Оптимизация на връщане на множество стойности в WebAssembly: Подобряване на интерфейса на функциите

WebAssembly (Wasm) бързо се превърна в ключова технология за модерния уеб и отвъд. Способността му да изпълнява код ефективно на различни платформи отвори нови възможности за разработчиците по целия свят. Един от ключовите аспекти на развитието на Wasm е оптимизацията на интерфейсите на функциите, а значителен напредък в тази област е функцията за връщане на множество стойности. Тази публикация в блога ще се задълбочи в тази функция, изследвайки нейното въздействие и ползи за разработчиците по целия свят, с акцент върху създаването на по-ефективни и производителни приложения.

Разбиране на WebAssembly и неговата роля

WebAssembly е двоичен формат на инструкции, предназначен за виртуална машина, базирана на стек. Той е предназначен като преносима цел за компилиране, позволявайки разполагането му в уеб и други среди. Wasm има за цел да осигури бърза, ефективна и безопасна среда за изпълнение, работеща близо до родните скорости. Това го прави идеален за широк спектър от приложения, от интерактивни уеб приложения до програми на сървърната страна и дори вградени системи. Широкото му приемане подчертава неговата адаптивност и ефективност.

Основните принципи на проектиране на Wasm включват:

• Преносимост: Стартирайте на различни платформи и браузъри.
• Ефективност: Осигурете производителност близка до нативния код.
• Сигурност: Безопасна и защитена среда за изпълнение.
• Отворени стандарти: Поддържан от общност с непрекъснато развитие.

Значението на интерфейсите на функциите в Wasm

Интерфейсите на функциите са порталите, които позволяват на различните части на една програма да взаимодействат. Те дефинират как данните се прехвърлят във и извън функциите, което е от решаващо значение за ефективността и дизайна на програмата. В контекста на Wasm, интерфейсът на функцията е от решаващо значение поради прякото му въздействие върху цялостната производителност. Оптимизирането на тези интерфейси е основна цел за подобряване на производителността, позволявайки по-ефективен поток от данни и в крайна сметка по-отзивчиво приложение.

Помислете за традиционните ограничения: Преди връщането на множество стойности, функциите в Wasm обикновено връщаха една стойност. Ако една функция трябваше да върне няколко стойности, програмистите бяха принудени да използват заобиколни решения, като:

• Връщане на структура или обект: Това включва създаване на сложна структура от данни за задържане на няколко връщани стойности, което изисква операции по заделяне, копиране и освобождаване, добавяйки режийни разходи.
• Използване на параметри извън: Предаване на променливи указатели към функции за промяна на данните, предадени като параметри. Това може да усложни сигнатурата на функцията и да въведе потенциални проблеми с управлението на паметта.

Връщане на множество стойности: промяна на играта

Функцията за връщане на множество стойности в Wasm революционизира интерфейсите на функциите. Тя позволява на функция Wasm да връща множество стойности директно, без да прибягва до заобиколни решения. Това значително подобрява ефективността и производителността на модулите Wasm, особено когато трябва да се върнат множество стойности като част от изчисление. Той отразява поведението на нативния код, където множество стойности се връщат ефективно чрез регистри.

Как работи: С връщането на множество стойности, средата за изпълнение на Wasm може директно да върне множество стойности, често използвайки регистри или по-ефективен механизъм, базиран на стек. Това избягва режийните разходи, свързани със създаването и управлението на сложни структури от данни или използването на променливи указатели.

Ползи:

• Подобрена производителност: Намалени операции по заделяне и освобождаване на памет, което води до по-бързо изпълнение.
• Опростен код: По-чисти сигнатури на функции и намалена сложност.
• По-добра оперативна съвместимост: Опростява интегрирането със средите на хоста, тъй като могат да се предават няколко стойности без необходимост от сложни операции по маршалинг.
• Оптимизирана поддръжка на компилатора: Компилатори като Emscripten и други могат по-ефективно да генерират оптимизиран код за сценарии за връщане на множество стойности.

Дълбоко гмуркане: Технически аспекти и изпълнение

Изпълнение на ниво Wasm: Двоичният формат на Wasm и дизайнът на виртуалната машина включват специфични функции за поддръжка на връщане на множество стойности. Структурата на сигнатурите на типа на функцията в секцията с типа на модула позволява дефинирането на множество типове на връщане. Това позволява на интерпретатора или компилатора на Wasm ефективно да управлява директно връщаните стойности, без необходимост от по-рано описаните заобиколни решения.

Поддръжка на компилатора: Компилаторите като Emscripten (за компилиране на C/C++ към Wasm), Rust (чрез неговата Wasm цел) и AssemblyScript (език, подобен на TypeScript, който се компилира към Wasm) са интегрирали поддръжка за връщане на множество стойности. Тези компилатори автоматично превеждат езиковите конструкции в оптимизираните Wasm инструкции.

Пример: C/C++ с Emscripten

Помислете за C/C++ функция за изчисляване на сумата и разликата на две числа:

            
#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
              
            
          

Когато се компилира с Emscripten (използвайки подходящите флагове за активиране на поддръжката за връщане на множество стойности), компилаторът ще оптимизира кода, за да използва механизма за връщане на множество стойности, което води до по-ефективен код на Wasm.

Практически примери и глобално приложение

Връщането на множество стойности е особено полезно в сценарии, при които трябва да се върнат множество свързани стойности. Помислете за тези примери:

• Обработка на изображения: Функции, които връщат както обработените данни за изображението, така и метаданни (напр. ширина, височина и формат на изображението). Това е особено ценно при създаването на високоефективни уеб-базирани инструменти за редактиране на изображения.
• Разработка на игри: Изчисления, включващи физически двигатели, като например връщане на новата позиция и скоростта на обект от играта след сблъсък. Тази оптимизация е ключова за плавна и отзивчива игра на платформи по целия свят.
• Научни изчисления: Числени алгоритми, които връщат множество резултати, като например резултата от факторно разлагане на матрица или изхода от статистически анализ. Това подобрява производителността в приложения, използвани от изследователи в световен мащаб.
• Анализиране: Библиотеки, които анализират формати на данни, често трябва да връщат анализираната стойност заедно с индикация за успеха или неуспеха на анализирането. Това засяга разработчиците на всички континенти.
• Финансово моделиране: Изчисляване на настоящата стойност, бъдещата стойност и вътрешната норма на възвръщаемост едновременно във финансовите модели, използвани от професионалисти във финансови центрове като Лондон, Ню Йорк и Токио.

Пример: Обработка на изображения с Rust и Wasm

Да речем, че функцията на Rust трябва да извърши прост филтър на изображението и да върне новите данни за изображението и неговите размери. С връщането на множество стойности това може да се обработи ефективно:

            
// 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
              
            
          

В този пример функцията `apply_grayscale` приема данни за изображението и размери като вход. След това обработва изображението, преобразува го в сиво и директно връща обработените данни, ширина и височина, като по този начин избягва необходимостта от отделни заделяния или структури. Тази подобрена производителност е забележима от страна на клиента (браузърите) и от страна на сървъра (ако се използва за уеб сървъри, обслужващи съдържание на изображения).

Бенчмаркинг на производителността и въздействие в реалния свят

Ползите от връщането на множество стойности се определят най-добре чрез бенчмаркове. Подобренията на производителността зависят от приложението, но тестовете обикновено показват следните тенденции:

• Намалени заделяния на памет: По-малко извиквания на `malloc` или подобни заделящи паметта.
• По-бързо време за изпълнение: Значителни ускорения във функциите, където се връщат множество стойности.
• Подобрена отзивчивост: Потребителските интерфейси, които се възползват от по-бързите изчисления, ще се чувстват по-бързи.

Техники за бенчмаркинг:

• Стандартни инструменти за бенчмаркинг: Използвайте инструменти като `wasm-bench` или персонализирани пакети за бенчмаркинг за измерване на времето за изпълнение.
• Сравняване на реализации: Сравнете производителността на кода, използвайки връщане на множество стойности, с кода, който разчита на връщане на структури или използване на параметри извън.
• Сценарии от реалния свят: Тествайте приложението в реалистични сценарии на използване, за да получите пълното въздействие от оптимизациите.

Примери от реалния свят: Компании като Google, Mozilla и други са забелязали значителни подобрения в своите уеб приложения, като са използвали връщане на множество стойности в Wasm. Тези подобрения в производителността водят до по-добро потребителско изживяване, особено за потребители в райони с по-бавни интернет връзки.

Предизвикателства и бъдещи тенденции

Въпреки че връщането на множество стойности предлага значителни подобрения, все още има области за подобрение и бъдещо развитие:

• Поддръжка на компилатора: Подобряване на оптимизацията на компилатора и генериране на код за връщане на множество стойности във всички езици, които компилират към Wasm.
• Инструменти за отстраняване на грешки: Подобряване на инструментите за отстраняване на грешки, за да се поддържа по-добре код за връщане на множество стойности. Това включва отстраняване на грешки в изхода и способността за лесно инспектиране на върнатите стойности.
• Стандартизация и приемане: Текуща работа за стандартизиране и пълно прилагане на връщане на множество стойности в различни среди за изпълнение на Wasm и браузъри, за да се гарантира съвместимост във всички среди в световен мащаб.

Бъдещи тенденции:

• Интеграция с други функции на Wasm: Интегрирането на връщане на множество стойности с други функции за подобряване на производителността на Wasm, като SIMD инструкции, може да предложи още по-голяма ефективност.
• Системен интерфейс на WebAssembly (WASI): Пълна поддръжка за връщане на множество стойности в екосистемата на WASI за улесняване на приложенията от страна на сървъра.
• Напредък на инструментите: Разработване на по-добри инструменти, като по-сложни инструменти за отстраняване на грешки и профилиране, за да помогнат на разработчиците ефективно да използват и отстраняват проблеми с код за връщане на множество стойности.

Заключение: Подобряване на интерфейсите на функциите за глобална аудитория

Функцията за връщане на множество стойности на WebAssembly е критична стъпка в подобряването на производителността и ефективността на уеб приложенията. Като позволява на функциите директно да връщат множество стойности, разработчиците могат да пишат по-чист, по-оптимизиран код, който се изпълнява по-бързо. Ползите включват намалено заделяне на памет, подобрена скорост на изпълнение и опростен код. Това е особено полезно за глобална аудитория, тъй като подобрява отзивчивостта и производителността на уеб приложенията на устройства и мрежи по целия свят.

С непрекъснатия напредък в поддръжката на компилатора, стандартизацията и интеграцията с други функции на Wasm, връщането на множество стойности ще продължи да играе централна роля в развитието на Wasm. Разработчиците трябва да приемат тази функция, тъй като тя осигурява път към създаването на по-бързи и по-ефективни приложения, които осигуряват по-добро потребителско изживяване за глобална аудитория.

Чрез разбирането и приемането на връщане на множество стойности, разработчиците могат да отключат нови нива на производителност за своите приложения WebAssembly, което води до по-добри потребителски изживявания в целия свят.

Тази технология се приема в целия свят, на места като:

• Северна Америка, където компании като Google и Microsoft са силно инвестирани.
• Европа, като Европейският съюз подкрепя инициативи, използващи Wasm.
• Азия, отбелязваща бързо приемане в Китай, Индия и Япония, както за уеб, така и за мобилни приложения.
• Южна Америка, където има нарастващ брой разработчици, които приемат Wasm.
• Африка, където Wasm навлиза в разработката, ориентирана към мобилни устройства.
• Океания, с Австралия и Нова Зеландия, активно участващи в общността на Wasm.

Това глобално приемане показва важността на WebAssembly, особено неговата способност да осигурява висока производителност на различни устройства и мрежи.