WebAssembly Multi-Value ABI: Optimering af funktionsgrænseflader for ydeevne

WebAssembly (Wasm) er blevet en central teknologi for moderne web- og ikke-web-applikationer, der tilbyder næsten-native ydeevne, sikkerhed og portabilitet. Et centralt aspekt af WebAssemblys design er dets Application Binary Interface (ABI), som definerer, hvordan funktioner kaldes, og hvordan data udveksles. Introduktionen af multi-value ABI repræsenterer en betydelig udvikling, der gør det muligt for funktioner at returnere flere værdier direkte, hvilket fører til markante forbedringer i ydeevne og forenklet kodegenerering. Denne artikel giver en omfattende oversigt over WebAssembly multi-value ABI, dets fordele, anvendelsesmuligheder og indvirkning på det bredere økosystem.

Forståelse af WebAssembly ABI

WebAssembly ABI specificerer kaldkonventionerne for funktioner, herunder hvordan argumenter overføres, hvordan returværdier håndteres, og hvordan hukommelse administreres. Oprindeligt var WebAssembly-funktioner begrænset til at returnere en enkelt værdi. Denne begrænsning krævede ofte løsninger, såsom at returnere en pointer til en struktur, der indeholder flere værdier, eller at bruge outputparametre, der blev overført via reference. Disse tilgange medførte overhead på grund af hukommelsesallokering, indirektion og øget kompleksitet i kodegenereringen.

Begrænsningen ved en enkelt værdi

Før multi-value-forslaget kunne man forestille sig et scenarie, hvor en funktion skal returnere både et resultat og en fejlkode. I sprog som C eller C++ kunne dette håndteres ved at returnere en struktur:

            
struct Result {
  int value;
  int error_code;
};

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

            

              
                Copy
              
            
          

Når dette kompileres til WebAssembly, ville det oversættes til at allokere hukommelse til `Result`-strukturen inden for Wasms lineære hukommelse, udfylde felterne og returnere en pointer til denne hukommelsesplacering. Den kaldende funktion skulle derefter dereferere denne pointer for at få adgang til de individuelle værdier. Denne proces involverer ekstra hukommelsesoperationer og pointer-håndtering, hvilket øger eksekveringstiden og kodestørrelsen.

Multi-Value-revolutionen

Multi-value-forslaget fjerner denne begrænsning ved at tillade WebAssembly-funktioner at returnere flere værdier direkte. Dette eliminerer behovet for mellemliggende hukommelsesallokeringer og pointer-manipulationer, hvilket resulterer i mere effektiv kodegenerering og hurtigere eksekvering.

Fordele ved Multi-Value ABI

• Forbedret ydeevne: Ved at eliminere hukommelsesallokering og pointer-dereferencing reducerer multi-value ABI overhead, hvilket fører til hurtigere eksekveringstider, især for funktioner, der ofte returnerer flere værdier.
• Forenklet kodegenerering: Compilere kan direkte mappe flere returværdier til WebAssemblys multi-value-instruktioner, hvilket forenkler kodegenereringsprocessen og reducerer compilerens kompleksitet.
• Forbedret kodetydelighed: Funktioner med flere værdier gør koden lettere at læse og forstå, da hensigten med at returnere flere relaterede værdier er mere eksplicit.
• Forbedret interoperabilitet: Multi-value ABI letter problemfri interoperabilitet mellem WebAssembly-moduler og andre sprog, da det stemmer bedre overens med semantikken i sprog, der naturligt understøtter flere returværdier (f.eks. Go, Rust, Python).

Praktiske eksempler og anvendelsesmuligheder

Multi-value ABI er fordelagtig i en lang række applikationer. Lad os se på nogle praktiske eksempler:

1. Fejlhåndtering

Som tidligere nævnt er det et almindeligt mønster at returnere et resultat og en fejlkode. Med multi-value ABI kan dette udtrykkes direkte:

            
;; WebAssembly-funktion, der returnerer (resultat:i32, fejlkode:i32)
(func $my_function (result i32 i32)
  ;; ... beregning ...
  (i32.const 42)
  (i32.const 0)  ;; 0 indikerer succes
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

Dette undgår overhead ved at allokere en struktur og sende en pointer. Den kaldende funktion kan få direkte adgang til resultatet og fejlkoden:

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

            

              
                Copy
              
            
          

2. Komplekse datastrukturer og tupler

Funktioner, der skal returnere flere relaterede værdier, såsom koordinater (x, y, z) eller statistiske opsummeringer (gennemsnit, standardafvigelse), kan drage fordel af multi-value ABI. Overvej en funktion, der beregner en afgrænsningsboks for et sæt punkter:

            
;; WebAssembly-funktion, der returnerer (min_x:f64, min_y:f64, max_x:f64, max_y:f64)
(func $bounding_box (param $points i32) (result f64 f64 f64 f64)
  ;; ... beregning ...
  (f64.const 10.0)
  (f64.const 20.0)
  (f64.const 30.0)
  (f64.const 40.0)
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

Dette eliminerer behovet for at oprette en brugerdefineret struktur til at indeholde afgrænsningsboksens koordinater.

3. Optimering af compiler-output

Compilere kan udnytte multi-value ABI til at producere mere effektiv WebAssembly-kode. Overvej for eksempel en funktion, der udfører division og returnerer både kvotienten og resten. Sprog som C er ofte afhængige af compiler intrinsics eller biblioteksfunktioner til dette formål. Med multi-value ABI kan compileren direkte mappe kvotienten og resten til separate returværdier:

            
;; WebAssembly-funktion, der returnerer (kvotient:i32, rest:i32)
(func $div_rem (param $a i32) (param $b i32) (result i32 i32)
  (local $quotient i32)
  (local $remainder i32)
  ;; ... beregning af division og rest ...
  (i32.div_s (get_local $a) (get_local $b))
  (i32.rem_s (get_local $a) (get_local $b))
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

4. Spiludvikling og multimedier

Spiludvikling involverer ofte funktioner, der returnerer flere stykker information, såsom position, hastighed og acceleration af spilobjekter. Tilsvarende kan multimedieapplikationer kræve funktioner, der returnerer flere lyd- eller videoprøver. Multi-value ABI kan markant forbedre ydeevnen af disse funktioner.

For eksempel kan en funktion, der beregner skæringspunktet mellem en stråle og en trekant, returnere en boolsk værdi, der angiver, om en skæring fandt sted, sammen med skæringspunktets koordinater. At returnere disse værdier som separate enheder er mere effektivt end at pakke dem ind i en struktur.

Implementering og værktøjsunderstøttelse

Understøttelse af multi-value ABI er blevet integreret i de store WebAssembly-værktøjskæder og -runtimes, herunder:

• Compilere: LLVM, Emscripten, Binaryen og andre compilere er blevet opdateret til at understøtte generering af WebAssembly-kode, der udnytter multi-value ABI.
• Runtimes: Store webbrowsere (Chrome, Firefox, Safari, Edge) og selvstændige WebAssembly-runtimes (Wasmtime, Wasmer) understøtter multi-value ABI.
• Udviklingsværktøjer: Debuggere, disassemblere og andre udviklingsværktøjer er blevet opdateret til at håndtere funktioner med flere værdier.

For at drage fordel af multi-value ABI skal udviklere sikre sig, at deres værktøjskæde og runtime understøtter det. Dette indebærer typisk at bruge de nyeste versioner af compilere og runtimes og aktivere de relevante flag eller indstillinger.

Eksempel: Brug af Emscripten

Når du kompilerer C/C++-kode til WebAssembly med Emscripten, kan du aktivere multi-value ABI ved at sende flaget `-s SUPPORT_MULTIVALUE=1` til `emcc`-kommandoen:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Dette vil instruere Emscripten i at generere WebAssembly-kode, der udnytter multi-value ABI, når det er muligt. Bemærk, at den Javascript-limkode, der genereres af Emscripten, også skal opdateres for at håndtere returværdier med flere værdier. Normalt håndteres dette gennemsigtigt af den opdaterede Emscripten-værktøjskæde.

Overvejelser om ydeevne og benchmarking

Fordelene ved multi-value ABI's ydeevne kan variere afhængigt af den specifikke anvendelse og kodens karakteristika. Funktioner, der ofte returnerer flere værdier, vil sandsynligvis se de mest markante forbedringer. Det er afgørende at benchmarke kode med og uden multi-value ABI for at kvantificere de faktiske ydeevnegevinster.

Faktorer, der kan påvirke ydeevnen, omfatter:

• Frekvens af retur med flere værdier: Jo oftere en funktion returnerer flere værdier, desto større er den potentielle fordel.
• Størrelsen på returnerede værdier: At returnere store datastrukturer som flere værdier kan have andre ydeevnekarakteristika sammenlignet med at returnere skalære værdier.
• Compiler-optimering: Kvaliteten af compilerens kodegenerering kan have en betydelig indvirkning på ydeevnen.
• Runtime-implementering: Effektiviteten af WebAssembly-runtime'ens håndtering af flere værdier kan også påvirke ydeevnen.

Benchmarking bør udføres på realistiske arbejdsbelastninger og på tværs af forskellige WebAssembly-runtimes for at opnå en omfattende forståelse af ydeevneindvirkningen.

Eksempel: Sammenligning af ydeevne

Overvej en simpel funktion, der beregner summen og produktet af to tal:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Uden multi-value ville dette kræve, at man sender pointere til `sum` og `product`. Med multi-value kunne funktionen omskrives til at returnere summen og produktet direkte:

            
// C++ - Kræver passende compiler-flag for at returnere to værdier fra C++.
std::tuple<int, int> calculate(int a, int b) {
  return std::make_tuple(a + b, a * b);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Benchmarking af begge versioner vil sandsynligvis afsløre en ydeevneforbedring med multi-value-versionen, især hvis denne funktion kaldes ofte.

Udfordringer og overvejelser

Selvom multi-value ABI tilbyder betydelige fordele, er der nogle udfordringer og overvejelser, man skal være opmærksom på:

• Værktøjskædesupport: Sørg for, at din compiler, runtime og udviklingsværktøjer fuldt ud understøtter multi-value ABI.
• Javascript-interoperabilitet: Interaktion med WebAssembly-moduler fra JavaScript kræver omhyggelig håndtering af returværdier med flere værdier. JavaScript API'en skal opdateres for korrekt at kunne udtrække de flere værdier. Nyere versioner af WebAssembly-grænsefladetyper, eller "wit", er designet til at håndtere udfordringerne med interoperabilitet og typekonvertering.
• Kodeportabilitet: Selvom WebAssembly er designet til at være portabelt, kan opførslen af kode, der er afhængig af multi-value ABI, variere lidt på tværs af forskellige runtimes. Grundig testning anbefales.
• Debugging: Debugging af funktioner med flere værdier kan være mere komplekst end debugging af funktioner med en enkelt værdi. Sørg for, at din debugger understøtter inspektion af flere returværdier.

Fremtiden for WebAssembly ABI'er

Multi-value ABI repræsenterer et betydeligt skridt fremad i udviklingen af WebAssembly. Fremtidige udviklinger kan omfatte:

• Forbedret understøttelse af komplekse datatyper: Udvidelse af multi-value ABI til at understøtte mere komplekse datatyper, såsom structs og arrays, kunne yderligere forbedre ydeevnen og forenkle kodegenereringen.
• Standardiserede interoperabilitetsmekanismer: Udvikling af standardiserede mekanismer for interoperabilitet med WebAssembly-moduler fra andre sprog kunne reducere kompleksiteten i tværsproglig udvikling.
• Avancerede optimeringsteknikker: Udforskning af avancerede optimeringsteknikker, der udnytter multi-value ABI, kunne føre til endnu større ydeevnegevinster.

Konklusion

WebAssembly multi-value ABI er en kraftfuld funktion, der muliggør optimering af funktionsgrænseflader, hvilket fører til ydeevneforbedringer, forenklet kodegenerering og forbedret interoperabilitet. Ved at tillade funktioner at returnere flere værdier direkte, eliminerer det den overhead, der er forbundet med hukommelsesallokering og pointer-manipulation. Efterhånden som WebAssembly fortsætter med at udvikle sig, vil multi-value ABI spille en stadig vigtigere rolle i at muliggøre højtydende web- og ikke-web-applikationer. Udviklere opfordres til at udforske fordelene ved multi-value ABI og inkorporere det i deres WebAssembly-udviklingsworkflows.

Ved at udnytte multi-value ABI kan udviklere over hele verden skabe mere effektive, ydedygtige og vedligeholdelsesvenlige WebAssembly-applikationer, der flytter grænserne for, hvad der er muligt på nettet og videre.