أنواع واجهات WebAssembly: أنماط تبادل البيانات بين JavaScript و WASM

ظهرت تقنية WebAssembly (WASM) كتقنية قوية لبناء تطبيقات ويب عالية الأداء. فهي تتيح للمطورين الاستفادة من لغات مثل C، وC++، وRust، وغيرها لإنشاء وحدات تعمل بسرعة قريبة من السرعة الأصلية في المتصفح. ويُعد تبادل البيانات الفعال بين JavaScript ووحدات WASM جانبًا حاسمًا في تطوير WASM. وهنا يأتي دور أنواع واجهات WebAssembly (WIT).

ما هي أنواع واجهات WebAssembly (WIT)؟

تُعد أنواع واجهات WebAssembly (WIT) مكونًا رئيسيًا لتحسين قابلية التشغيل البيني بين JavaScript و WASM. قبل WIT، كان تبادل البيانات بين JavaScript و WASM يتم بشكل أساسي من خلال الذاكرة الخطية المشتركة. وعلى الرغم من أن هذا النهج كان وظيفيًا، إلا أنه غالبًا ما كان يتضمن خطوات معقدة للتسلسل وإلغاء التسلسل، مما يؤثر على الأداء. تهدف WIT إلى تبسيط هذه العملية من خلال توفير طريقة موحدة لتعريف الواجهات بين وحدات WASM وبيئاتها المضيفة (مثل JavaScript).

فكر في WIT كعقد. فهو يحدد بوضوح أنواع البيانات المتوقعة كمدخلات لوظائف WASM وأنواع البيانات التي سيتم إرجاعها كمخرجات. يسمح هذا العقد لكل من JavaScript و WASM بفهم كيفية التواصل مع بعضهما البعض دون الحاجة إلى إدارة عناوين الذاكرة وتحويلات البيانات يدويًا.

فوائد استخدام أنواع الواجهات

• تحسين الأداء: تقلل WIT بشكل كبير من العبء المرتبط بتسلسل البيانات وإلغاء تسلسلها. من خلال توفير تعيين مباشر بين أنواع بيانات JavaScript و WASM، يمكن نقل البيانات بشكل أكثر كفاءة.
• تعزيز أمان الأنواع: تفرض WIT فحص الأنواع على مستوى الواجهة، مما يكتشف الأخطاء المحتملة في وقت مبكر من عملية التطوير. وهذا يقلل من خطر حدوث استثناءات وقت التشغيل ويحسن الاستقرار العام لتطبيقك.
• تبسيط التطوير: تبسط WIT عملية التطوير من خلال توفير طريقة واضحة وموجزة لتعريف الواجهات بين وحدات JavaScript و WASM. وهذا يسهل فهم وصيانة الكود الخاص بك.
• زيادة قابلية النقل: صُممت WIT لتكون مستقلة عن النظام الأساسي، مما يسهل نقل وحدات WASM الخاصة بك إلى بيئات مختلفة. وهذا يسمح لك بإعادة استخدام الكود الخاص بك عبر منصات وبنى متعددة.

أنماط تبادل البيانات قبل أنواع الواجهات

قبل WIT، كانت الطريقة الأساسية لتبادل البيانات بين JavaScript و WASM تتضمن الذاكرة الخطية المشتركة. دعنا نفحص هذا النهج:

الذاكرة الخطية المشتركة

تمتلك مثيلات WASM ذاكرة خطية، وهي في الأساس كتلة متجاورة من الذاكرة يمكن الوصول إليها من قبل وحدة WASM ومضيف JavaScript. لتبادل البيانات، يقوم JavaScript بكتابة البيانات في ذاكرة WASM، ومن ثم يمكن لوحدة WASM قراءتها، أو العكس.

مثال (مفاهيمي)

في JavaScript:

            
  // Allocate memory in WASM
  const wasmMemory = wasmInstance.exports.memory;
  const wasmBuffer = new Uint8Array(wasmMemory.buffer);

  // Write data to WASM memory
  const data = "Hello from JavaScript!";
  const encoder = new TextEncoder();
  const encodedData = encoder.encode(data);
  wasmBuffer.set(encodedData, offset);

  // Call WASM function to process data
  wasmInstance.exports.processData(offset, encodedData.length);

            

              
                Copy
              
            
          

في WASM (مفاهيمي):

            
  // Function to process data in WASM memory
  (func (export "processData") (param $offset i32) (param $length i32)
    (local $i i32)
    (loop $loop
      (br_if $loop (i32.ne (local.get $i) (local.get $length)))
      ;; Read byte from memory at offset + i
      (i32.load8_u (i32.add (local.get $offset) (local.get $i)))
      ;; Do something with the byte
      (local.set $i (i32.add (local.get $i) (i32.const 1)))
    )
  )

            

              
                Copy
              
            
          

عيوب الذاكرة الخطية المشتركة

• إدارة الذاكرة اليدوية: كان المطورون مسؤولين عن إدارة تخصيص الذاكرة وإلغاء تخصيصها يدويًا، مما قد يؤدي إلى تسرب الذاكرة أو أخطاء في أجزاء الذاكرة.
• عبء التسلسل/إلغاء التسلسل: كانت البيانات بحاجة إلى التسلسل في تنسيق يمكن كتابته في الذاكرة ثم إلغاء تسلسله من قبل الجانب الآخر. وقد أضاف هذا عبئًا كبيرًا، خاصة بالنسبة لهياكل البيانات المعقدة.
• مشاكل أمان الأنواع: لم يكن هناك أمان متأصل للأنواع. كان على كل من JavaScript و WASM الاتفاق على تخطيط البيانات في الذاكرة، وهو ما كان عرضة للأخطاء.

أنماط تبادل البيانات باستخدام أنواع الواجهات

تعالج WIT قيود الذاكرة الخطية المشتركة من خلال توفير طريقة أكثر تنظيمًا وكفاءة لتبادل البيانات. إليك بعض الجوانب الرئيسية:

WIT IDL (لغة تعريف الواجهة)

تقدم WIT لغة تعريف واجهة جديدة (IDL) لتعريف الواجهات بين وحدات WASM وبيئاتها المضيفة. تتيح لك IDL هذه تحديد أنواع البيانات التي يتم تمريرها بين JavaScript و WASM، بالإضافة إلى الوظائف المتاحة في كل وحدة.

مثال على تعريف WIT:

            
package my-namespace;

interface example {
  record data {
    name: string,
    value: u32,
  }

  foo: func(input: data) -> string
}

            

              
                Copy
              
            
          

يحدد هذا المثال واجهة باسم `example` مع سجل (مشابه للبنية) يسمى `data` يحتوي على سلسلة نصية وعدد صحيح غير موقّع بحجم 32 بت. كما أنه يحدد دالة `foo` تأخذ سجل `data` كمدخل وترجع سلسلة نصية.

تعيين أنواع البيانات

توفر WIT تعيينًا واضحًا بين أنواع بيانات JavaScript و WASM. وهذا يلغي الحاجة إلى التسلسل وإلغاء التسلسل اليدوي، مما يحسن الأداء بشكل كبير. تشمل الأنواع الشائعة:

• الأنواع الأولية: الأعداد الصحيحة (i32, i64, u32, u64)، الأعداد العشرية (f32, f64)، القيم المنطقية (bool)
• السلاسل النصية: سلسلة نصية (بترميز UTF-8)
• السجلات: هياكل بيانات شبيهة بالبنى (structs)
• القوائم: مصفوفات من نوع معين
• الخيارات: أنواع يمكن أن تكون فارغة (يمكن أن تكون موجودة أو غائبة)
• النتائج: تمثل النجاح أو الفشل، مع بيانات مرتبطة

تعريف العالم (World)

يجمع "العالم" (world) في WIT بين عمليات الاستيراد والتصدير لتعريف واجهة كاملة لمكون WebAssembly. فهو يعلن عن الواجهات التي يستخدمها المكون، وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض.

مثال على تعريف العالم:

            
package my-namespace;

world my-world {
  import host-functions: interface { ... };
  export wasm-module: interface { ... };
}

            

              
                Copy
              
            
          

نموذج المكونات (Component Model)

تُعد أنواع الواجهات حجر الزاوية في نموذج مكونات WebAssembly. يهدف هذا النموذج إلى توفير تجريد عالي المستوى لبناء وحدات WASM، مما يتيح إمكانية تكوين وإعادة استخدام أفضل. يستفيد نموذج المكونات من أنواع الواجهات لضمان التفاعل السلس بين المكونات المختلفة، بغض النظر عن اللغات التي كُتبت بها.

أمثلة عملية لتبادل البيانات مع أنواع الواجهات

دعنا ننظر في بعض الأمثلة العملية لكيفية استخدام أنواع الواجهات لتبادل البيانات بين JavaScript و WASM.

مثال 1: تمرير سلسلة نصية إلى WASM

لنفترض أن لدينا وحدة WASM تحتاج إلى استقبال سلسلة نصية من JavaScript وإجراء بعض العمليات عليها (مثل حساب طولها أو عكسها).

تعريف WIT:

            
package string-example;

interface string-processor {
  process-string: func(input: string) -> u32
}

            

              
                Copy
              
            
          

كود JavaScript:

            
// Assuming you have a compiled WASM component
const instance = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('string_processor.wasm'), importObject);

const inputString = "Hello, WebAssembly!";
const stringLength = instance.exports.process_string(inputString);

console.log(`String length: ${stringLength}`);

            

              
                Copy
              
            
          

كود WASM (مفاهيمي):

            
;; WASM function to process the string
(func (export "process_string") (param $input string) (result i32)
  (string.len $input)
)

            

              
                Copy
              
            
          

مثال 2: تمرير سجل (بنية) إلى WASM

لنفترض أننا نريد تمرير بنية بيانات أكثر تعقيدًا، مثل سجل يحتوي على اسم وعمر، إلى وحدة WASM الخاصة بنا.

تعريف WIT:

            
package record-example;

interface person-processor {
  record person {
    name: string,
    age: u32,
  }

  process-person: func(p: person) -> string
}

            

              
                Copy
              
            
          

كود JavaScript:

            
// Assuming you have a compiled WASM component
const instance = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('person_processor.wasm'), importObject);

const personData = { name: "Alice", age: 30 };
const greeting = instance.exports.process_person(personData);

console.log(greeting);

            

              
                Copy
              
            
          

كود WASM (مفاهيمي):

            
;; WASM function to process the person record
(func (export "process_person") (param $p person) (result string)
  ;; Access fields of the person record (e.g., p.name, p.age)
  (string.concat "Hello, " (person.name $p) "! You are " (i32.to_string (person.age $p)) " years old.")
)

            

              
                Copy
              
            
          

مثال 3: إرجاع قائمة من WASM

لنتأمل سيناريو تقوم فيه وحدة WASM بإنشاء قائمة من الأرقام وتحتاج إلى إرجاعها إلى JavaScript.

تعريف WIT:

            
package list-example;

interface number-generator {
  generate-numbers: func(count: u32) -> list<u32>
}

            

              
                Copy
              
            
          

كود JavaScript:

            
// Assuming you have a compiled WASM component
const instance = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('number_generator.wasm'), importObject);

const numberOfNumbers = 5;
const numbers = instance.exports.generate_numbers(numberOfNumbers);

console.log(numbers);

            

              
                Copy
              
            
          

كود WASM (مفاهيمي):

            
;; WASM function to generate a list of numbers
(func (export "generate_numbers") (param $count i32) (result (list i32))
  (local $list (list i32))
  (local $i i32)
  (loop $loop
    (br_if $loop (i32.ne (local.get $i) (local.get $count)))
    (list.push $list (local.get $i))
    (local.set $i (i32.add (local.get $i) (i32.const 1)))
  )
  (return (local.get $list))
)

            

              
                Copy
              
            
          

الأدوات والتقنيات للعمل مع أنواع الواجهات

تتوفر العديد من الأدوات والتقنيات لمساعدتك في العمل مع أنواع الواجهات:

• wasm-tools: مجموعة من أدوات سطر الأوامر للعمل مع وحدات WASM، بما في ذلك أدوات للتحويل بين تنسيقات WASM المختلفة، والتحقق من صحة كود WASM، وإنشاء تعريفات WIT.
• wit-bindgen: أداة تقوم تلقائيًا بإنشاء الكود اللاصق (glue code) اللازم للتفاعل مع وحدات WASM التي تستخدم أنواع الواجهات. وهذا يبسط عملية دمج وحدات WASM في تطبيقات JavaScript الخاصة بك.
• أدوات نموذج المكونات: مع نضوج نموذج المكونات، توقع رؤية المزيد من دعم الأدوات لبناء وتكوين وإدارة مكونات WASM.

أفضل الممارسات لتبادل البيانات بين JavaScript و WASM

لضمان تبادل بيانات فعال وموثوق بين JavaScript و WASM، ضع في اعتبارك أفضل الممارسات التالية:

• استخدم أنواع الواجهات كلما أمكن: توفر WIT طريقة أكثر تنظيمًا وكفاءة لتبادل البيانات مقارنة بالذاكرة الخطية المشتركة.
• تقليل نسخ البيانات: تجنب نسخ البيانات غير الضروري بين JavaScript و WASM. إذا أمكن، قم بتمرير البيانات بالمرجع بدلاً من القيمة.
• اختر أنواع البيانات الصحيحة: حدد أنواع البيانات الأنسب لبياناتك. يمكن أن يؤدي استخدام أنواع بيانات أصغر إلى تقليل استخدام الذاكرة وتحسين الأداء.
• تحسين هياكل البيانات: قم بتحسين هياكل البيانات الخاصة بك للوصول إليها ومعالجتها بكفاءة. ضع في اعتبارك استخدام هياكل البيانات التي تتناسب جيدًا مع العمليات المحددة التي تحتاج إلى إجرائها.
• التحليل والقياس: استخدم أدوات التحليل والقياس لتحديد اختناقات الأداء وتحسين الكود الخاص بك.
• ضع في اعتبارك العمليات غير المتزامنة: للمهام التي تتطلب حسابات مكثفة، ضع في اعتبارك استخدام العمليات غير المتزامنة لتجنب حظر الخيط الرئيسي.

الاتجاهات المستقبلية في أنواع واجهات WebAssembly

مجال أنواع واجهات WebAssembly في تطور مستمر. إليك بعض الاتجاهات المستقبلية التي يجب مراقبتها:

• دعم موسع لأنواع البيانات: توقع رؤية دعم لأنواع بيانات أكثر تعقيدًا، مثل الأنواع المخصصة والأنواع العامة، في الإصدارات المستقبلية من WIT.
• أدوات محسنة: تتحسن الأدوات المتعلقة بـ WIT باستمرار. توقع رؤية المزيد من الأدوات سهلة الاستخدام وتكاملات بيئة التطوير المتكاملة (IDE) في المستقبل.
• تكامل WASI: تهدف واجهة نظام WebAssembly (WASI) إلى توفير واجهة برمجة تطبيقات موحدة للوصول إلى موارد نظام التشغيل من وحدات WASM. ستلعب WIT دورًا حاسمًا في دمج WASI مع JavaScript.
• اعتماد نموذج المكونات: مع اكتساب نموذج المكونات زخمًا، ستصبح أنواع الواجهات أكثر أهمية لبناء مكونات WASM معيارية وقابلة لإعادة الاستخدام.

الخاتمة

تمثل أنواع واجهات WebAssembly خطوة مهمة إلى الأمام في تحسين قابلية التشغيل البيني بين JavaScript و WASM. من خلال توفير طريقة موحدة لتعريف الواجهات وتبادل البيانات، تبسط WIT التطوير، وتعزز أمان الأنواع، وتحسن الأداء. مع استمرار تطور نظام WebAssembly البيئي، ستلعب WIT دورًا متزايد الأهمية في تمكين المطورين من بناء تطبيقات ويب عالية الأداء. يعد تبني أنواع الواجهات أمرًا بالغ الأهمية للاستفادة من الإمكانات الكاملة لـ WebAssembly في تطوير الويب الحديث. يتجه مستقبل تطوير الويب بشكل متزايد نحو تبني WebAssembly وقدراتها على الأداء وإعادة استخدام الكود، مما يجعل فهم أنواع الواجهات أمرًا ضروريًا لأي مطور ويب يتطلع إلى البقاء في الطليعة.