الأنواع المرجعية في WebAssembly: مراجع الكائنات وتكامل جامع البيانات المهملة (GC)

أحدث WebAssembly (Wasm) ثورة في تطوير الويب من خلال توفير بيئة تنفيذ محمولة وفعالة وآمنة للكود. في البداية، ركز WebAssembly على الذاكرة الخطية والأنواع الرقمية، لكن قدراته تتوسع باستمرار. أحد التطورات الهامة هو إدخال الأنواع المرجعية (Reference Types)، وخاصة مراجع الكائنات وتكاملها مع جامع البيانات المهملة (GC). تتعمق هذه التدوينة في تعقيدات الأنواع المرجعية في WebAssembly، مستكشفة فوائدها وتحدياتها وتأثيراتها على مستقبل الويب وما بعده.

ما هي الأنواع المرجعية في WebAssembly؟

تمثل الأنواع المرجعية خطوة حاسمة إلى الأمام في تطور WebAssembly. قبل إدخالها، كان تفاعل Wasm مع جافاسكريبت (ولغات أخرى) يقتصر على نقل أنواع البيانات الأولية (الأرقام، القيم المنطقية) والوصول إلى الذاكرة الخطية، مما يتطلب إدارة يدوية للذاكرة. تسمح الأنواع المرجعية لـ WebAssembly بالاحتفاظ المباشر بمراجع الكائنات التي يديرها جامع البيانات المهملة في البيئة المضيفة والتعامل معها. هذا يبسط بشكل كبير قابلية التشغيل البيني ويفتح إمكانيات جديدة لبناء تطبيقات معقدة.

بشكل أساسي، تسمح الأنواع المرجعية لوحدات WebAssembly بالقيام بما يلي:

• تخزين مراجع لكائنات جافاسكريبت.
• تمرير هذه المراجع بين دوال Wasm وجافاسكريبت.
• التفاعل مع خصائص الكائنات وأساليبها مباشرة (مع بعض القيود – التفاصيل أدناه).

الحاجة إلى جامع البيانات المهملة (GC) في WebAssembly

يتطلب WebAssembly التقليدي من المطورين إدارة الذاكرة يدويًا، على غرار لغات مثل C أو C++. في حين أن هذا يوفر تحكمًا دقيقًا، فإنه يقدم أيضًا خطر تسرب الذاكرة، والمؤشرات المعلقة، وغيرها من الأخطاء المتعلقة بالذاكرة، مما يزيد بشكل كبير من تعقيد التطوير، خاصة للتطبيقات الأكبر. علاوة على ذلك، يمكن أن تعيق إدارة الذاكرة اليدوية الأداء بسبب العبء الناتج عن عمليات malloc/free وتعقيد مخصصات الذاكرة. يقوم جامع البيانات المهملة بأتمتة إدارة الذاكرة. تحدد خوارزمية GC الذاكرة التي لم تعد قيد الاستخدام من قبل البرنامج وتستعيدها. هذا يبسط التطوير، ويقلل من خطر أخطاء الذاكرة، ويمكن في كثير من الحالات تحسين الأداء. يتيح تكامل GC في WebAssembly للمطورين استخدام لغات مثل Java و C# و Kotlin وغيرها التي تعتمد على جمع البيانات المهملة بكفاءة أكبر داخل نظام WebAssembly البيئي.

مراجع الكائنات: سد الفجوة بين Wasm وجافاسكريبت

مراجع الكائنات هي نوع محدد من الأنواع المرجعية التي تسمح لـ WebAssembly بالتفاعل مباشرة مع الكائنات التي يديرها GC في البيئة المضيفة، وبشكل أساسي جافاسكريبت في متصفحات الويب. هذا يعني أن وحدة WebAssembly يمكنها الآن الاحتفاظ بمرجع لكائن جافاسكريبت، مثل عنصر DOM، أو مصفوفة، أو كائن مخصص. يمكن للوحدة بعد ذلك تمرير هذا المرجع إلى دوال WebAssembly أخرى أو إعادته إلى جافاسكريبت.

فيما يلي تفصيل للجوانب الرئيسية لمراجع الكائنات:

1. نوع `externref`

يعد نوع `externref` اللبنة الأساسية لمراجع الكائنات في WebAssembly. إنه يمثل مرجعًا لكائن تديره البيئة الخارجية (مثل جافاسكريبت). فكر فيه على أنه "مقبض" عام لكائن جافاسكريبت. يتم الإعلان عنه كنوع WebAssembly، مما يسمح باستخدامه كنوع لمعلمات الدوال، والقيم المرجعة، والمتغيرات المحلية.

مثال (صيغة نصية افتراضية لـ WebAssembly):

            (module
  (func $get_element (import "js" "get_element") (result externref))
  (func $set_property (import "js" "set_property") (param externref i32 i32))

  (func $use_element
    (local $element externref)
    (local.set $element (call $get_element))
    (call $set_property $element (i32.const 10) (i32.const 20))
  )
)
            

              
                Copy
              
            
          

في هذا المثال، تستورد `$get_element` دالة جافاسكريبت تعيد `externref` (يفترض أنه مرجع إلى عنصر DOM). ثم تقوم الدالة `$use_element` باستدعاء `$get_element`، وتخزن المرجع المعاد في المتغير المحلي `$element`، ثم تستدعي دالة جافاسكريبت أخرى `$set_property` لتعيين خاصية على العنصر.

2. استيراد وتصدير المراجع

يمكن لوحدات WebAssembly استيراد دوال جافاسكريبت التي تأخذ أو تعيد أنواع `externref`. هذا يسمح لجافاسكريبت بتمرير الكائنات إلى Wasm و Wasm بتمرير الكائنات مرة أخرى إلى جافاسكريبت. وبالمثل، يمكن لوحدات Wasm تصدير دوال تستخدم أنواع `externref`، مما يمكّن جافاسكريبت من استدعاء هذه الدوال والتفاعل مع الكائنات التي يديرها Wasm.

مثال (جافاسكريبت):

            async function runWasm() {
  const importObject = {
    js: {
      get_element: () => document.getElementById("myElement"),
      set_property: (element, x, y) => {
        element.style.left = x + "px";
        element.style.top = y + "px";
      }
    }
  };

  const { instance } = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'), importObject);
  instance.exports.use_element();
}
            

              
                Copy
              
            
          

يحدد كود جافاسكريبت هذا `importObject` الذي يوفر تطبيقات جافاسكريبت للدوال المستوردة `get_element` و `set_property`. تعيد الدالة `get_element` مرجعًا إلى عنصر DOM، وتقوم الدالة `set_property` بتعديل نمط العنصر بناءً على الإحداثيات المقدمة.

3. تأكيدات النوع (Type Assertions)

بينما يوفر `externref` طريقة للتعامل مع مراجع الكائنات، فإنه لا يوفر أي أمان للنوع داخل WebAssembly. لمعالجة هذا الأمر، يتضمن مقترح GC في WebAssembly تعليمات لتأكيدات النوع. تسمح هذه التعليمات لكود Wasm بالتحقق من نوع `externref` في وقت التشغيل، مما يضمن أنه من النوع المتوقع قبل تنفيذ العمليات عليه.

بدون تأكيدات النوع، يمكن لوحدة Wasm أن تحاول الوصول إلى خاصية على `externref` غير موجودة، مما يؤدي إلى خطأ. توفر تأكيدات النوع آلية لمنع مثل هذه الأخطاء وضمان سلامة وسلامة التطبيق.

مقترح جامع البيانات المهملة (GC) في WebAssembly

يهدف مقترح GC في WebAssembly إلى توفير طريقة موحدة لوحدات WebAssembly لاستخدام جمع البيانات المهملة داخليًا. وهذا يمكّن لغات مثل Java و C# و Kotlin، التي تعتمد بشكل كبير على GC، من أن يتم تجميعها إلى WebAssembly بكفاءة أكبر. يتضمن المقترح الحالي عدة ميزات رئيسية:

1. أنواع GC

يقدم مقترح GC أنواعًا جديدة مصممة خصيصًا للكائنات التي يتم جمع بياناتها المهملة. تشمل هذه الأنواع:

• `struct`: يمثل بنية (سجل) ذات حقول مسماة، على غرار البنى في C أو الفئات في Java.
• `array`: يمثل مصفوفة ديناميكية الحجم من نوع محدد.
• `i31ref`: نوع متخصص يمثل عددًا صحيحًا بحجم 31 بت وهو أيضًا كائن GC. وهذا يسمح بتمثيل فعال للأعداد الصحيحة الصغيرة داخل كومة GC.
• `anyref`: نوع فائق لجميع أنواع GC، مشابه لـ `Object` في Java.
• `eqref`: مرجع إلى بنية ذات حقول قابلة للتغيير.

تسمح هذه الأنواع لـ WebAssembly بتعريف هياكل بيانات معقدة يمكن إدارتها بواسطة GC، مما يتيح تطبيقات أكثر تطوراً.

2. تعليمات GC

يقدم مقترح GC مجموعة من التعليمات الجديدة للعمل مع كائنات GC. تشمل هذه التعليمات:

• `gc.new`: يخصص كائن GC جديدًا من نوع محدد.
• `gc.get`: يقرأ حقلاً من بنية GC.
• `gc.set`: يكتب في حقل في بنية GC.
• `gc.array.new`: يخصص مصفوفة GC جديدة من نوع وحجم محددين.
• `gc.array.get`: يقرأ عنصرًا من مصفوفة GC.
• `gc.array.set`: يكتب عنصرًا في مصفوفة GC.
• `gc.ref.cast`: يقوم بتحويل نوع مرجع GC.
• `gc.ref.test`: يتحقق مما إذا كان مرجع GC من نوع معين دون إلقاء استثناء.

توفر هذه التعليمات الأدوات اللازمة لإنشاء كائنات GC والتعامل معها والتفاعل معها داخل وحدات WebAssembly.

3. التكامل مع البيئة المضيفة

أحد الجوانب الحاسمة لمقترح WebAssembly GC هو تكامله مع GC في البيئة المضيفة. هذا يسمح لوحدات WebAssembly بالتفاعل بكفاءة مع الكائنات التي تديرها البيئة المضيفة، مثل كائنات جافاسكريبت في متصفح الويب. يلعب نوع `externref`، كما نوقش سابقًا، دورًا حيويًا في هذا التكامل.

صُمم مقترح GC للعمل بسلاسة مع جامعي البيانات المهملة الحاليين، مما يسمح لـ WebAssembly بالاستفادة من البنية التحتية الحالية لإدارة الذاكرة. هذا يتجنب حاجة WebAssembly إلى تنفيذ جامع بيانات مهملة خاص به، مما قد يضيف عبئًا وتعقيدًا كبيرين.

فوائد الأنواع المرجعية في WebAssembly وتكامل GC

يقدم إدخال الأنواع المرجعية وتكامل GC في WebAssembly فوائد عديدة:

1. تحسين قابلية التشغيل البيني مع جافاسكريبت

تحسن الأنواع المرجعية بشكل كبير قابلية التشغيل البيني بين WebAssembly وجافاسكريبت. إن تمرير مراجع الكائنات مباشرة بين Wasm وجافاسكريبت يلغي الحاجة إلى آليات تسلسل وإلغاء تسلسل معقدة، والتي غالبًا ما تكون عنق زجاجة في الأداء. هذا يسمح للمطورين ببناء تطبيقات أكثر سلاسة وكفاءة تستفيد من نقاط القوة في كلتا التقنيتين. على سبيل المثال، يمكن لمهمة حسابية مكثفة مكتوبة بلغة Rust ومترجمة إلى WebAssembly أن تتعامل مباشرة مع عناصر DOM التي توفرها جافاسكريبت، مما يحسن أداء تطبيقات الويب.

2. تطوير مبسط

من خلال أتمتة إدارة الذاكرة، يبسط جامع البيانات المهملة التطوير ويقلل من مخاطر الأخطاء المتعلقة بالذاكرة. يمكن للمطورين التركيز على كتابة منطق التطبيق بدلاً من القلق بشأن تخصيص الذاكرة وإلغاء تخصيصها يدويًا. هذا مفيد بشكل خاص للمشاريع الكبيرة والمعقدة، حيث يمكن أن تكون إدارة الذاكرة مصدرًا رئيسيًا للأخطاء.

3. أداء مُحسَّن

في كثير من الحالات، يمكن لجمع البيانات المهملة تحسين الأداء مقارنة بإدارة الذاكرة اليدوية. غالبًا ما تكون خوارزميات GC محسّنة للغاية ويمكنها إدارة استخدام الذاكرة بكفاءة. علاوة على ذلك، يتيح تكامل GC مع البيئة المضيفة لـ WebAssembly الاستفادة من البنية التحتية الحالية لإدارة الذاكرة، وتجنب العبء الناتج عن تنفيذ جامع بيانات مهملة خاص به.

على سبيل المثال، لنأخذ محرك ألعاب مكتوبًا بلغة C# ومترجمًا إلى WebAssembly. يمكن لجامع البيانات المهملة إدارة الذاكرة المستخدمة بواسطة كائنات اللعبة تلقائيًا، وتحرير الموارد عندما لا تكون هناك حاجة إليها. يمكن أن يؤدي ذلك إلى لعب أكثر سلاسة وأداء محسن مقارنة بإدارة الذاكرة يدويًا لهذه الكائنات.

4. دعم لمجموعة أوسع من اللغات

يسمح تكامل GC للغات التي تعتمد على جمع البيانات المهملة، مثل Java و C# و Kotlin و Go (مع GC الخاص بها)، بأن يتم تجميعها إلى WebAssembly بكفاءة أكبر. هذا يفتح إمكانيات جديدة لاستخدام هذه اللغات في تطوير الويب وبيئات أخرى قائمة على WebAssembly. على سبيل المثال، يمكن للمطورين الآن تجميع تطبيقات Java الحالية إلى WebAssembly وتشغيلها في متصفحات الويب دون تعديلات كبيرة، مما يوسع نطاق هذه التطبيقات.

5. إعادة استخدام الكود

تتيح القدرة على تجميع لغات مثل C# و Java إلى WebAssembly إعادة استخدام الكود عبر منصات مختلفة. يمكن للمطورين كتابة الكود مرة واحدة ونشره على الويب، وعلى الخادم، وعلى الأجهزة المحمولة، مما يقلل من تكاليف التطوير ويزيد من الكفاءة. هذا ذو قيمة خاصة للمؤسسات التي تحتاج إلى دعم منصات متعددة بقاعدة كود واحدة.

التحديات والاعتبارات

بينما تقدم الأنواع المرجعية وتكامل GC فوائد كبيرة، هناك أيضًا بعض التحديات والاعتبارات التي يجب أخذها في الاعتبار:

1. عبء الأداء

يقدم جامع البيانات المهملة بعض العبء على الأداء. تحتاج خوارزميات GC إلى مسح الذاكرة بشكل دوري لتحديد واستعادة الكائنات غير المستخدمة، مما قد يستهلك موارد وحدة المعالجة المركزية. يعتمد تأثير GC على الأداء على خوارزمية GC المحددة المستخدمة، وحجم الكومة، وتكرار دورات جمع البيانات المهملة. يحتاج المطورون إلى ضبط معلمات GC بعناية لتقليل عبء الأداء وضمان الأداء الأمثل للتطبيق. لخوارزميات GC المختلفة (مثل، التوليدية، العلامة والمسح) خصائص أداء مختلفة، ويعتمد اختيار الخوارزمية على متطلبات التطبيق المحددة.

2. السلوك الحتمي

جمع البيانات المهملة غير حتمي بطبيعته. توقيت دورات جمع البيانات المهملة لا يمكن التنبؤ به ويمكن أن يختلف اعتمادًا على عوامل مثل ضغط الذاكرة وحمل النظام. هذا يمكن أن يجعل من الصعب كتابة كود يتطلب توقيتًا دقيقًا أو سلوكًا حتميًا. في بعض الحالات، قد يحتاج المطورون إلى استخدام تقنيات مثل تجميع الكائنات أو إدارة الذاكرة اليدوية لتحقيق المستوى المطلوب من الحتمية. هذا مهم بشكل خاص في التطبيقات في الوقت الفعلي، مثل الألعاب أو المحاكاة، حيث يكون الأداء الذي يمكن التنبؤ به أمرًا بالغ الأهمية.

3. اعتبارات أمنية

بينما يوفر WebAssembly بيئة تنفيذ آمنة، فإن الأنواع المرجعية وتكامل GC يقدمان اعتبارات أمنية جديدة. من الأهمية بمكان التحقق بعناية من مراجع الكائنات وإجراء تأكيدات النوع لمنع الكود الخبيث من الوصول إلى الكائنات أو التلاعب بها بطرق غير متوقعة. تعتبر عمليات التدقيق الأمني ومراجعات الكود ضرورية لتحديد ومعالجة الثغرات الأمنية المحتملة. على سبيل المثال، يمكن لوحدة WebAssembly خبيثة أن تحاول الوصول إلى بيانات حساسة مخزنة في كائن جافاسكريبت إذا لم يتم إجراء فحص وتحقق مناسب للنوع.

4. دعم اللغات والأدوات

يعتمد تبني الأنواع المرجعية وتكامل GC على توفر دعم اللغات والأدوات. يجب تحديث المترجمات وسلاسل الأدوات لدعم ميزات WebAssembly الجديدة. يحتاج المطورون إلى الوصول إلى المكتبات والأطر التي توفر تجريدات عالية المستوى للعمل مع كائنات GC. يعد تطوير أدوات شاملة ودعم لغوي أمرًا ضروريًا للتبني الواسع لهذه الميزات. يحتاج مشروع LLVM، على سبيل المثال، إلى التحديث لاستهداف WebAssembly GC بشكل صحيح للغات مثل C++.

أمثلة عملية وحالات استخدام

فيما يلي بعض الأمثلة العملية وحالات الاستخدام للأنواع المرجعية في WebAssembly وتكامل GC:

1. تطبيقات الويب بواجهات مستخدم معقدة

يمكن استخدام WebAssembly لبناء تطبيقات ويب بواجهات مستخدم معقدة تتطلب أداءً عاليًا. تسمح الأنواع المرجعية لوحدات WebAssembly بالتعامل مباشرة مع عناصر DOM، مما يحسن استجابة وسلاسة واجهة المستخدم. على سبيل المثال، يمكن استخدام وحدة WebAssembly لتنفيذ مكون واجهة مستخدم مخصص يعرض رسومات معقدة أو يقوم بحسابات تخطيط مكثفة حسابيًا. هذا يسمح للمطورين ببناء تطبيقات ويب أكثر تطوراً وأداءً.

2. الألعاب والمحاكاة

يعد WebAssembly منصة ممتازة لتطوير الألعاب والمحاكاة. يبسط تكامل GC إدارة الذاكرة ويسمح للمطورين بالتركيز على منطق اللعبة بدلاً من تخصيص الذاكرة وإلغاء تخصيصها. يمكن أن يؤدي ذلك إلى دورات تطوير أسرع وأداء أفضل للعبة. تستكشف محركات الألعاب مثل Unity و Unreal Engine بنشاط WebAssembly كمنصة مستهدفة، وسيكون تكامل GC حاسمًا لجلب هذه المحركات إلى الويب.

3. تطبيقات جانب الخادم

لا يقتصر WebAssembly على متصفحات الويب. يمكن استخدامه أيضًا لبناء تطبيقات من جانب الخادم. يسمح تكامل GC للمطورين باستخدام لغات مثل Java و C# لبناء تطبيقات عالية الأداء من جانب الخادم تعمل على أوقات تشغيل WebAssembly. هذا يفتح إمكانيات جديدة لاستخدام WebAssembly في الحوسبة السحابية وبيئات أخرى من جانب الخادم. تستكشف Wasmtime وغيرها من أوقات تشغيل WebAssembly من جانب الخادم دعم GC بنشاط.

4. تطوير تطبيقات الهاتف المحمول عبر المنصات

يمكن استخدام WebAssembly لبناء تطبيقات محمولة عبر المنصات. من خلال تجميع الكود إلى WebAssembly، يمكن للمطورين إنشاء تطبيقات تعمل على كل من منصات iOS و Android. يبسط تكامل GC إدارة الذاكرة ويسمح للمطورين باستخدام لغات مثل C# و Kotlin لبناء تطبيقات محمولة تستهدف WebAssembly. تستكشف أطر العمل مثل .NET MAUI WebAssembly كهدف لبناء تطبيقات محمولة عبر المنصات.

مستقبل WebAssembly وGC

تمثل الأنواع المرجعية وتكامل GC في WebAssembly خطوة مهمة نحو جعل WebAssembly منصة عالمية حقيقية لتنفيذ الكود. مع نضج دعم اللغات والأدوات، يمكننا أن نتوقع رؤية اعتماد أوسع لهذه الميزات وعدد متزايد من التطبيقات المبنية على WebAssembly. مستقبل WebAssembly مشرق، وسيلعب تكامل GC دورًا رئيسيًا في نجاحه المستمر.

التطوير المستمر جارٍ. يواصل مجتمع WebAssembly تحسين مقترح GC، ومعالجة الحالات الهامشية وتحسين الأداء. قد تشمل الامتدادات المستقبلية دعمًا لميزات GC أكثر تقدمًا، مثل جمع البيانات المهملة المتزامن وجمع البيانات المهملة التوليدي. ستعزز هذه التطورات أداء وقدرات WebAssembly بشكل أكبر.

الخاتمة

تعد الأنواع المرجعية في WebAssembly، وخاصة مراجع الكائنات، وتكامل GC إضافات قوية لنظام WebAssembly البيئي. إنها تسد الفجوة بين Wasm وجافاسكريبت، وتبسط التطوير، وتعزز الأداء، وتمكّن من استخدام مجموعة أوسع من لغات البرمجة. في حين أن هناك تحديات يجب مراعاتها، فإن فوائد هذه الميزات لا يمكن إنكارها. مع استمرار تطور WebAssembly، ستلعب الأنواع المرجعية وتكامل GC دورًا متزايد الأهمية في تشكيل مستقبل تطوير الويب وما بعده. احتضن هذه القدرات الجديدة واستكشف الإمكانيات التي تفتحها لبناء تطبيقات مبتكرة وعالية الأداء.