توصيف الأنواع متعددة القيم في WebAssembly: تحسين لنظام الأنواع من أجل مستقبل الويب

ظهرت WebAssembly (Wasm) كتنسيق تعليمات ثنائي قوي مصمم لأداء يقترب من الأداء الأصلي على الويب وخارجه. وينبع نجاحها من قابليتها للنقل وأمانها وكفاءتها. وإحدى الميزات الرئيسية التي تساهم في هذه السمات هي نظام الأنواع الخاص بها. ويُعد إدخال توصيف الأنواع متعددة القيم تحسينًا كبيرًا لنظام الأنواع هذا. وهذه الميزة، على الرغم من أنها تبدو صغيرة، تطلق العنان للعديد من الفوائد، مما يؤثر على الأداء وتصميم المترجمات والقدرة التعبيرية بشكل عام.

فهم WebAssembly ونظام الأنواع الخاص به

قبل الخوض في تفاصيل توصيف الأنواع متعددة القيم، دعنا نلخص بإيجاز WebAssembly ونظام الأنواع الأساسي الخاص به. صُممت WebAssembly لتكون هدفًا للترجمة للغات عالية المستوى مثل C و C++ و Rust، ومؤخرًا حتى لغات مثل Python و Java من خلال مشاريع مثل Pyodide و TeaVM. وتهدف إلى تنفيذ التعليمات البرمجية بسرعة تقترب من السرعة الأصلية داخل بيئة معزولة (sandbox)، بشكل أساسي في متصفحات الويب، ولكن بشكل متزايد أيضًا على الخوادم والأنظمة المدمجة.

نظام الأنواع في WebAssembly بسيط نسبيًا، حيث يركز على مجموعة صغيرة من الأنواع الأولية:

• i32: عدد صحيح 32-بت
• i64: عدد صحيح 64-بت
• f32: عدد عشري عائم 32-بت
• f64: عدد عشري عائم 64-بت
• v128: متجه 128-بت (لعمليات SIMD)
• funcref: مرجع دالة
• externref: مرجع خارجي (للتفاعل مع البيئة المضيفة، مثل JavaScript في المتصفح)

للدوال في WebAssembly توقيعات محددة جيدًا تتكون من أنواع المدخلات ونوع إرجاع واحد. قبل اقتراح القيم المتعددة، كانت دوال WebAssembly مقيدة بإرجاع قيمة واحدة على الأكثر. وهذا القيد، على الرغم من تبسيطه للتطبيق الأولي، أدخل عدم كفاءة في سيناريوهات معينة.

المشكلة: قيود القيم المرجعة الفردية

فرض قيد القيمة المرجعة الواحدة في WebAssembly عدة تحديات:

عبء الأداء الزائد

عندما كانت الدالة بحاجة إلى إرجاع قيم متعددة، كان على المطورين اللجوء إلى حلول بديلة، تتضمن عادةً تمرير مؤشرات إلى مواقع الذاكرة حيث يمكن للدالة كتابة النتائج. وقد تسبب هذا النهج في عدة عقوبات على الأداء:

• تخصيص الذاكرة: أضاف تخصيص الذاكرة للقيم المرجعة عبئًا إضافيًا، خاصة إذا تم استدعاء الدالة بشكل متكرر.
• الوصول غير المباشر للذاكرة: بدلاً من إرجاع القيم مباشرة في السجلات (registers)، كان على الدالة الكتابة إلى الذاكرة، وكان على المستدعي القراءة من الذاكرة. والوصول إلى الذاكرة أبطأ عمومًا من الوصول إلى السجلات.
• زيادة حجم الكود: أضاف الكود المطلوب لإدارة تخصيص الذاكرة والوصول غير المباشر إلى الذاكرة إلى الحجم الإجمالي لوحدة WebAssembly.

لنأخذ مثالًا بسيطًا: دالة تحسب ناتج القسمة والباقي لعملية قسمة. بدون القيم المرجعة المتعددة، قد تحتاج إلى تمرير مؤشرات إلى مواقع الذاكرة لناتج القسمة والباقي:

            // C code (example)
void divide(int a, int b, int *quotient, int *remainder) {
  *quotient = a / b;
  *remainder = a % b;
}

            

              
                Copy
              
            
          

هذا الكود المكتوب بلغة C، عند ترجمته إلى WebAssembly، سيتطلب من المستدعي تخصيص ذاكرة لـ quotient و remainder وتمرير مؤشرات إلى مواقع الذاكرة هذه. بعد ذلك، سيكتب كود WebAssembly النتائج في مواقع الذاكرة هذه.

تعقيد المترجم

كان على المترجمات التي تستهدف WebAssembly تنفيذ تحويلات معقدة للتعامل مع القيم المرجعة المتعددة من اللغة المصدر. على سبيل المثال، إذا كانت دالة C++ ترجع std::tuple، كان على المترجم "تسطيح" الصف (tuple) إلى قيم فردية وتخزينها في الذاكرة. وقد أضاف هذا تعقيدًا إلى المترجم وربما أدخل عدم كفاءة.

انخفاض القدرة التعبيرية

حدّ قيد القيمة المرجعة الواحدة من القدرة التعبيرية لـ WebAssembly. فقد جعل من الصعب تمثيل بعض الاصطلاحات البرمجية وهياكل البيانات بكفاءة. على سبيل المثال، أصبح إرجاع رموز أخطاء متعددة أو هياكل بيانات معقدة أكثر تعقيدًا.

الحل: توصيف الأنواع متعددة القيم في WebAssembly

يعالج اقتراح القيم المتعددة في WebAssembly هذه القيود من خلال السماح للدوال بإرجاع قيم متعددة مباشرة. وهذا يلغي الحاجة إلى حلول بديلة تتضمن تخصيص الذاكرة والوصول غير المباشر للذاكرة، مما يؤدي إلى تحسينات كبيرة في الأداء، وتبسيط تصميم المترجم، وزيادة القدرة التعبيرية.

مع توصيف الأنواع متعددة القيم، يمكن الآن لتوقيع الدالة تحديد أنواع إرجاع متعددة. على سبيل المثال:

            ;; WebAssembly code (example)
(func $divide (param $a i32) (param $b i32) (result i32 i32)
  (local $quotient i32)
  (local $remainder i32)
  (local.set $quotient (i32.div_s (local.get $a) (local.get $b)))
  (local.set $remainder (i32.rem_s (local.get $a) (local.get $b)))
  (local.get $quotient)
  (local.get $remainder)
)

            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال، ترجع الدالة $divide الآن قيمتين من نوع i32: ناتج القسمة والباقي. يمكن للمترجم استخدام السجلات مباشرة لإرجاع هذه القيم، وتجنب تخصيص الذاكرة والوصول غير المباشر للذاكرة.

فوائد توصيف الأنواع متعددة القيم

يجلب إدخال توصيف الأنواع متعددة القيم العديد من الفوائد الهامة:

تحسين الأداء

من خلال التخلص من الحاجة إلى تخصيص الذاكرة والوصول غير المباشر للذاكرة، يمكن للقيم المرجعة المتعددة تحسين الأداء بشكل كبير، خاصة بالنسبة للدوال التي ترجع قيمًا متعددة بشكل متكرر. ويمكن أن تكون مكاسب الأداء ملحوظة بشكل خاص في التطبيقات التي تتطلب حسابات مكثفة، مثل الألعاب والمحاكاة ومعالجة الوسائط المتعددة.

لنأخذ مثالاً من العالم الحقيقي: معالجة الصور. تتضمن العديد من خوارزميات معالجة الصور حساب قيم متعددة لكل بكسل، مثل مكونات اللون (الأحمر والأخضر والأزرق)، وقناة ألفا (الشفافية)، والعمق. مع القيم المرجعة المتعددة، يمكن إرجاع هذه القيم مباشرة، وتجنب العبء الزائد لتخصيص الذاكرة والوصول غير المباشر للذاكرة. يمكن أن يؤدي هذا إلى تحسينات كبيرة في الأداء في تطبيقات معالجة الصور.

تبسيط تصميم المترجم

تبسط القيم المرجعة المتعددة مهمة ترجمة اللغات عالية المستوى إلى WebAssembly. لم يعد المترجمون بحاجة إلى تنفيذ تحويلات معقدة للتعامل مع القيم المرجعة المتعددة من اللغة المصدر. وهذا يقلل من تعقيد المترجم ويمكن أن يؤدي إلى أوقات ترجمة أسرع وتوليد كود أكثر كفاءة.

على سبيل المثال، تدعم لغات مثل Rust و Go بشكل أصلي القيم المرجعة المتعددة. مع القيم المرجعة المتعددة في WebAssembly، يمكن لمترجمات هذه اللغات ربط القيم المرجعة المتعددة مباشرة بـ WebAssembly، دون الحاجة إلى حلول بديلة معقدة. وينتج عن هذا كود WebAssembly أنظف وأكثر كفاءة.

زيادة القدرة التعبيرية

تزيد القيم المرجعة المتعددة من القدرة التعبيرية لـ WebAssembly، مما يسهل تمثيل بعض الاصطلاحات البرمجية وهياكل البيانات بكفاءة. ويمكن أن يؤدي هذا إلى كود أكثر إيجازًا وقابلية للقراءة.

على سبيل المثال، لنأخذ دالة ترجع كلاً من النتيجة ورمز الخطأ. مع القيم المرجعة المتعددة، يمكن للدالة إرجاع كلتا القيمتين مباشرة. وهذا مفيد بشكل خاص لمعالجة الأخطاء بطريقة أكثر تنظيمًا وكفاءة.

تعزيز التشغيل البيني

يمكن للقيم المرجعة المتعددة تعزيز التشغيل البيني بين WebAssembly واللغات والبيئات الأخرى. على سبيل المثال، عند استدعاء دالة WebAssembly من JavaScript، يمكن الوصول إلى القيم المرجعة مباشرة كمصفوفة أو كائن، دون الحاجة إلى الوصول الوسيط للذاكرة.

حالات الاستخدام والأمثلة

ينطبق توصيف الأنواع متعددة القيم على مجموعة واسعة من حالات الاستخدام:

الدوال الرياضية

يمكن للدوال التي تحسب قيمًا متعددة مرتبطة، مثل ناتج القسمة والباقي للقسمة، أو الجزء الحقيقي والتخيلي لعدد مركب، أو جيب وجيب تمام الزاوية، أن تستفيد من القيم المرجعة المتعددة.

مثال (الرياضيات): حساب القيم الذاتية والمتجهات الذاتية في الجبر الخطي. غالبًا ما تأتي هذه في أزواج أو مجموعات، ويبسط إرجاع القيم المتعددة التعامل معها.

معالجة الأخطاء

يمكن للدوال التي تحتاج إلى إرجاع كل من النتيجة ورمز الخطأ استخدام القيم المرجعة المتعددة للإشارة إلى النجاح أو الفشل وتقديم معلومات إضافية حول الخطأ.

مثال (برمجة النظم): الدوال في أنظمة التشغيل التي ترجع نتيجة (مثل واصف ملف) ورمز خطأ (مثل errno) عند الفشل. يترجم هذا النمط جيدًا إلى WebAssembly باستخدام القيم المرجعة المتعددة.

معالجة هياكل البيانات

يمكن للدوال التي تعالج هياكل البيانات المعقدة، مثل الأشجار أو الرسوم البيانية، استخدام القيم المرجعة المتعددة لإرجاع أجزاء متعددة من البيانات ذات الصلة، مثل عقدة ووالدها أو أبنائها.

مثال (هياكل البيانات): عملية إخراج عنصر من طابور متزامن (Dequeue)، والتي قد ترجع القيمة وقيمة منطقية (boolean) تشير إلى ما إذا كان الطابور فارغًا قبل العملية.

الرسوميات والوسائط المتعددة

غالبًا ما تتضمن خوارزميات معالجة الصور والصوت والفيديو حساب قيم متعددة لكل بكسل أو عينة. يمكن للقيم المرجعة المتعددة تحسين أداء هذه الخوارزميات.

مثال (الرسوميات): دالة تتبع الأشعة (ray tracing) ترجع اللون (RGB) ومعلومات العمق عند نقطة تقاطع.

التحليل والتقسيم (Parsing and Lexing)

غالبًا ما ترجع المحللات والمقسمات (Parsers and lexers) قيمًا متعددة، مثل الرمز المميز الذي تم تحليله (token)، ونوعه، وموقعه في تيار الإدخال. يمكن للقيم المرجعة المتعددة تبسيط تنفيذ هذه الأدوات.

مثال (المترجمات): دالة مقسم (lexer) ترجع نوع الرمز المميز وقيمته.

التبني والتطبيق

تم تبني توصيف الأنواع متعددة القيم على نطاق واسع من قبل سلاسل أدوات WebAssembly وبيئات التشغيل.

• المترجمات: تدعم المترجمات الرئيسية، مثل LLVM و Emscripten و wasm-pack من Rust، إنشاء كود WebAssembly مع قيم مرجعة متعددة.
• المتصفحات: تدعم جميع متصفحات الويب الرئيسية، بما في ذلك Chrome و Firefox و Safari و Edge، WebAssembly مع القيم المرجعة المتعددة.
• بيئات التشغيل: تدعم بيئات تشغيل WebAssembly من جانب الخادم، مثل wasmtime و WasmEdge، أيضًا القيم المرجعة المتعددة.

إن الدعم عبر مختلف المنصات والأدوات يرسخ القيم المرجعة المتعددة كميزة قياسية وأساسية في WebAssembly.

اعتبارات وأفضل الممارسات

بينما يقدم توصيف الأنواع متعددة القيم فوائد كبيرة، من المهم مراعاة بعض أفضل الممارسات عند استخدامه:

الحفاظ على عدد معقول من القيم المرجعة

على الرغم من أن WebAssembly من الناحية الفنية لا يفرض حدًا صارمًا على عدد القيم المرجعة، إلا أنه من المستحسن عمومًا الحفاظ على عدد معقول من القيم المرجعة. فإرجاع عدد كبير جدًا من القيم يمكن أن يجعل الكود أصعب في القراءة والصيانة.

استخدام أسماء ذات معنى للقيم المرجعة

عند الإمكان، استخدم أسماء ذات معنى للقيم المرجعة لتحسين قابلية قراءة الكود. ويمكن تحقيق ذلك من خلال التعليقات أو باستخدام أنواع بيانات مهيكلة لتمثيل القيم المرجعة.

النظر في استخدام هياكل البيانات للقيم المرجعة المعقدة

بالنسبة للقيم المرجعة المعقدة، فكر في استخدام هياكل البيانات، مثل البنى (structs) أو الصفوف (tuples)، لتجميع القيم ذات الصلة معًا. يمكن أن يحسن هذا تنظيم الكود وقابليته للصيانة. ومع ذلك، كن على دراية بالآثار المحتملة على الأداء مقارنة بإرجاع القيم الفردية مباشرة، خاصة إذا كانت بنية البيانات بحاجة إلى التخصيص وإلغاء التخصيص بشكل متكرر.

مستقبل WebAssembly والقيم المتعددة

يعد توصيف الأنواع متعددة القيم خطوة حاسمة إلى الأمام في تطور WebAssembly. ومع استمرار WebAssembly في التطور وتوسيع نطاقه إلى ما هو أبعد من المتصفح، ستصبح ميزات مثل القيم المرجعة المتعددة أكثر أهمية. وتكمل هذه الميزة معايير WebAssembly الناشئة الأخرى مثل WASI (واجهة نظام WebAssembly)، التي تهدف إلى توحيد كيفية تفاعل وحدات WebAssembly مع نظام التشغيل، مما يفتح مجموعة واسعة من التطبيقات من جانب الخادم والتطبيقات المدمجة.

يبدو مستقبل WebAssembly مشرقًا، مع الجهود المستمرة لتحسين أدائه وأمانه وقدرته التعبيرية. ويعد توصيف الأنواع متعددة القيم شهادة على الابتكار المستمر في نظام WebAssembly البيئي، مما يمكن المطورين من بناء تطبيقات أكثر كفاءة وقوة وتنوعًا.

الخاتمة

يعد توصيف الأنواع متعددة القيم في WebAssembly تحسينًا كبيرًا لنظام أنواع WebAssembly، حيث يوفر أداءً محسنًا وتصميمًا مبسطًا للمترجمات وقدرة تعبيرية متزايدة وتشغيلًا بينيًا معززًا. ومن خلال السماح للدوال بإرجاع قيم متعددة مباشرة، فإنه يلغي الحاجة إلى حلول بديلة تتضمن تخصيص الذاكرة والوصول غير المباشر للذاكرة، مما يؤدي إلى تطبيقات أكثر كفاءة وتنوعًا. ومع استمرار WebAssembly في اكتساب الزخم كتنسيق تعليمات ثنائي عالمي، ستلعب القيم المرجعة المتعددة دورًا متزايد الأهمية في نجاحه.

يجب على المطورين الذين يستهدفون WebAssembly تبني القيم المرجعة المتعددة والاستفادة من فوائدها لبناء تطبيقات عالية الأداء وفعالة ومعبرة للويب وما بعده. من خلال فهم واستخدام هذه الميزة القوية، يمكن للمطورين إطلاق العنان للإمكانات الكاملة لـ WebAssembly والمساهمة في نموه وتطوره المستمر.