WebAssembly Multi-Value ABI: Оптимизиране на интерфейси на функции за по-добра производителност

WebAssembly (Wasm) се утвърди като ключова технология за съвременни уеб и не-уеб приложения, предлагайки производителност, близка до нативната, сигурност и преносимост. Ключов аспект от дизайна на WebAssembly е неговият Application Binary Interface (ABI), който определя как се извикват функции и как се обменят данни. Въвеждането на multi-value ABI представлява значителна еволюция, позволявайки на функциите да връщат директно множество стойности, което води до забележими подобрения в производителността и опростено генериране на код. Тази статия предоставя подробен преглед на WebAssembly multi-value ABI, неговите предимства, случаи на употреба и влияние върху цялостната екосистема.

Разбиране на WebAssembly ABI

WebAssembly ABI специфицира конвенциите за извикване на функции, включително как се подават аргументи, как се обработват върнатите стойности и как се управлява паметта. Първоначално функциите в WebAssembly бяха ограничени до връщането на една-единствена стойност. Това ограничение често налагаше заобиколни решения, като връщане на указател към структура, съдържаща множество стойности, или използване на изходни параметри, подадени по референция. Тези подходи въвеждаха допълнителни разходи поради алокация на памет, индирекция и повишена сложност при генерирането на код.

Ограничението до една стойност

Преди предложението за multi-value, да разгледаме сценарий, в който функция трябва да върне както резултат, така и код за грешка. В езици като C или C++ това може да се реализира чрез връщане на структура:

            
struct Result {
  int value;
  int error_code;
};

struct Result my_function() {
  // ... computation ...
  struct Result result;
  result.value = ...;
  result.error_code = ...;
  return result;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Когато се компилира до WebAssembly, това би се превело в алокиране на памет за структурата `Result` в линейната памет на Wasm, попълване на полетата и връщане на указател към това място в паметта. След това извикващата функция ще трябва да дереференцира този указател, за да получи достъп до отделните стойности. Този процес включва допълнителни операции с паметта и управление на указатели, което увеличава времето за изпълнение и размера на кода.

Революцията на множеството стойности (Multi-Value)

Предложението за multi-value премахва това ограничение, като позволява на функциите в WebAssembly директно да връщат множество стойности. Това елиминира нуждата от междинни алокации на памет и манипулации с указатели, което води до по-ефективно генериране на код и по-бързо изпълнение.

Предимства на Multi-Value ABI

• Подобрена производителност: Чрез елиминиране на алокацията на памет и дереференцирането на указатели, multi-value ABI намалява допълнителните разходи, което води до по-бързо време за изпълнение, особено за функции, които често връщат множество стойности.
• Опростено генериране на код: Компилаторите могат директно да съпоставят множество върнати стойности с multi-value инструкциите на WebAssembly, което опростява процеса на генериране на код и намалява сложността на компилатора.
• Подобрена четимост на кода: Функциите, връщащи множество стойности, правят кода по-лесен за четене и разбиране, тъй като намерението за връщане на няколко свързани стойности е по-ясно изразено.
• Подобрена оперативна съвместимост: Multi-value ABI улеснява безпроблемната оперативна съвместимост между WebAssembly модули и други езици, тъй като се доближава повече до семантиката на езици, които нативно поддържат връщане на множество стойности (напр. Go, Rust, Python).

Практически примери и случаи на употреба

Multi-value ABI е полезен в широк спектър от приложения. Нека разгледаме някои практически примери:

1. Обработка на грешки

Както споменахме по-рано, връщането на резултат и код за грешка е често срещан модел. С multi-value ABI това може да се изрази директно:

            
;; WebAssembly function returning (result:i32, error_code:i32)
(func $my_function (result i32 i32)
  ;; ... computation ...
  (i32.const 42)
  (i32.const 0)  ;; 0 indicates success
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

Това избягва разходите за алокиране на структура и подаване на указател. Извикващата функция може директно да достъпи резултата и кода за грешка:

            
(func $caller
  (local $result i32)
  (local $error_code i32)
  (call $my_function)
  (local.set $result (result 0))
  (local.set $error_code (result 1))
  ;; ... use $result and $error_code ...
)

            

              
                Copy
              
            
          

2. Сложни структури от данни и кортежи (Tuples)

Функции, които трябва да върнат множество свързани стойности, като координати (x, y, z) или статистически обобщения (средна стойност, стандартно отклонение), могат да се възползват от multi-value ABI. Да разгледаме функция, която изчислява ограничителната кутия (bounding box) на набор от точки:

            
;; WebAssembly function returning (min_x:f64, min_y:f64, max_x:f64, max_y:f64)
(func $bounding_box (param $points i32) (result f64 f64 f64 f64)
  ;; ... computation ...
  (f64.const 10.0)
  (f64.const 20.0)
  (f64.const 30.0)
  (f64.const 40.0)
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

Това елиминира нуждата от създаване на персонализирана структура, която да съдържа координатите на ограничителната кутия.

3. Оптимизиране на изхода от компилатора

Компилаторите могат да използват multi-value ABI, за да произвеждат по-ефективен WebAssembly код. Например, да разгледаме функция, която извършва деление и връща както частното, така и остатъка. Езици като C често разчитат на вградени функции на компилатора (compiler intrinsics) или библиотечни функции за тази цел. С multi-value ABI компилаторът може директно да съпостави частното и остатъка на отделни върнати стойности:

            
;; WebAssembly function returning (quotient:i32, remainder:i32)
(func $div_rem (param $a i32) (param $b i32) (result i32 i32)
  (local $quotient i32)
  (local $remainder i32)
  ;; ... division and remainder calculation ...
  (i32.div_s (get_local $a) (get_local $b))
  (i32.rem_s (get_local $a) (get_local $b))
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

4. Разработка на игри и мултимедия

Разработката на игри често включва функции, които връщат множество данни, като позиция, скорост и ускорение на игрови обекти. По подобен начин мултимедийните приложения може да изискват функции, които връщат множество аудио или видео семпли. Multi-value ABI може значително да подобри производителността на тези функции.

Например, функция, която изчислява пресечната точка на лъч и триъгълник, може да върне булева стойност, указваща дали е настъпило пресичане, заедно с координатите на пресечната точка. Връщането на тези стойности като отделни единици е по-ефективно от пакетирането им в структура.

Имплементация и поддръжка от инструменти

Поддръжката за multi-value ABI е интегрирана в основните инструменти и среди за изпълнение (runtimes) на WebAssembly, включително:

• Компилатори: LLVM, Emscripten, Binaryen и други компилатори са актуализирани, за да поддържат генериране на WebAssembly код, който използва multi-value ABI.
• Среди за изпълнение (Runtimes): Основните уеб браузъри (Chrome, Firefox, Safari, Edge) и самостоятелните WebAssembly среди за изпълнение (Wasmtime, Wasmer) поддържат multi-value ABI.
• Инструменти за разработка: Дибъгери, дизасемблери и други инструменти за разработка са актуализирани, за да работят с функции, връщащи множество стойности.

За да се възползват от multi-value ABI, разработчиците трябва да се уверят, че техните инструменти и среда за изпълнение го поддържат. Това обикновено включва използването на най-новите версии на компилатори и среди за изпълнение и активиране на съответните флагове или настройки.

Пример: Използване на Emscripten

Когато компилирате C/C++ код до WebAssembly с Emscripten, можете да активирате multi-value ABI, като подадете флага `-s SUPPORT_MULTIVALUE=1` на командата `emcc`:

            
emcc -s SUPPORT_MULTIVALUE=1 my_code.c -o my_module.js

            

              
                Copy
              
            
          

Това ще инструктира Emscripten да генерира WebAssembly код, който използва multi-value ABI, когато е възможно. Имайте предвид, че Javascript "лепилото" (glue code), генерирано от Emscripten, също ще трябва да бъде актуализирано, за да обработва връщането на множество стойности. Обикновено това се обработва прозрачно от актуализирания набор инструменти на Emscripten.

Съображения за производителност и бенчмаркинг

Ползите за производителността от multi-value ABI могат да варират в зависимост от конкретния случай на употреба и характеристиките на кода. Функции, които често връщат множество стойности, е най-вероятно да видят най-значителни подобрения. От решаващо значение е да се направи бенчмарк на кода със и без multi-value ABI, за да се измери реалното увеличение на производителността.

Фактори, които могат да повлияят на производителността, включват:

• Честота на връщане на множество стойности: Колкото по-често една функция връща множество стойности, толкова по-голяма е потенциалната полза.
• Размер на върнатите стойности: Връщането на големи структури от данни като множество стойности може да има различни характеристики на производителност в сравнение с връщането на скаларни стойности.
• Оптимизация на компилатора: Качеството на генерирания от компилатора код може значително да повлияе на производителността.
• Имплементация на средата за изпълнение: Ефективността, с която средата за изпълнение на WebAssembly обработва множеството стойности, също може да повлияе на производителността.

Бенчмаркингът трябва да се извършва с реалистични натоварвания и в различни среди за изпълнение на WebAssembly, за да се получи цялостно разбиране за влиянието върху производителността.

Пример: Сравнение на производителността

Да разгледаме проста функция, която изчислява сумата и произведението на две числа:

            
int calculate(int a, int b, int *sum, int *product) {
  *sum = a + b;
  *product = a * b;
  return 0; // Success
}

            

              
                Copy
              
            
          

Без multi-value, това би изисквало подаване на указатели към `sum` и `product`. С multi-value, функцията може да бъде пренаписана, за да връща директно сумата и произведението:

            
// C++ - Needs appropriate compiler flags to return two values from C++.
std::tuple<int, int> calculate(int a, int b) {
  return std::make_tuple(a + b, a * b);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Бенчмаркингът на двете версии вероятно ще покаже подобрение в производителността при версията с multi-value, особено ако тази функция се извиква често.

Предизвикателства и съображения

Въпреки че multi-value ABI предлага значителни предимства, има някои предизвикателства и съображения, които трябва да се имат предвид:

• Поддръжка от инструментите: Уверете се, че вашият компилатор, среда за изпълнение и инструменти за разработка напълно поддържат multi-value ABI.
• Оперативна съвместимост с JavaScript: Взаимодействието с WebAssembly модули от JavaScript изисква внимателно боравене с върнатите множество стойности. JavaScript API трябва да бъде актуализиран, за да може правилно да извлече множеството стойности. По-новите версии на типовете интерфейси на WebAssembly, или "wit", са предназначени да се справят с предизвикателствата на оперативната съвместимост и преобразуването на типове.
• Преносимост на кода: Въпреки че WebAssembly е проектиран да бъде преносим, поведението на кода, който разчита на multi-value ABI, може леко да варира в различните среди за изпълнение. Препоръчва се щателно тестване.
• Дибъгване: Дибъгването на функции, връщащи множество стойности, може да бъде по-сложно от дибъгването на функции с една върната стойност. Уверете се, че вашият дибъгер поддържа инспектиране на множество върнати стойности.

Бъдещето на WebAssembly ABI

Multi-value ABI представлява значителна стъпка напред в еволюцията на WebAssembly. Бъдещите разработки може да включват:

• Подобрена поддръжка за сложни типове данни: Разширяването на multi-value ABI за поддръжка на по-сложни типове данни, като структури и масиви, би могло допълнително да подобри производителността и да опрости генерирането на код.
• Стандартизирани механизми за оперативна съвместимост: Разработването на стандартизирани механизми за взаимодействие с WebAssembly модули от други езици би могло да намали сложността на междуезиковата разработка.
• Напреднали техники за оптимизация: Изследването на напреднали техники за оптимизация, които използват multi-value ABI, би могло да доведе до още по-големи ползи за производителността.

Заключение

WebAssembly multi-value ABI е мощна функционалност, която позволява оптимизация на интерфейса на функциите, водеща до подобрения в производителността, опростено генериране на код и подобрена оперативна съвместимост. Като позволява на функциите директно да връщат множество стойности, той елиминира допълнителните разходи, свързани с алокацията на памет и манипулирането на указатели. С непрекъснатото развитие на WebAssembly, multi-value ABI ще играе все по-важна роля за създаването на високопроизводителни уеб и не-уеб приложения. Разработчиците се насърчават да изследват предимствата на multi-value ABI и да го включат в своите работни процеси за разработка с WebAssembly.

Използвайки multi-value ABI, разработчиците по целия свят могат да създават по-ефективни, производителни и лесни за поддръжка WebAssembly приложения, разширявайки границите на възможното в уеб и извън него.