WebAssembly Функции с множество стойности: Овладяване на множество върнати стойности за глобални разработчици

В бързо развиващия се пейзаж на уеб и системното програмиране, ефективността и изразителността са от първостепенно значение. WebAssembly (WASM) се появи като мощна компилационна цел, позволяваща на разработчиците да изпълняват код, написан на езици като C++, Rust, Go и AssemblyScript, с почти нативна скорост в браузъра и извън него. Едно от най-въздействащите скорошни допълнения към спецификацията на WebAssembly е поддръжката на функции с множество стойности. Тази функция, на пръв поглед фина, предлага значителен скок напред в начина, по който можем да обработваме множество върнати стойности, рационализирайки кода и подобрявайки производителността в разнообразна глобална общност от разработчици.

Предизвикателството на множество върнати стойности в традиционното програмиране

Преди да се потопим в решението на WebAssembly, нека разгледаме общите подходи за връщане на множество стойности от функция в традиционните програмни парадигми. Разработчиците често се сблъскват със сценарии, в които една функция трябва да съобщи няколко части от информация обратно на извикващия. Без директна поддръжка за множество връщания, общите заобиколни решения включват:

• Връщане на структура или обект: Това е чист и идиоматичен подход в много езици. Извикващият получава една композитна структура от данни, съдържаща всички върнати стойности. Въпреки че е стабилен, понякога може да въведе допълнителни разходи поради разпределение на паметта и копиране, особено за по-големи структури или в критични за производителността цикли.
• Използване на изходни параметри (показалки/препратки): В езици като C или C++, функциите често модифицират променливи, предадени по препратка или показалка. Това може да бъде ефективно, но може да доведе и до по-малко четлив код, тъй като намерението не винаги е веднага ясно от подписа на функцията. Освен това усложнява концепцията за непроменливост.
• Опаковане на стойности в един тип данни: За прости случаи разработчиците могат да опаковат множество булеви флагове или малки цели числа в по-голям цялочислен тип, използвайки битови операции. Това е много ефективно, но жертва четливостта и е възможно само за много ограничени данни.
• Връщане на кортеж или масив: Подобно на структурите, но често по-малко строго типизирани. Това може да бъде удобно, но може да изисква преобразуване на типове или внимателно индексиране от извикващия.

Тези методи, макар и функционални, често идват с компромиси по отношение на яснотата, производителността или и двете. За глобална аудитория, където кодът може да се поддържа от екипи с разнообразен езиков произход, последователността и лекотата на разбиране са от решаващо значение. Липсата на универсално ефективен и ясен механизъм за множество връщания е постоянна, макар и често незначителна, точка на триене.

Представяне на WebAssembly функции с множество стойности

Функцията за множество стойности на WebAssembly директно отговаря на това предизвикателство. Тя позволява на функция на WebAssembly да връща множество стойности едновременно без необходимост от междинни структури от данни или изходни параметри. Това се постига чрез дефиниране на подписи на функции, които изброяват директно множество типове връщане.

Разгледайте сигнатура на функция в текстовия формат на WebAssembly (WAT), която връща две цели числа:

            (func (result i32 i64) ...)
            

              
                Copy
              
            
          

Това означава, че функцията ще даде i32, последвано от i64. Когато тази функция е извикана от JavaScript или друга хост среда, тя може да върне и двете стойности директно, често като кортеж или масив, в зависимост от слоя за свързване на хост средата.

Ползи за глобални разработчици

Последиците от функциите с множество стойности са широкообхватни, особено за глобална аудитория:

• Подобрена четимост и изразителност: Кодът става по-интуитивен. Сигнатурата на функция ясно декларира всички свои изходи, намалявайки когнитивното натоварване за разработчиците, които се опитват да разберат нейното поведение. Това е безценно за международни екипи, където комуникацията и разбирането са от решаващо значение.
• Подобрена производителност: Чрез елиминиране на допълнителните разходи, свързани със създаването и предаването на временни структури от данни (като структури или масиви) за върнати стойности, функциите с множество стойности могат да доведат до значителни печалби в производителността. Това е особено полезно в приложения, чувствителни към производителността, игри, симулации и задачи за обработка на данни, които са често срещани в различни глобални индустрии.
• Опростена оперативна съвместимост: Въпреки че точното представяне на множество върнати стойности в хост средата (напр. JavaScript) може да варира (често като масив или кортеж), основната функция на WebAssembly опростява генерирането на тези данни. Веригите от инструменти за езици, насочени към WASM, могат да използват това нативно, което води до по-ефективни и идиоматични връзки.
• По-чисто генериране на код: Компилаторите за езици като Rust, Go и C++ могат да генерират по-директен и ефективен WASM код, когато функцията трябва да върне множество стойности. Вместо сложни ръчни трансформации, те могат да картографират езикови конструкции директно към възможностите на WASM за множество стойности.
• Намалена сложност в дизайна на алгоритми: Някои алгоритми естествено произвеждат множество независими резултати. Функциите с множество стойности правят изпълнението на тези алгоритми в WASM по-лесно и по-малко податливо на грешки.

Практически примери в различни езици

Нека илюстрираме как могат да се използват функции с множество стойности с примери от популярни езици, които се компилират в WebAssembly.

1. Rust

Rust има отлична поддръжка за кортежи, които се картографират много естествено към типа връщане на множество стойности на WebAssembly.

            #[no_mangle]
pub extern "C" fn calculate_stats(a: i32, b: i32) -> (i32, i32, i32) {
    let sum = a + b;
    let difference = a - b;
    let product = a * b;
    (sum, difference, product)
}

            

              
                Copy
              
            
          

Когато този Rust код се компилира в WebAssembly, функцията calculate_stats ще бъде експортирана със сигнатура, която може да върне три i32 стойности. JavaScript извикващ може да ги получи като масив:

            // Assuming 'wasmInstance.exports.calculate_stats' is available
const result = wasmInstance.exports.calculate_stats(10, 5);
// result might be [15, 5, 50]
console.log(`Sum: ${result[0]}, Difference: ${result[1]}, Product: ${result[2]}`);

            

              
                Copy
              
            
          

Това избягва необходимостта Rust да създава временна структура само за да върне тези стойности на WASM модула.

2. Go

Go също поддържа нативно множество върнати стойности, което прави интегрирането му с функцията за множество стойности на WebAssembly безпроблемно.

            
package main

import "fmt"

//export process_data
func process_data(input int) (int, int, error) {
	if input < 0 {
		return 0, 0, fmt.Errorf("input cannot be negative")
	}
	return input * 2, input / 2, nil
}

func main() {
	// This main function is typically not exported directly to WASM for host interaction
}

            

              
                Copy
              
            
          

Функцията process_data връща цяло число, друго цяло число и грешка. Когато се компилира в WASM, веригата от инструменти на Go може да използва WASM multi-value, за да представи тези три върнати стойности. Хост средата вероятно ще ги получи, потенциално като масив, където последният елемент може да бъде обект на грешка или стойност-пазач, указваща успех/неуспех.

3. C/C++ (чрез Emscripten/LLVM)

Въпреки че C и C++ сами по себе си нямат директен синтаксис за връщане на множество стойности като Rust или Go, компилатори като Clang (чрез Emscripten или директни WASM цели) могат да преведат функции, връщащи множество стойности, в ефективен WASM. Това често включва компилатора вътрешно да използва техники, които се възползват от възможностите на WASM за множество стойности, дори ако C/C++ изходният код изглежда, че използва изходни параметри или връща структура.

Например, C функция, която има за цел да върне множество стойности, може да бъде структурирана концептуално по следния начин:

            
// Conceptually, though actual C would use output parameters
typedef struct {
    int first;
    long second;
} MultiResult;

// A function designed to return multiple values (e.g., using a struct)
// The compiler targeting WASM with multi-value support can optimize this.
MultiResult complex_calculation(int input) {
    MultiResult res;
    res.first = input * 2;
    res.second = (long)input * input;
    return res;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Съвременният WASM компилатор може да анализира това и, ако целта поддържа множество стойности, потенциално да генерира WASM, който връща две стойности (i32 и i64) директно, вместо да създава и връща структура в стека. Тази оптимизация се задвижва от основната WASM способност.

4. AssemblyScript

AssemblyScript, език, подобен на TypeScript, за WebAssembly, също осигурява поддръжка за връщане на множество стойности, често отразявайки възможностите на JavaScript за връщане, подобни на кортежи.

            
export function get_coordinates(): [f64, f64] {
    let x: f64 = Math.random() * 100.0;
    let y: f64 = Math.random() * 100.0;
    return [x, y];
}

            

              
                Copy
              
            
          

Тази AssemblyScript функция връща кортеж от две f64 стойности. Когато се компилира, той ще се картографира към WASM сигнатура на функция, връщаща две f64. JavaScript хостът ще получи това като масив `[x_value, y_value]`.

Технически съображения и подробности за изпълнението

Спецификацията на WebAssembly дефинира функциите с множество стойности като част от предложението Функция и Контролен поток. Важно е да се отбележи, че точното представяне на множество върнати стойности в хост езика (като JavaScript) се управлява от слоя за свързване или специфичната верига от инструменти, използвана за взаимодействие с WASM модула. Обикновено:

• JavaScript: Когато се извиква WASM функция с множество върнати стойности, JavaScript често ги получава като масив. Например, WASM функция, връщаща (i32, i64), може да бъде извикана и JavaScript извикващият получава масив като [intValue, longValue].
• Езикови връзки: За езици като Python, Ruby или Node.js, специфичните библиотеки или рамки, използвани за зареждане и взаимодействие с WebAssembly модули, ще диктуват как тези множество върнати стойности се представят на разработчика.

Поддръжка на компилатори

Широкото приемане на функциите с множество стойности разчита на стабилна поддръжка на компилатори. Основните компилатори, насочени към WASM, и техните вериги от инструменти са актуализирани, за да използват тази функция:

• LLVM: Основният двигател зад много WASM компилатори (включително Clang, Rustc и други) е актуализиран, за да поддържа инструкции за множество стойности.
• Rustc: Както се вижда в примера, езиковите функции на Rust се картографират добре и компилаторът генерира ефективен WASM.
• Go toolchain: Вградената поддръжка на Go за множество върнати стойности се превежда директно.
• AssemblyScript: Проектиран с WASM в ума, той предлага директна поддръжка.

Разработчиците трябва да се уверят, че използват скорошни версии на съответните си вериги от инструменти, за да се възползват напълно от тази функция.

Потенциални клопки и най-добри практики

Въпреки че е мощна, е разумно да се обмислят най-добрите практики при внедряване на функции с множество стойности:

• Избягвайте прекомерната употреба: Функциите с множество стойности са отлични за връщане на малък, сплотен набор от резултати, които са логически обвързани. Ако една функция трябва да върне много различни стойности, това може да показва необходимост от преструктуриране на логиката или преразглеждане на отговорността на функцията. Връщането на 2-3 стойности обикновено е идеално.
• Яснота в именуването: Уверете се, че името на функцията ясно съобщава какво прави тя. Сигнатурата, комбинирана с описателно име, трябва да направи целта и изходите очевидни.
• Обработка на хост средата: Бъдете наясно с това как избраната от вас хост среда (напр. браузър JavaScript, Node.js и т.н.) представя множество върнати стойности. Последователното боравене във вашия проект или екип е от ключово значение.
• Обработка на грешки: Ако една от върнатите стойности е предназначена да сигнализира за грешка, уверете се, че се използва последователен модел, независимо дали връщате изричен тип грешка (както в Go) или конкретна стойност, указваща неуспех.
• Версии на веригата от инструменти: Винаги използвайте актуални компилатори и WASM среди за изпълнение, за да осигурите съвместимост и предимства на производителността.

Глобалното въздействие на WebAssembly подобренията

Непрекъснатото развитие на WebAssembly, белязано от функции като функции с множество стойности, е от решаващо значение за глобалното му приемане. Тъй като WASM се движи отвъд браузъра в области като безсървърни изчисления, гранични функции и системи за приставки, стандартизираните, ефективни и изразителни функции стават още по-критични.

• Намалено триене за оперативна съвместимост на езици: За компании и проекти с отворен код, които използват многоезичен подход, WASM действа като обща основа. Функциите с множество стойности опростяват интерфейса между модули, написани на различни езици, което прави интеграцията по-гладка. Това е значително предимство за глобалните екипи за разработка.
• Демократизиране на високопроизводителните изчисления: Чрез осигуряване на почти нативна производителност за езици, които преди това бяха трудни за ефективно внедряване в мрежата или в различни среди, WASM намалява бариерата за навлизане за сложни приложения. Функциите с множество стойности допринасят за това чрез оптимизиране на общите модели на кодиране.
• Защита на приложенията за бъдещето: С узряването на WASM, приложенията, създадени с тези функции, ще бъдат в по-добра позиция да използват бъдещи оптимизации и нови възможности на WASM средата за изпълнение.

Заключение

Функцията за множество стойности на WebAssembly е повече от просто технически детайл; тя е фактор за по-чист, по-производителен и по-изразителен код. За глобална общност от разработчици тя опростява общите задачи за програмиране, намалява режийните разходи и подобрява четливостта на кода. Чрез директна поддръжка на връщането на множество стойности, WASM се доближава до естествената изразителност на езиците от високо ниво, като същевременно запазва своите предимства в производителността и преносимостта.

Докато интегрирате WebAssembly във вашите проекти, помислете как можете да използвате функции с множество стойности, за да рационализирате кодовата си база и да увеличите производителността. Тази функция, комбинирана с текущите иновации в екосистемата на WebAssembly, затвърждава позицията си като крайъгълен камък на технологията за бъдещето на разработката на софтуер в световен мащаб.