آليات للتعامل مع الحالات الاستثنائية. على عكس بعض اللغات التي تعتمد بشكل كبير على رموز الإرجاع أو علامات الأخطاء العامة، يدمج WebAssembly معالجة استثناءات صريحة، مما يحسن وضوح الكود ويقلل العبء على المطورين للتحقق يدويًا من الأخطاء بعد كل استدعاء دالة. عادةً ما يتم تمثيل الاستثناءات في Wasm كقيم يمكن التقاطها ومعالجتها بواسطة كتل الكود المحيطة. تتضمن العملية عمومًا هذه الخطوات:

• إلقاء استثناء (Throwing an Exception): عندما تنشأ حالة خطأ، يمكن لدالة Wasm أن "تلقي" استثناءً. يشير هذا إلى أن مسار التنفيذ الحالي قد واجه مشكلة لا يمكن استردادها.
• التقاط استثناء (Catching an Exception): تحيط الكود الذي قد يلقي استثناءً كتلة "التقاط" (catch). تحدد هذه الكتلة الكود الذي سيتم تنفيذه إذا تم إلقاء نوع معين من الاستثناء. يمكن لكتل التقاط متعددة التعامل مع أنواع مختلفة من الاستثناءات.
• منطق معالجة الاستثناءات (Exception Handling Logic): داخل كتلة الالتقاط، يمكن للمطورين تطبيق منطق مخصص لمعالجة الأخطاء، مثل تسجيل الخطأ، أو محاولة التعافي من الخطأ، أو إنهاء التطبيق بشكل سلس.

يوفر هذا النهج المنظم لمعالجة الاستثناءات العديد من المزايا:

• تحسين قابلية قراءة الكود: تجعل معالجة الاستثناءات الصريحة منطق معالجة الأخطاء أكثر وضوحًا وأسهل في الفهم، حيث يتم فصله عن مسار التنفيذ الطبيعي.
• تقليل الكود المتكرر (Boilerplate Code): لا يتعين على المطورين التحقق يدويًا من الأخطاء بعد كل استدعاء دالة، مما يقلل من كمية الكود المتكرر.
• تعزيز انتشار الأخطاء (Error Propagation): تنتشر الاستثناءات تلقائيًا في مكدس الاستدعاءات حتى يتم التقاطها، مما يضمن معالجة الأخطاء بشكل مناسب.

أهمية تتبع المكدس (Stack Traces)

في حين توفر معالجة الاستثناءات طريقة لإدارة الأخطاء بسلاسة، إلا أنها غالبًا ما لا تكون كافية لتشخيص السبب الجذري للمشكلة. هنا يأتي دور تتبع المكدس (stack traces). تتبع المكدس هو تمثيل نصي لمكدس الاستدعاءات عند النقطة التي تم فيها إلقاء استثناء. يوضح تسلسل استدعاءات الدوال التي أدت إلى الخطأ، مما يوفر سياقًا قيمًا لفهم كيفية حدوث الخطأ.

يحتوي تتبع المكدس النموذجي على المعلومات التالية لكل استدعاء دالة في المكدس:

• اسم الدالة: اسم الدالة التي تم استدعاؤها.
• اسم الملف: اسم ملف المصدر حيث تم تعريف الدالة (إن وجد).
• رقم السطر: رقم السطر في ملف المصدر حيث حدث استدعاء الدالة.
• رقم العمود: رقم العمود في السطر حيث حدث استدعاء الدالة (أقل شيوعًا، ولكنه مفيد).

من خلال فحص تتبع المكدس، يمكن للمطورين تتبع مسار التنفيذ الذي أدى إلى الاستثناء، وتحديد مصدر الخطأ، وفهم حالة التطبيق وقت حدوث الخطأ. هذا لا يقدر بثمن لتصحيح المشكلات المعقدة وتحسين استقرار التطبيق. تخيل سيناريو حيث يقوم تطبيق مالي، مجمّع إلى WebAssembly، بحساب أسعار الفائدة. يحدث تجاوز للمكدس (stack overflow) بسبب استدعاء دالة متكررة. سيشير تتبع المكدس جيد التكوين مباشرة إلى الدالة المتكررة، مما يسمح للمطورين بتشخيص وتصحيح التكرار اللانهائي بسرعة.

التحدي: الحفاظ على سياق الخطأ في تتبع مكدس WebAssembly

بينما مفهوم تتبع المكدس واضح ومباشر، فإن توليد تتبعات مكدس ذات معنى في WebAssembly يمكن أن يكون تحديًا. يكمن المفتاح في الحفاظ على سياق الخطأ طوال عملية التجميع والتنفيذ. وهذا يتضمن عدة عوامل:

1. توليد خرائط المصدر (Source Maps) وتوفرها

غالبًا ما يتم إنشاء WebAssembly من لغات عالية المستوى مثل C++ أو Rust أو TypeScript. لتوفير تتبعات مكدس ذات معنى، يحتاج المترجم إلى إنشاء خرائط مصدر (source maps). خريطة المصدر هي ملف يربط كود WebAssembly المجمّع مرة أخرى بالكود المصدري الأصلي. يتيح ذلك للمتصفح أو بيئة التشغيل عرض أسماء الملفات الأصلية وأرقام الأسطر في تتبع المكدس، بدلاً من مجرد إزاحات كود بايت WebAssembly. هذا مهم بشكل خاص عند التعامل مع الكود المصغر أو المشوش. على سبيل المثال، إذا كنت تستخدم TypeScript لبناء تطبيق ويب وتجميعه إلى WebAssembly، فأنت بحاجة إلى تكوين مترجم TypeScript (tsc) لإنشاء خرائط مصدر (--sourceMap). وبالمثل، إذا كنت تستخدم Emscripten لتجميع كود C++ إلى WebAssembly، فستحتاج إلى استخدام العلامة -g لتضمين معلومات التصحيح وإنشاء خرائط المصدر.

ومع ذلك، فإن إنشاء خرائط المصدر هو نصف المعركة فقط. تحتاج بيئة المتصفح أو بيئة التشغيل أيضًا إلى أن تكون قادرة على الوصول إلى خرائط المصدر. يتضمن ذلك عادةً تقديم خرائط المصدر جنبًا إلى جنب مع ملفات WebAssembly. سيقوم المتصفح بعد ذلك بتحميل خرائط المصدر تلقائيًا واستخدامها لعرض معلومات الكود المصدري الأصلي في تتبع المكدس. من المهم التأكد من أن خرائط المصدر قابلة للوصول للمتصفح، حيث قد يتم حظرها بواسطة سياسات CORS أو قيود أمان أخرى. على سبيل المثال، إذا كان كود WebAssembly وخرائط المصدر مستضافين على نطاقات مختلفة، فستحتاج إلى تكوين رؤوس CORS للسماح للمتصفح بالوصول إلى خرائط المصدر.

2. الاحتفاظ بمعلومات التصحيح (Debug Information)

خلال عملية التجميع، غالبًا ما يقوم المترجمون بإجراء تحسينات لتحسين أداء الكود الذي تم إنشاؤه. يمكن لهذه التحسينات أحيانًا إزالة أو تعديل معلومات التصحيح، مما يجعل من الصعب توليد تتبعات مكدس دقيقة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تضمين الدوال (inlining functions) إلى صعوبة تحديد استدعاء الدالة الأصلي الذي أدى إلى الخطأ. وبالمثل، يمكن أن تؤدي إزالة الكود الميت (dead code elimination) إلى إزالة الدوال التي ربما تكون قد شاركت في الخطأ. توفر المترجمات مثل Emscripten خيارات للتحكم في مستوى التحسين ومعلومات التصحيح. سيؤدي استخدام العلامة -g مع Emscripten إلى توجيه المترجم لتضمين معلومات التصحيح في كود WebAssembly الذي تم إنشاؤه. يمكنك أيضًا استخدام مستويات تحسين مختلفة (-O0، -O1، -O2، -O3، -Os، -Oz) للموازنة بين الأداء وقابلية التصحيح. يقوم -O0 بتعطيل معظم التحسينات ويحتفظ بمعظم معلومات التصحيح، بينما يقوم -O3 بتمكين التحسينات القوية وقد يزيل بعض معلومات التصحيح.

من الأهمية بمكان تحقيق التوازن بين الأداء وقابلية التصحيح. في بيئات التطوير، يوصى عمومًا بتعطيل التحسينات والاحتفاظ بأكبر قدر ممكن من معلومات التصحيح. في بيئات الإنتاج، يمكنك تمكين التحسينات لتحسين الأداء، ولكن يجب أن تستمر في النظر في تضمين بعض معلومات التصحيح لتسهيل تصحيح الأخطاء في حالة حدوثها. يمكنك تحقيق ذلك باستخدام تكوينات بناء منفصلة للتطوير والإنتاج، مع مستويات تحسين مختلفة وإعدادات معلومات التصحيح.

3. دعم بيئة التشغيل (Runtime Environment)

تلعب بيئة التشغيل (مثل المتصفح، Node.js، أو بيئة تشغيل WebAssembly مستقلة) دورًا حاسمًا في توليد وعرض تتبعات المكدس. تحتاج بيئة التشغيل إلى أن تكون قادرة على تحليل كود WebAssembly، والوصول إلى خرائط المصدر، وترجمة إزاحات كود بايت WebAssembly إلى مواقع كود المصدر. لا توفر جميع بيئات التشغيل نفس مستوى الدعم لتتبعات مكدس WebAssembly. قد تعرض بعض بيئات التشغيل فقط إزاحات كود بايت WebAssembly، بينما قد تتمكن بيئات أخرى من عرض معلومات الكود المصدري الأصلي. توفر المتصفحات الحديثة بشكل عام دعمًا جيدًا لتتبعات مكدس WebAssembly، خاصةً عندما تكون خرائط المصدر متاحة. يوفر Node.js أيضًا دعمًا جيدًا لتتبعات مكدس WebAssembly، خاصةً عند استخدام العلامة --enable-source-maps. ومع ذلك، قد يكون لبعض بيئات تشغيل WebAssembly المستقلة دعم محدود لتتبعات المكدس.

من المهم اختبار تطبيقات WebAssembly الخاصة بك في بيئات تشغيل مختلفة لضمان توليد تتبعات المكدس بشكل صحيح وتوفير معلومات ذات معنى. قد تحتاج إلى استخدام أدوات أو تقنيات مختلفة لتوليد تتبعات المكدس في بيئات مختلفة. على سبيل المثال، يمكنك استخدام دالة console.trace() في المتصفح لتوليد تتبع مكدس، أو يمكنك استخدام العلامة node --stack-trace-limit في Node.js للتحكم في عدد إطارات المكدس التي يتم عرضها في تتبع المكدس.

4. العمليات غير المتزامنة والاستدعاءات (Asynchronous Operations and Callbacks)

غالبًا ما تتضمن تطبيقات WebAssembly عمليات غير متزامنة واستدعاءات. هذا يمكن أن يجعل من الصعب توليد تتبعات مكدس دقيقة، حيث قد يقفز مسار التنفيذ بين أجزاء مختلفة من الكود. على سبيل المثال، إذا استدعت دالة WebAssembly دالة JavaScript تقوم بعملية غير متزامنة، فقد لا يتضمن تتبع المكدس استدعاء دالة WebAssembly الأصلي. لمعالجة هذا التحدي، يحتاج المطورون إلى إدارة سياق التنفيذ بعناية والتأكد من توفر المعلومات الضرورية لتوليد تتبعات مكدس دقيقة. أحد الأساليب هو استخدام مكتبات تتبع المكدس غير المتزامنة، والتي يمكنها التقاط تتبع المكدس عند النقطة التي تبدأ فيها العملية غير المتزامنة ثم دمجها مع تتبع المكدس عند النقطة التي تكتمل فيها العملية.

نهج آخر هو استخدام التسجيل المهيكل (structured logging)، والذي يتضمن تسجيل المعلومات ذات الصلة بسياق التنفيذ في نقاط مختلفة في الكود. يمكن بعد ذلك استخدام هذه المعلومات لإعادة بناء مسار التنفيذ وتوليد تتبع مكدس أكثر اكتمالًا. على سبيل المثال، يمكنك تسجيل اسم الدالة، واسم الملف، ورقم السطر، وغيرها من المعلومات ذات الصلة في بداية ونهاية كل استدعاء دالة. يمكن أن يكون هذا مفيدًا بشكل خاص لتصحيح العمليات غير المتزامنة المعقدة. تعد المكتبات مثل console.log في JavaScript، عند تعزيزها بالبيانات المهيكلة، لا تقدر بثمن.

أفضل الممارسات للحفاظ على سياق الخطأ

لضمان أن تطبيقات WebAssembly الخاصة بك تولد تتبعات مكدس ذات معنى، اتبع أفضل الممارسات التالية:

• توليد خرائط المصدر: قم دائمًا بإنشاء خرائط مصدر عند تجميع الكود الخاص بك إلى WebAssembly. قم بتكوين المترجم الخاص بك لتضمين معلومات التصحيح وإنشاء خرائط مصدر تربط الكود المجمّع بالكود المصدري الأصلي.
• الاحتفاظ بمعلومات التصحيح: تجنب التحسينات القوية التي تزيل معلومات التصحيح. استخدم مستويات تحسين مناسبة توازن بين الأداء وقابلية التصحيح. ضع في اعتبارك استخدام تكوينات بناء منفصلة للتطوير والإنتاج.
• الاختبار في بيئات مختلفة: اختبر تطبيقات WebAssembly الخاصة بك في بيئات تشغيل مختلفة لضمان توليد تتبعات المكدس بشكل صحيح وتوفير معلومات ذات معنى.
• استخدام مكتبات تتبع المكدس غير المتزامنة: إذا كان تطبيقك يتضمن عمليات غير متزامنة، فاستخدم مكتبات تتبع المكدس غير المتزامنة لالتقاط تتبع المكدس عند النقطة التي تبدأ فيها العملية غير المتزامنة.
• تطبيق التسجيل المهيكل: طبق التسجيل المهيكل لتسجيل المعلومات ذات الصلة بسياق التنفيذ في نقاط مختلفة في الكود. يمكن استخدام هذه المعلومات لإعادة بناء مسار التنفيذ وتوليد تتبع مكدس أكثر اكتمالًا.
• استخدام رسائل خطأ وصفية: عند إلقاء الاستثناءات، قدم رسائل خطأ وصفية تشرح بوضوح سبب الخطأ. سيساعد هذا المطورين على فهم المشكلة بسرعة وتحديد مصدر الخطأ. على سبيل المثال، بدلاً من إلقاء استثناء "خطأ" عام، قم بإلقاء استثناء أكثر تحديدًا مثل "InvalidArgumentException" مع رسالة تشرح أي وسيطة كانت غير صالحة.
• النظر في استخدام خدمة مخصصة للإبلاغ عن الأخطاء: يمكن لخدمات مثل Sentry وBugsnag وRollbar التقاط الأخطاء والإبلاغ عنها تلقائيًا من تطبيقات WebAssembly الخاصة بك. توفر هذه الخدمات عادةً تتبعات مكدس مفصلة ومعلومات أخرى يمكن أن تساعدك في تشخيص وإصلاح الأخطاء بسرعة أكبر. كما أنها غالبًا ما توفر ميزات مثل تجميع الأخطاء، وسياق المستخدم، وتتبع الإصدارات.

أمثلة وتوضيحات

دعنا نوضح هذه المفاهيم بأمثلة عملية. سننظر في برنامج C++ بسيط مجمع إلى WebAssembly باستخدام Emscripten.

كود C++ (example.cpp):

            #include <iostream>

int divide(int a, int b) {
 if (b == 0) {
 throw std::runtime_error("Division by zero!");
 }
 return a / b;
}

int main() {
 try {
 int result = divide(10, 0);
 std::cout << "Result: " << result << std::endl;
 } catch (const std::runtime_error& ex) {
 std::cerr << "Error: " << ex.what() << std::endl;
 }
 return 0;
}

            

              
                Copy
              
            
          

التجميع باستخدام Emscripten:

            emcc example.cpp -o example.js -s WASM=1 -g

            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال، نستخدم العلامة -g لتوليد معلومات التصحيح. عندما يتم استدعاء الدالة divide بقيمة b = 0، يتم إلقاء استثناء std::runtime_error. تلتقط كتلة الالتقاط في main الاستثناء وتطبع رسالة خطأ. إذا قمت بتشغيل هذا الكود في متصفح مع أدوات المطور مفتوحة، فسترى تتبع مكدس يتضمن اسم الملف (example.cpp)، ورقم السطر، واسم الدالة. يتيح لك هذا تحديد مصدر الخطأ بسرعة.

مثال في Rust:

بالنسبة لـ Rust، يتيح التجميع إلى WebAssembly باستخدام wasm-pack أو cargo build --target wasm32-unknown-unknown أيضًا توليد خرائط المصدر. تأكد من أن ملف Cargo.toml الخاص بك يحتوي على التكوينات الضرورية، واستخدم إصدارات التصحيح للتطوير للاحتفاظ بمعلومات التصحيح الحاسمة.

توضيح مع JavaScript و WebAssembly:

يمكنك أيضًا دمج WebAssembly مع JavaScript. يمكن لكود JavaScript تحميل وحدة WebAssembly وتنفيذها، ويمكنه أيضًا التعامل مع الاستثناءات التي يلقيها كود WebAssembly. يتيح لك هذا بناء تطبيقات هجينة تجمع بين أداء WebAssembly ومرونة JavaScript. عندما يتم إلقاء استثناء من كود WebAssembly، يمكن لكود JavaScript التقاط الاستثناء وتوليد تتبع مكدس باستخدام دالة console.trace().

الخاتمة

يعد الحفاظ على سياق الخطأ في تتبع مكدس WebAssembly أمرًا بالغ الأهمية لبناء تطبيقات قوية وقابلة للتصحيح. من خلال اتباع أفضل الممارسات الموضحة في هذه المقالة، يمكن للمطورين ضمان أن تطبيقات WebAssembly الخاصة بهم تولد تتبعات مكدس ذات معنى توفر معلومات قيمة لتشخيص وإصلاح الأخطاء. هذا مهم بشكل خاص مع تزايد تبني WebAssembly واستخدامه في تطبيقات معقدة بشكل متزايد. سيؤدي الاستثمار في تقنيات معالجة الأخطاء والتصحيح المناسبة إلى تحقيق عوائد على المدى الطويل، مما يؤدي إلى تطبيقات WebAssembly أكثر استقرارًا وموثوقية وقابلية للصيانة عبر مشهد عالمي متنوع.

مع تطور نظام WebAssembly البيئي، يمكننا أن نتوقع رؤية المزيد من التحسينات في معالجة الاستثناءات وتوليد تتبع المكدس. ستظهر أدوات وتقنيات جديدة تجعل بناء تطبيقات WebAssembly قوية وقابلة للتصحيح أسهل. سيظل البقاء على اطلاع بأحدث التطورات في WebAssembly أمرًا ضروريًا للمطورين الذين يرغبون في الاستفادة من الإمكانات الكاملة لهذه التقنية القوية.