تحسين إرجاع القيم المتعددة في WebAssembly: تحسين واجهة الوظائف

أصبحت WebAssembly (Wasm) بسرعة تقنية حاسمة للويب الحديث وما بعده. لقد فتحت قدرتها على تنفيذ التعليمات البرمجية بكفاءة عبر منصات مختلفة إمكانيات جديدة للمطورين على مستوى العالم. أحد الجوانب الرئيسية لتطور Wasm هو تحسين واجهات الوظائف، والتطور الهام في هذا المجال هو ميزة إرجاع القيم المتعددة. ستتعمق هذه المدونة في هذه الميزة، واستكشاف تأثيرها وفوائدها للمطورين في جميع أنحاء العالم، مع التركيز على إنشاء تطبيقات أكثر كفاءة وأداءً.

فهم WebAssembly ودورها

WebAssembly هي تنسيق تعليمات ثنائي مصمم لآلة افتراضية قائمة على المكدس. وهي مخصصة كهدف محمول للترجمة، مما يتيح النشر على الويب والبيئات الأخرى. تهدف Wasm إلى توفير بيئة تنفيذ سريعة وفعالة وآمنة، تعمل بسرعات قريبة من السرعات الأصلية. وهذا يجعلها مثالية لمجموعة واسعة من التطبيقات، من تطبيقات الويب التفاعلية إلى برامج جانب الخادم وحتى الأنظمة المدمجة. يسلط اعتمادها الواسع النطاق الضوء على قدرتها على التكيف وفعاليتها.

تشمل مبادئ التصميم الأساسية لـ Wasm:

• قابلية النقل: تعمل عبر منصات ومتصفحات مختلفة.
• الكفاءة: توفير أداء قريب من التعليمات البرمجية الأصلية.
• الأمان: بيئة تنفيذ آمنة ومأمونة.
• معايير مفتوحة: تتم صيانتها من قبل مجتمع مع تطور مستمر.

أهمية واجهات الوظائف في Wasm

واجهات الوظائف هي البوابات التي تسمح لأجزاء مختلفة من البرنامج بالتفاعل. وهي تحدد كيفية تمرير البيانات إلى الوظائف والخروج منها، وهو أمر بالغ الأهمية لكفاءة البرنامج وتصميمه. في سياق Wasm، تعتبر واجهة الوظائف أمرًا بالغ الأهمية بسبب تأثيرها المباشر على الأداء العام. يعد تحسين هذه الواجهات هدفًا أساسيًا لتحسينات الأداء، مما يسمح بتدفق بيانات أكثر كفاءة وفي النهاية تطبيق أكثر استجابة.

ضع في اعتبارك القيود التقليدية: قبل إرجاع القيم المتعددة، كانت الوظائف في Wasm تُرجع عادةً قيمة واحدة. إذا كانت الوظيفة بحاجة إلى إرجاع قيم متعددة، فقد اضطر المبرمجون إلى استخدام حلول بديلة، مثل:

• إرجاع بنية أو كائن: يتضمن ذلك إنشاء هيكل بيانات مركب للاحتفاظ بقيم إرجاع متعددة، الأمر الذي يتطلب عمليات التخصيص والنسخ وإلغاء التخصيص، مما يضيف عبئًا إضافيًا.
• استخدام معلمات الإخراج: تمرير مؤشرات قابلة للتغيير إلى الوظائف لتعديل البيانات التي تم تمريرها كمعلمات. هذا يمكن أن يعقد توقيع الوظيفة ويقدم مشكلات محتملة في إدارة الذاكرة.

إرجاع القيم المتعددة: تغيير قواعد اللعبة

تُحدث ميزة إرجاع القيم المتعددة في Wasm ثورة في واجهات الوظائف. فهي تسمح لوظيفة Wasm بإرجاع قيم متعددة مباشرة، دون اللجوء إلى حلول بديلة. وهذا يحسن بشكل كبير من كفاءة وأداء وحدات Wasm، خاصة عندما تحتاج قيم متعددة إلى إرجاعها كجزء من عملية حسابية. إنه يعكس سلوك التعليمات البرمجية الأصلية، حيث يتم إرجاع قيم متعددة بكفاءة من خلال السجلات.

كيف يعمل: مع إرجاع القيم المتعددة، يمكن لوقت تشغيل Wasm إرجاع قيم متعددة مباشرة، غالبًا باستخدام السجلات أو آلية أكثر كفاءة قائمة على المكدس. هذا يتجنب النفقات العامة المرتبطة بإنشاء وإدارة هياكل البيانات المركبة أو استخدام المؤشرات القابلة للتغيير.

الفوائد:

• أداء مُحسّن: عمليات تخصيص الذاكرة وإلغاء تخصيصها مُخفّضة، مما يؤدي إلى تنفيذ أسرع.
• تعليمات برمجية مُبسّطة: توقيعات وظائف أنظف وتقليل التعقيد.
• إمكانية تشغيل أفضل: يبسط التكامل مع بيئات المضيف حيث يمكن تمرير قيم متعددة مرة أخرى دون أي حاجة إلى عمليات تجميع معقدة.
• دعم مُحسّن للمترجم: يمكن للمترجمات مثل Emscripten وغيرها إنشاء تعليمات برمجية مُحسّنة بشكل أكثر فعالية لسيناريوهات إرجاع القيم المتعددة.

نظرة مُتعمّقة: الجوانب الفنية والتنفيذ

التنفيذ على مستوى Wasm: يتضمن تنسيق Wasm الثنائي وتصميم الآلة الافتراضية ميزات محددة لدعم إرجاع القيم المتعددة. يسمح هيكل تواقيع نوع الوظيفة في قسم نوع الوحدة النمطية بتحديد أنواع إرجاع متعددة. وهذا يمكّن مترجم Wasm أو المترجم من إدارة قيم الإرجاع بشكل فعال مباشرة، دون الحاجة إلى الحلول البديلة الموصوفة سابقًا.

دعم المترجم: قامت مترجمات مثل Emscripten (لترجمة C/C++ إلى Wasm) وRust (من خلال هدف Wasm الخاص بها) وAssemblyScript (لغة تشبه TypeScript يتم ترجمتها إلى Wasm) بدمج دعم لإرجاع القيم المتعددة. تقوم هذه المترجمات تلقائيًا بترجمة تركيبات اللغة إلى تعليمات Wasm المحسّنة.

مثال: C/C++ مع Emscripten

ضع في اعتبارك دالة C/C++ لحساب مجموع وفرق رقمين:

            
#include <stdio.h>

//Function returning multiple values as a struct (before multi-value return)
struct SumDiff {
  int sum;
  int diff;
};

struct SumDiff calculate(int a, int b) {
  struct SumDiff result;
  result.sum = a + b;
  result.diff = a - b;
  return result;
}

//Function returning multiple values (with multi-value return, using Emscripten)
void calculateMV(int a, int b, int* sum, int* diff) {
  *sum = a + b;
  *diff = a - b;
}

// or, directly return from the multi-value function

// Example using multiple return from a function
int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

int subtract(int a, int b) {
  return a - b;
}

int main() {
  int a = 10, b = 5;
  int sum = 0, diff = 0;
  calculateMV(a, b, &sum, &diff);
  printf("Sum: %d, Difference: %d\n", sum, diff);

  int result_add = add(a,b);
  int result_sub = subtract(a,b);

  printf("add result: %d, subtract result: %d\n", result_add, result_sub);
  return 0;
}

            

              
                Copy
              
            
          

عند تجميعها باستخدام Emscripten (باستخدام العلامات المناسبة لتمكين دعم إرجاع القيم المتعددة)، سيقوم المترجم بتحسين التعليمات البرمجية لاستخدام آلية إرجاع القيم المتعددة، مما يؤدي إلى تعليمات برمجية Wasm أكثر كفاءة.

أمثلة عملية وتطبيق عالمي

تُعد عمليات إرجاع القيم المتعددة مفيدة بشكل خاص في السيناريوهات التي تحتاج فيها قيم متعددة ذات صلة إلى إرجاعها. ضع في اعتبارك هذه الأمثلة:

• معالجة الصور: الوظائف التي تُرجع كلاً من بيانات الصورة التي تمت معالجتها والبيانات الوصفية (مثل عرض الصورة وارتفاعها وتنسيقها). وهذا ذو قيمة خاصة في إنشاء أدوات تحرير صور قائمة على الويب عالية الكفاءة.
• تطوير الألعاب: العمليات الحسابية التي تتضمن محركات الفيزياء، مثل إرجاع كل من الموضع الجديد وسرعة كائن اللعبة بعد الاصطدام. يعد هذا التحسين أساسيًا للعب سلس وسريع الاستجابة على المنصات في جميع أنحاء العالم.
• الحوسبة العلمية: الخوارزميات العددية التي تُرجع نتائج متعددة، مثل نتيجة تحليل المصفوفة أو إخراج تحليل إحصائي. هذا يحسن الأداء في التطبيقات التي يستخدمها الباحثون على مستوى العالم.
• التحليل: المكتبات التي تحلل تنسيقات البيانات، والتي غالبًا ما تحتاج إلى إرجاع القيمة التي تم تحليلها جنبًا إلى جنب مع إشارة إلى نجاح أو فشل التحليل. يؤثر هذا على المطورين في جميع القارات.
• النمذجة المالية: حساب القيمة الحالية والقيمة المستقبلية ومعدل العائد الداخلي في وقت واحد في النماذج المالية، التي يستخدمها المحترفون في المراكز المالية مثل لندن ونيويورك وطوكيو.

مثال: معالجة الصور باستخدام Rust وWasm

لنفترض أن دالة Rust تحتاج إلى إجراء تصفية صور بسيطة وإرجاع بيانات الصورة الجديدة وأبعادها. مع إرجاع القيم المتعددة، يمكن التعامل مع هذا بكفاءة:

            
// Rust code using the image crate and multi-value return.
// The image crate is a popular choice among rust developers.
use image::{GenericImageView, DynamicImage};

// Define a struct (optional) to return the data
struct ImageResult {
    data: Vec<u8>,
    width: u32,
    height: u32,
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn apply_grayscale(image_data: *const u8, width: u32, height: u32) -> (*mut u8, u32, u32) {
    // Convert raw image data
    let image = image::load_from_memory_with_format(unsafe { std::slice::from_raw_parts(image_data, (width * height * 4) as usize)}, image::ImageFormat::Png).unwrap();

    // Apply grayscale
    let gray_image = image.to_luma8();

    // Get image data as bytes
    let mut data = gray_image.into_raw();

    // Return data as a raw pointer
    let ptr = data.as_mut_ptr();

    (ptr, width, height)
}

            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال، تأخذ الدالة `apply_grayscale` بيانات الصورة وأبعادها كمدخلات. ثم تقوم بمعالجة الصورة وتحويلها إلى تدرج الرمادي وإرجاع البيانات التي تمت معالجتها وعرضها وارتفاعها مباشرة، وبالتالي تجنب الحاجة إلى تخصيصات أو هياكل منفصلة. هذا الأداء المحسن ملحوظ على جانب العميل (المتصفحات) وجانب الخادم (إذا تم استخدامه لخوادم الويب التي تقدم محتوى الصور).

قياس الأداء والتأثير الواقعي

يتم تحديد فوائد إرجاع القيم المتعددة بشكل أفضل من خلال المقاييس. تعتمد تحسينات الأداء على التطبيق، ولكن الاختبارات عادةً ما تظهر الاتجاهات التالية:

• تخفيض تخصيصات الذاكرة: عدد أقل من الاستدعاءات إلى `malloc` أو مُخصِّصات ذاكرة مماثلة.
• وقت تنفيذ أسرع: تسريع كبير في الوظائف التي يتم فيها إرجاع قيم متعددة.
• تحسين الاستجابة: ستشعر واجهات المستخدم التي تستفيد من الحسابات الأسرع بأنها أكثر سرعة.

تقنيات القياس:

• أدوات القياس القياسية: استخدم أدوات مثل `wasm-bench` أو مجموعات القياس المخصصة لقياس وقت التنفيذ.
• مقارنة التنفيذات: قارن أداء التعليمات البرمجية باستخدام عمليات إرجاع القيم المتعددة مقابل التعليمات البرمجية التي تعتمد على إرجاع الهياكل أو استخدام معلمات الإخراج.
• سيناريوهات واقعية: اختبر التطبيق في سيناريوهات استخدام واقعية للحصول على التأثير الكامل للتحسينات.

أمثلة واقعية: شهدت شركات مثل Google وMozilla وغيرها تحسينات كبيرة في تطبيقات الويب الخاصة بها من خلال الاستفادة من عمليات إرجاع القيم المتعددة في Wasm. تؤدي مكاسب الأداء هذه إلى تجارب مستخدم أفضل، خاصةً للمستخدمين في المناطق ذات الاتصالات الأبطأ بالإنترنت.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

في حين أن عمليات إرجاع القيم المتعددة تقدم تحسينات كبيرة، لا تزال هناك مجالات للتحسين والتطوير المستقبلي:

• دعم المترجم: تحسين تحسين المترجم وإنشاء التعليمات البرمجية لعمليات إرجاع القيم المتعددة في جميع اللغات التي يتم تجميعها في Wasm.
• أدوات التصحيح: تحسين أدوات التصحيح لدعم أفضل لتعليمات برمجية لإرجاع القيم المتعددة. يتضمن ذلك إخراج التصحيح والقدرة على فحص القيم التي تم إرجاعها بسهولة.
• التوحيد القياسي والاعتماد: العمل المستمر لتوحيد وتنفيذ عمليات إرجاع القيم المتعددة بشكل كامل عبر أوقات تشغيل Wasm والمتصفحات المختلفة لضمان التوافق عبر جميع البيئات على مستوى العالم.

الاتجاهات المستقبلية:

• التكامل مع ميزات Wasm الأخرى: يمكن أن يوفر تكامل عمليات إرجاع القيم المتعددة مع ميزات تحسين الأداء الأخرى في Wasm، مثل تعليمات SIMD، كفاءة أكبر.
• واجهة نظام WebAssembly (WASI): الدعم الكامل لعمليات إرجاع القيم المتعددة داخل نظام WASI لتسهيل تطبيقات جانب الخادم.
• تطورات الأدوات: تطوير أدوات أفضل، مثل مصححات الأخطاء والمحللون الأكثر تطوراً، لمساعدة المطورين على الاستفادة من التعليمات البرمجية لإرجاع القيم المتعددة واستكشاف أخطائها وإصلاحها بشكل فعال.

الخلاصة: تحسين واجهات الوظائف لجمهور عالمي

تعد ميزة إرجاع القيم المتعددة في WebAssembly خطوة حاسمة في تحسين أداء وكفاءة تطبيقات الويب. من خلال السماح للوظائف بإرجاع قيم متعددة مباشرة، يمكن للمطورين كتابة تعليمات برمجية أنظف وأكثر تحسينًا يتم تنفيذها بشكل أسرع. تشمل الفوائد تقليل تخصيص الذاكرة وتحسين سرعة التنفيذ وتبسيط التعليمات البرمجية. هذا مفيد بشكل خاص للجماهير العالمية لأنه يحسن من استجابة تطبيق الويب وأدائه على الأجهزة والشبكات في جميع أنحاء العالم.

مع التقدم المستمر في دعم المترجم والتوحيد القياسي والتكامل مع ميزات Wasm الأخرى، ستستمر عمليات إرجاع القيم المتعددة في لعب دور مركزي في تطور Wasm. يجب على المطورين تبني هذه الميزة، لأنها توفر مسارًا لإنشاء تطبيقات أسرع وأكثر كفاءة توفر تجربة مستخدم أفضل لجمهور عالمي.

من خلال فهم واعتماد عمليات إرجاع القيم المتعددة، يمكن للمطورين إطلاق مستويات جديدة من الأداء لتطبيقات WebAssembly الخاصة بهم، مما يؤدي إلى تجارب مستخدم أفضل في جميع أنحاء العالم.

يتم اعتماد هذه التقنية في جميع أنحاء العالم، في أماكن مثل:

• أمريكا الشمالية، حيث تستثمر شركات مثل Google وMicrosoft بكثافة.
• أوروبا، حيث يدعم الاتحاد الأوروبي المبادرات التي تستخدم Wasm.
• آسيا، التي تشهد اعتمادًا سريعًا في الصين والهند واليابان، لتطبيقات الويب والجوال على حد سواء.
• أمريكا الجنوبية، حيث يوجد عدد متزايد من المطورين الذين يتبنون Wasm.
• أفريقيا، حيث تحقق Wasm تقدمًا في تطوير الأجهزة المحمولة أولاً.
• أوقيانوسيا، حيث تشارك أستراليا ونيوزيلندا بنشاط في مجتمع Wasm.

يعرض هذا الاعتماد العالمي أهمية WebAssembly، لا سيما قدرتها على توفير أداء عالٍ على الأجهزة والشبكات المتنوعة.