WebAssembly Multi-Value-Funktionsaufrufkonvention: Die Optimierung der Parameterübergabe freischalten

In der sich schnell entwickelnden Landschaft der Webentwicklung und darüber hinaus hat sich WebAssembly (Wasm) als eine Eckpfeiler-Technologie etabliert. Sein Versprechen von nahezu nativer Leistung, sicherer Ausführung und universeller Portabilität hat Entwickler weltweit fasziniert. Während Wasm seine Reise der Standardisierung und Adaption fortsetzt, erweitern entscheidende Vorschläge seine Fähigkeiten und bringen es näher an die Erfüllung seines vollen Potenzials. Eine solch zentrale Verbesserung ist der Multi-Value-Vorschlag, der grundlegend neu definiert, wie Funktionen mehrere Werte zurückgeben und annehmen können, was zu signifikanten Optimierungen bei der Parameterübergabe führt.

Dieser umfassende Leitfaden befasst sich mit der WebAssembly Multi-Value-Funktionsaufrufkonvention und untersucht ihre technischen Grundlagen, die tiefgreifenden Leistungsvorteile, die sie mit sich bringt, ihre praktischen Anwendungen und die strategischen Vorteile, die sie Entwicklern auf der ganzen Welt bietet. Wir werden die „Vorher“- und „Nachher“-Szenarien vergleichen, die Ineffizienzen früherer Umgehungslösungen aufzeigen und die elegante Lösung feiern, die Multi-Value bietet.

Die Grundlagen von WebAssembly: Ein kurzer Überblick

Bevor wir uns eingehend mit Multi-Value befassen, wollen wir kurz die Grundprinzipien von WebAssembly wiederholen. Wasm ist ein Low-Level-Bytecode-Format, das für hochleistungsfähige Anwendungen im Web und in verschiedenen anderen Umgebungen entwickelt wurde. Es arbeitet als stackbasierte virtuelle Maschine, was bedeutet, dass Anweisungen Werte auf einem Operanden-Stack manipulieren. Seine Hauptziele sind:

• Geschwindigkeit: Nahezu native Ausführungsleistung.
• Sicherheit: Eine Sandbox-Ausführungsumgebung.
• Portabilität: Läuft konsistent auf verschiedenen Plattformen und Architekturen.
• Kompaktheit: Kleine Binärgrößen für schnelleres Laden.

Wasm's grundlegende Datentypen umfassen Ganzzahlen (i32, i64) und Gleitkommazahlen (f32, f64). Funktionen werden mit spezifischen Parameter- und Rückgabetypen deklariert. Traditionell konnte eine Wasm-Funktion nur einen einzigen Wert zurückgeben – eine Designentscheidung, die zwar die anfängliche Spezifikation vereinfachte, aber Komplexität für Sprachen einführte, die von Natur aus mehrere Rückgabewerte behandeln.

Verständnis von Funktionsaufrufkonventionen in Wasm (vor Multi-Value)

Eine Funktionsaufrufkonvention definiert, wie Argumente an eine Funktion übergeben und wie Rückgabewerte empfangen werden. Es ist eine entscheidende Vereinbarung zwischen dem Aufrufer und dem Aufgerufenen, die sicherstellt, dass sie verstehen, wo Parameter zu finden und Ergebnisse zu platzieren sind. In den frühen Tagen von WebAssembly war die Aufrufkonvention einfach, aber begrenzt:

• Parameter werden vom Aufrufer auf den Operanden-Stack gelegt.
• Der Funktionskörper entnimmt diese Parameter vom Stack.
• Nach Abschluss legt die Funktion, falls sie einen Rückgabetyp hat, ein einzelnes Ergebnis auf den Stack.

Diese Beschränkung auf einen einzigen Rückgabewert stellte eine erhebliche Herausforderung für Quellsprachen wie Rust, Go oder Python dar, die es häufig erlauben, dass Funktionen mehrere Werte zurückgeben (z. B. (Wert, Fehler)-Paare oder mehrere Koordinaten (x, y, z)). Um diese Lücke zu schließen, mussten Entwickler und Compiler auf verschiedene Umgehungslösungen zurückgreifen, von denen jede ihre eigenen Overheads und Komplexitäten mit sich brachte.

Die Kosten der Umgehungslösungen für einzelne Rückgabewerte:

Vor dem Multi-Value-Vorschlag erforderte die Rückgabe mehrerer logischer Werte aus einer Wasm-Funktion eine der folgenden Strategien:

1. Heap-Allokation und Zeigerübergabe:

Die gebräuchlichste Umgehungslösung bestand darin, einen Speicherblock (z. B. eine Struktur oder ein Tupel) im linearen Speicher des Wasm-Moduls zuzuweisen, diesen mit den gewünschten mehreren Werten zu füllen und dann einen einzelnen Zeiger (eine i32- oder i64-Adresse) auf diesen Speicherort zurückzugeben. Der Aufrufer musste dann diesen Zeiger dereferenzieren, um auf die einzelnen Werte zuzugreifen.

• Overhead: Dieser Ansatz verursacht erheblichen Overhead durch Speicherzuweisung (z. B. durch die Verwendung von malloc-ähnlichen Funktionen innerhalb von Wasm), Speicherfreigabe (free) und die Cache-Strafen, die mit dem Zugriff auf Daten über Zeiger anstatt direkt vom Stack oder aus Registern verbunden sind.
• Komplexität: Die Verwaltung der Speicherlebensdauer wird komplizierter. Wer ist für die Freigabe des zugewiesenen Speichers verantwortlich? Der Aufrufer oder der Aufgerufene? Dies kann zu Speicherlecks oder Use-after-free-Fehlern führen, wenn es nicht sorgfältig gehandhabt wird.
• Leistungsauswirkungen: Speicherzuweisung ist eine teure Operation. Sie umfasst die Suche nach verfügbaren Blöcken, die Aktualisierung interner Datenstrukturen und potenziell die Fragmentierung des Speichers. Bei häufig aufgerufenen Funktionen kann diese wiederholte Zuweisung und Freigabe die Leistung erheblich beeinträchtigen.

2. Globale Variablen:

Ein anderer, weniger ratsamer Ansatz bestand darin, die mehreren Rückgabewerte in globale Variablen zu schreiben, die innerhalb des Wasm-Moduls sichtbar sind. Die Funktion würde dann einen einfachen Statuscode zurückgeben, und der Aufrufer würde die Ergebnisse aus den globalen Variablen lesen.

• Overhead: Obwohl die Heap-Allokation vermieden wird, führt dieser Ansatz zu Herausforderungen bei der Wiedereintrittsfähigkeit und Threadsicherheit (obwohl sich Wasm's Threading-Modell noch entwickelt, gilt das Prinzip).
• Begrenzter Geltungsbereich: Globale Variablen eignen sich aufgrund ihrer modulweiten Sichtbarkeit nicht für allgemeine Funktionsrückgaben, was den Code schwerer verständlich und wartbar macht.
• Nebenwirkungen: Die Abhängigkeit von globalem Zustand für Funktionsrückgaben verschleiert die wahre Schnittstelle der Funktion und kann zu unerwarteten Nebenwirkungen führen.

3. Kodierung in einen einzelnen Wert:

In sehr spezifischen, begrenzten Szenarien konnten mehrere kleine Werte in einen einzelnen größeren Wasm-Primitivtyp gepackt werden. Beispielsweise konnten zwei i16-Werte mithilfe von bitweisen Operationen in einen einzelnen i32 gepackt und dann vom Aufrufer wieder entpackt werden.

• Begrenzte Anwendbarkeit: Dies ist nur für kleine, kompatible Typen machbar und skaliert nicht.
• Komplexität: Erfordert zusätzliche Pack- und Entpackanweisungen, was die Anzahl der Anweisungen und das Fehlerpotenzial erhöht.
• Lesbarkeit: Macht den Code weniger klar und schwerer zu debuggen.

Diese Umgehungslösungen, obwohl funktional, untergruben Wasm's Versprechen von hoher Leistung und eleganten Kompilierungszielen. Sie führten unnötige Anweisungen ein, erhöhten den Speicherdruck und erschwerten die Aufgabe des Compilers, effizienten Wasm-Bytecode aus Hochsprachen zu generieren.

Die Evolution von WebAssembly: Einführung von Multi-Value

In Anerkennung der durch die Konvention der einzelnen Rückgabewerte auferlegten Beschränkungen entwickelte und standardisierte die WebAssembly-Community aktiv den Multi-Value-Vorschlag. Dieser Vorschlag, der jetzt ein stabiles Merkmal der Wasm-Spezifikation ist, ermöglicht es Funktionen, eine beliebige Anzahl von Parametern und Rückgabewerten direkt auf dem Operanden-Stack zu deklarieren und zu handhaben. Es ist eine grundlegende Verschiebung, die Wasm den Fähigkeiten moderner Programmiersprachen und Host-CPU-Architekturen näherbringt.

Das Kernkonzept ist elegant: Anstatt darauf beschränkt zu sein, einen Rückgabewert auf den Stack zu legen, kann eine Wasm-Funktion mehrere Werte auf den Stack legen. Ebenso kann sie beim Aufruf einer Funktion mehrere Werte vom Stack als Argumente konsumieren und dann mehrere Werte zurückerhalten, alles direkt auf dem Stack ohne zwischengeschaltete Speicheroperationen.

Betrachten Sie eine Funktion in einer Sprache wie Rust oder Go, die ein Tupel zurückgibt:

            // Rust-Beispiel
fn calculate_coordinates() -> (i32, i32) {
    (10, 20)
}

// Go-Beispiel
func calculateCoordinates() (int32, int32) {
    return 10, 20
}
            

              
                Copy
              
            
          

Vor Multi-Value hätte die Kompilierung einer solchen Funktion in Wasm die Erstellung einer temporären Struktur, das Schreiben von 10 und 20 hinein und die Rückgabe eines Zeigers auf diese Struktur bedeutet. Mit Multi-Value kann die Wasm-Funktion ihren Rückgabetyp direkt als (i32, i32) deklarieren und sowohl 10 als auch 20 auf den Stack legen, was die Semantik der Quellsprache exakt widerspiegelt.

Die Multi-Value-Aufrufkonvention: Ein tiefer Einblick in die Optimierung der Parameterübergabe

Die Einführung des Multi-Value-Vorschlags revolutioniert die Funktionsaufrufkonvention in WebAssembly und führt zu mehreren entscheidenden Optimierungen bei der Parameterübergabe. Diese Optimierungen führen direkt zu schnellerer Ausführung, reduziertem Ressourcenverbrauch und vereinfachtem Compiler-Design.

Wichtige Optimierungsvorteile:

1. Beseitigung redundanter Speicherzuweisung und -freigabe:

Dies ist wohl der bedeutendste Leistungsgewinn. Wie bereits erwähnt, erforderte die Rückgabe mehrerer logischer Werte vor Multi-Value typischerweise eine dynamische Speicherzuweisung für eine temporäre Datenstruktur (z. B. ein Tupel oder eine Struktur), um diese Werte aufzunehmen. Jeder Zuweisungs- und Freigabezyklus ist teuer und umfasst:

• Systemaufrufe/Laufzeitlogik: Interaktion mit dem Speichermanager der Wasm-Laufzeitumgebung, um einen verfügbaren Block zu finden.
• Metadaten-Management: Aktualisierung interner Datenstrukturen, die vom Speicherzuweiser verwendet werden.
• Cache-Misses: Der Zugriff auf neu zugewiesenen Speicher kann zu Cache-Misses führen, was die CPU zwingt, Daten aus dem langsameren Hauptspeicher abzurufen.

Mit Multi-Value werden Parameter direkt auf dem Wasm-Operanden-Stack übergeben und zurückgegeben. Der Stack ist ein hochoptimierter Speicherbereich, der sich oft ganz oder teilweise in den schnellsten Caches der CPU (L1, L2) befindet. Stack-Operationen (Push, Pop) sind auf modernen CPUs typischerweise Einzelbefehlsoperationen, was sie unglaublich schnell und vorhersagbar macht. Indem Heap-Allokationen für zwischengeschaltete Rückgabewerte vermieden werden, reduziert Multi-Value die Ausführungszeit drastisch, insbesondere für Funktionen, die häufig in leistungskritischen Schleifen aufgerufen werden.

2. Reduzierte Anzahl von Anweisungen und vereinfachte Codegenerierung:

Compiler, die auf Wasm abzielen, müssen keine komplexen Befehlssequenzen mehr für das Verpacken und Entpacken mehrerer Rückgabewerte generieren. Anstelle von beispielsweise:

            (local.get $value1)
(local.get $value2)
(call $malloc_for_tuple_of_two_i32s)
(local.set $ptr_to_tuple)
(local.get $ptr_to_tuple)
(local.get $value1)
(i32.store 0)
(local.get $ptr_to_tuple)
(local.get $value2)
(i32.store 4)
(local.get $ptr_to_tuple)
(return)
            

              
                Copy
              
            
          

Kann das Multi-Value-Äquivalent viel einfacher sein:

            (local.get $value1)
(local.get $value2)
(return) ;; Gibt beide Werte direkt zurück
            

              
                Copy
              
            
          

Diese Reduzierung der Anweisungsanzahl bedeutet:

• Kleinere Binärgröße: Weniger generierter Code trägt zu kleineren Wasm-Modulen bei, was zu schnelleren Downloads und Parsing führt.
• Schnellere Ausführung: Weniger Anweisungen pro Funktionsaufruf auszuführen.
• Einfachere Compiler-Entwicklung: Compiler können Hochsprachenkonstrukte (wie die Rückgabe von Tupeln) direkter und effizienter auf Wasm abbilden, was die Komplexität der internen Darstellung und der Codegenerierungsphasen des Compilers reduziert.

3. Verbesserte Registerzuweisung und CPU-Effizienz (auf nativer Ebene):

Obwohl Wasm selbst eine Stack-Maschine ist, kompilieren die zugrunde liegenden Wasm-Laufzeitumgebungen (wie V8, SpiderMonkey, Wasmtime, Wasmer) Wasm-Bytecode in nativen Maschinencode für die Host-CPU. Wenn eine Funktion mehrere Werte auf dem Wasm-Stack zurückgibt, kann der native Codegenerator dies oft optimieren, indem er diese Rückgabewerte direkt auf CPU-Register abbildet. Moderne CPUs haben mehrere Allzweckregister, auf die wesentlich schneller zugegriffen werden kann als auf den Speicher.

• Ohne Multi-Value wird ein Zeiger auf den Speicher zurückgegeben. Der native Code müsste dann Werte aus dem Speicher in Register laden, was Latenz verursacht.
• Mit Multi-Value kann die native Funktion, wenn die Anzahl der Rückgabewerte klein ist und in die verfügbaren CPU-Register passt, die Ergebnisse einfach direkt in die Register legen und so den Speicherzugriff für diese Werte vollständig umgehen. Dies ist eine tiefgreifende Optimierung, die speicherbedingte Verzögerungen eliminiert und die Cache-Nutzung verbessert.

4. Verbesserte Leistung und Klarheit der Foreign Function Interface (FFI):

Wenn WebAssembly-Module mit JavaScript (oder anderen Host-Umgebungen) interagieren, vereinfacht der Multi-Value-Vorschlag die Schnittstelle. JavaScripts WebAssembly.Instance.exports stellt nun direkt Funktionen bereit, die mehrere Werte zurückgeben können, oft als Arrays oder spezialisierte Objekte in JavaScript dargestellt. Dies reduziert die Notwendigkeit des manuellen Marshallings/Unmarshallings von Daten zwischen dem linearen Speicher von Wasm und JavaScript-Werten, was zu Folgendem führt:

• Schnellere Interoperabilität: Weniger Datenkopien und -transformationen zwischen dem Host und Wasm.
• Sauberere APIs: Wasm-Funktionen können natürlichere und ausdrucksstärkere Schnittstellen zu JavaScript bereitstellen, die besser mit der Art und Weise übereinstimmen, wie moderne JavaScript-Funktionen mehrere Datenstücke zurückgeben (z. B. Array-Destrukturierung).

5. Bessere semantische Ausrichtung und Ausdruckskraft:

Die Multi-Value-Funktion ermöglicht es Wasm, die Semantik vieler Quellsprachen besser widerzuspiegeln. Dies bedeutet weniger semantische Lücken zwischen den Konzepten der Hochsprache (wie Tupel, mehrere Rückgabewerte) und ihrer Wasm-Darstellung. Dies führt zu:

• Idiomatischerer Code: Compiler können Wasm generieren, das eine direktere Übersetzung des Quellcodes ist, was das Debuggen und Verstehen des kompilierten Wasm für fortgeschrittene Benutzer erleichtert.
• Gesteigerte Entwicklerproduktivität: Entwickler können Code in ihrer bevorzugten Sprache schreiben, ohne sich über künstliche Wasm-Beschränkungen Sorgen machen zu müssen, die sie in umständliche Umgehungslösungen zwingen.

Praktische Auswirkungen und vielfältige Anwendungsfälle

Die Multi-Value-Funktionsaufrufkonvention hat eine breite Palette praktischer Auswirkungen in verschiedenen Bereichen und macht WebAssembly zu einem noch leistungsfähigeren Werkzeug für globale Entwickler:

• Wissenschaftliches Rechnen und Datenverarbeitung:
  • Mathematische Funktionen, die (Wert, Fehlercode) oder (Realteil, Imaginärteil) zurückgeben.
  • Vektoroperationen, die (x, y, z)-Koordinaten oder (Betrag, Richtung) zurückgeben.
  • Statistische Analysefunktionen, die (Mittelwert, Standardabweichung, Varianz) zurückgeben.
• Bild- und Videoverarbeitung:
  • Funktionen, die Bildabmessungen extrahieren und (Breite, Höhe) zurückgeben.
  • Farbkonvertierungsfunktionen, die (Rot, Grün, Blau, Alpha)-Komponenten zurückgeben.
  • Bildbearbeitungsoperationen, die (neue_Breite, neue_Höhe, Statuscode) zurückgeben.
• Kryptographie und Sicherheit:
  • Schlüsselgenerierungsfunktionen, die (öffentlicher_Schlüssel, privater_Schlüssel) zurückgeben.
  • Verschlüsselungsroutinen, die (Chiffretext, Initialisierungsvektor) oder (verschlüsselte_Daten, Authentifizierungs-Tag) zurückgeben.
  • Hashing-Algorithmen, die (Hash-Wert, Salt) zurückgeben.
• Spieleentwicklung:
  • Physik-Engine-Funktionen, die (Position_x, Position_y, Geschwindigkeit_x, Geschwindigkeit_y) zurückgeben.
  • Kollisionserkennungsroutinen, die (Trefferstatus, Aufprallpunkt_x, Aufprallpunkt_y) zurückgeben.
  • Ressourcenverwaltungsfunktionen, die (Ressourcen_ID, Statuscode, verbleibende_Kapazität) zurückgeben.
• Finanzanwendungen:
  • Zinsberechnung, die (Kapital, Zinsbetrag, Gesamtsumme) zurückgibt.
  • Währungsumrechnung, die (umgerechneter_Betrag, Wechselkurs, Gebühren) zurückgibt.
  • Portfolio-Analysefunktionen, die (Nettoinventarwert, Gesamtrendite, Volatilität) zurückgeben.
• Parser und Lexer:
  • Funktionen, die ein Token aus einem String parsen und (Token-Wert, verbleibender_String-Slice) zurückgeben.
  • Syntaxanalysefunktionen, die (AST-Knoten, nächste_Parse-Position) zurückgeben.
• Fehlerbehandlung:
  • Jede Operation, die fehlschlagen kann und (Ergebnis, Fehlercode) oder (Wert, boolesches_Erfolgsflag) zurückgibt. Dies ist ein häufiges Muster in Go und Rust, das jetzt effizient in Wasm übersetzt wird.

Diese Beispiele verdeutlichen, wie Multi-Value die Schnittstelle von Wasm-Modulen vereinfacht, wodurch sie natürlicher zu schreiben, effizienter auszuführen und einfacher in komplexe Systeme zu integrieren sind. Es entfernt eine Abstraktions- und Kostenschicht, die zuvor die Einführung von Wasm für bestimmte Arten von Berechnungen behinderte.

Vor Multi-Value: Die Umgehungslösungen und ihre versteckten Kosten

Um die durch Multi-Value erzielte Optimierung vollständig zu würdigen, ist es wichtig, die detaillierten Kosten der früheren Umgehungslösungen zu verstehen. Dies sind nicht nur geringfügige Unannehmlichkeiten; sie stellen grundlegende architektonische Kompromisse dar, die die Leistung und die Entwicklererfahrung beeinträchtigten.

1. Heap-Allokation (Tupel/Strukturen) erneut betrachtet:

Wenn eine Wasm-Funktion mehr als einen skalaren Wert zurückgeben musste, war die übliche Strategie:

1. Der Aufrufer weist einen Bereich im linearen Speicher von Wasm als „Rückgabepuffer“ zu.
2. Ein Zeiger auf diesen Puffer wird als Argument an die Funktion übergeben.
3. Die Funktion schreibt ihre mehreren Ergebnisse in diesen Speicherbereich.
4. Die Funktion gibt einen Statuscode oder einen Zeiger auf den nun gefüllten Puffer zurück.

Alternativ könnte die Funktion selbst Speicher zuweisen, ihn füllen und einen Zeiger auf den neu zugewiesenen Bereich zurückgeben. Beide Szenarien beinhalten:

• `malloc`/`free`-Overhead: Selbst in einer einfachen Wasm-Laufzeitumgebung sind `malloc` und `free` keine kostenlosen Operationen. Sie erfordern die Pflege einer Liste freier Speicherblöcke, die Suche nach geeigneten Größen und die Aktualisierung von Zeigern. Dies verbraucht CPU-Zyklen.
• Cache-Ineffizienz: Heap-zugewiesener Speicher kann über den physischen Speicher fragmentiert sein, was zu einer schlechten Cache-Lokalität führt. Wenn die CPU auf einen Wert aus dem Heap zugreift, kann es zu einem Cache-Miss kommen, der sie zwingt, Daten aus dem langsameren Hauptspeicher abzurufen. Stack-Operationen profitieren hingegen oft von einer ausgezeichneten Cache-Lokalität, da der Stack vorhersagbar wächst und schrumpft.
• Zeiger-Indirektion: Der Zugriff auf Werte über einen Zeiger erfordert einen zusätzlichen Speicherlesevorgang (zuerst, um den Zeiger zu erhalten, dann, um den Wert zu erhalten). Obwohl scheinbar geringfügig, summiert sich dies in leistungskritischem Code.
• Druck auf die Garbage Collection (in Hosts mit GC): Wenn das Wasm-Modul in eine Host-Umgebung mit einem Garbage Collector (wie JavaScript) integriert ist, kann die Verwaltung dieser auf dem Heap zugewiesenen Objekte den Druck auf den Garbage Collector erhöhen, was potenziell zu Pausen führen kann.
• Code-Komplexität: Compiler mussten Code für das Zuweisen, Schreiben und Lesen aus dem Speicher generieren, was erheblich komplexer ist als das einfache Ablegen und Abrufen von Werten von einem Stack.

2. Globale Variablen:

Die Verwendung globaler Variablen zur Rückgabe von Ergebnissen hat mehrere schwerwiegende Einschränkungen:

• Fehlende Wiedereintrittsfähigkeit: Wenn eine Funktion, die globale Variablen für Ergebnisse verwendet, rekursiv oder nebenläufig (in einer Multithreading-Umgebung) aufgerufen wird, werden ihre Ergebnisse überschrieben, was zu fehlerhaftem Verhalten führt.
• Erhöhte Kopplung: Funktionen werden durch gemeinsamen globalen Zustand eng miteinander gekoppelt, was Module schwerer zu testen, zu debuggen und unabhängig zu refaktorisieren macht.
• Reduzierte Optimierungen: Compiler haben oft Schwierigkeiten, Code zu optimieren, der stark auf globalem Zustand beruht, da Änderungen an globalen Variablen weitreichende, nicht-lokale Auswirkungen haben können, die schwer zu verfolgen sind.

3. Kodierung in einen einzelnen Wert:

Obwohl konzeptionell einfach für sehr spezifische Fälle, versagt diese Methode bei allem, was über triviales Datenpacking hinausgeht:

• Begrenzte Typkompatibilität: Funktioniert nur, wenn mehrere kleinere Werte genau in einen größeren primitiven Typ passen (z. B. zwei i16 in einen i32).
• Kosten von bitweisen Operationen: Das Packen und Entpacken erfordern bitweise Verschiebungs- und Maskierungsoperationen, die zwar schnell sind, aber im Vergleich zur direkten Stack-Manipulation die Anzahl der Anweisungen und die Komplexität erhöhen.
• Wartbarkeit: Solche gepackten Strukturen sind weniger lesbar und anfälliger für Fehler, wenn die Kodierungs-/Dekodierungslogik zwischen Aufrufer und Aufgerufenem nicht perfekt übereinstimmt.

Im Wesentlichen zwangen diese Umgehungslösungen Compiler und Entwickler dazu, Code zu schreiben, der entweder aufgrund von Speicher-Overheads langsamer oder aufgrund von Zustandsverwaltungsproblemen komplexer und weniger robust war. Multi-Value behebt diese grundlegenden Probleme direkt und ermöglicht es Wasm, effizienter und natürlicher zu arbeiten.

Der technische tiefe Einblick: Wie Multi-Value implementiert ist

Der Multi-Value-Vorschlag führte Änderungen am Kern der WebAssembly-Spezifikation ein, die sich auf ihr Typsystem und ihren Befehlssatz auswirkten. Diese Änderungen ermöglichen die nahtlose Handhabung mehrerer Werte auf dem Stack.

1. Verbesserungen des Typsystems:

Die WebAssembly-Spezifikation erlaubt es nun, dass Funktionstypen mehrere Rückgabewerte deklarieren. Eine Funktionssignatur ist nicht mehr auf (params) -> (result) beschränkt, sondern kann (params) -> (result1, result2, ..., resultN) sein. Ebenso können Eingabeparameter auch als eine Sequenz von Typen ausgedrückt werden.

Beispielsweise könnte ein Funktionstyp als [i32, i32] -> [i64, i32] deklariert werden, was bedeutet, dass er zwei 32-Bit-Ganzzahlen als Eingabe nimmt und eine 64-Bit-Ganzzahl und eine 32-Bit-Ganzzahl zurückgibt.

2. Stack-Manipulation:

Der Wasm-Operanden-Stack ist dafür ausgelegt. Wenn eine Funktion mit mehreren Rückgabewerten abgeschlossen ist, legt sie alle ihre deklarierten Rückgabewerte der Reihe nach auf den Stack. Die aufrufende Funktion kann diese Werte dann sequenziell konsumieren. Zum Beispiel führt eine call-Anweisung, gefolgt von einer Multi-Value-Funktion, dazu, dass mehrere Elemente auf dem Stack vorhanden sind, die für nachfolgende Anweisungen bereitstehen.

            ;; Beispiel-Wasm-Pseudocode für eine Multi-Value-Funktion
(func (export "get_pair") (result i32 i32)
  (i32.const 10)  ;; Ersten Ergebnis ablegen
  (i32.const 20)  ;; Zweiten Ergebnis ablegen
)

;; Aufrufer-Wasm-Pseudocode
(call "get_pair") ;; Legt 10, dann 20 auf den Stack
(local.set $y)    ;; Pop 20 in die lokale Variable $y
(local.set $x)    ;; Pop 10 in die lokale Variable $x
;; Jetzt ist $x = 10, $y = 20
            

              
                Copy
              
            
          

Diese direkte Stack-Manipulation ist der Kern der Optimierung. Sie vermeidet zwischengeschaltete Speicher-Schreib- und -Lesevorgänge und nutzt direkt die Geschwindigkeit der Stack-Operationen der CPU.

3. Compiler- und Tooling-Unterstützung:

Damit Multi-Value wirklich effektiv ist, müssen Compiler, die auf WebAssembly abzielen (wie LLVM, Rustc, Go-Compiler usw.), und Wasm-Laufzeitumgebungen es unterstützen. Moderne Versionen dieser Tools haben den Multi-Value-Vorschlag übernommen. Das bedeutet, dass, wenn Sie eine Funktion in Rust schreiben, die ein Tupel (i32, i32) zurückgibt, oder in Go, die (int, error) zurückgibt, der Compiler jetzt Wasm-Bytecode generieren kann, der die Multi-Value-Aufrufkonvention direkt nutzt, was zu den besprochenen Optimierungen führt.

Diese breite Tooling-Unterstützung hat die Funktion nahtlos für Entwickler verfügbar gemacht, oft ohne dass sie explizit etwas konfigurieren müssen, außer aktuelle Toolchains zu verwenden.

4. Interaktion mit der Host-Umgebung:

Host-Umgebungen, insbesondere Webbrowser, haben ihre JavaScript-APIs aktualisiert, um Multi-Value-Wasm-Funktionen korrekt zu handhaben. Wenn ein JavaScript-Host eine Wasm-Funktion aufruft, die mehrere Werte zurückgibt, werden diese Werte typischerweise in einem JavaScript-Array zurückgegeben. Zum Beispiel:

            // JavaScript-Host-Code
const { instance } = await WebAssembly.instantiate(wasmBytes, {});
const results = instance.exports.get_pair(); // Angenommen, get_pair ist eine Wasm-Funktion, die (i32, i32) zurückgibt
console.log(results[0], results[1]); // z. B. 10 20
            

              
                Copy
              
            
          

Diese saubere und direkte Integration minimiert den Overhead an der Host-Wasm-Grenze weiter und trägt zur Gesamtleistung und Benutzerfreundlichkeit bei.

Reale Leistungssteigerungen und Benchmarks (Illustrative Beispiele)

Obwohl präzise globale Benchmarks stark von der spezifischen Hardware, der Wasm-Laufzeitumgebung und der Arbeitslast abhängen, können wir die konzeptionellen Leistungssteigerungen veranschaulichen. Betrachten Sie ein Szenario, in dem eine Finanzanwendung Millionen von Berechnungen durchführt, von denen jede eine Funktion erfordert, die sowohl einen berechneten Wert als auch einen Statuscode zurückgibt (z. B. (Betrag, Status_enum)).

Szenario 1: Vor Multi-Value (Heap-Allokation)

Eine nach Wasm kompilierte C-Funktion könnte so aussehen:

            // C-Pseudocode vor Multi-Value
typedef struct { int amount; int status; } CalculationResult;
CalculationResult* calculate_financial_data(int input) {
    CalculationResult* result = (CalculationResult*)malloc(sizeof(CalculationResult));
    if (result) {
        result->amount = input * 2;
        result->status = 0; // Erfolg
    } else {
        // Fehler bei der Zuweisung behandeln
    }
    return result;
}

// Der Aufrufer würde dies aufrufen, dann auf result->amount und result->status zugreifen
// und kritischerweise schließlich free(result) aufrufen
            

              
                Copy
              
            
          

Jeder Aufruf von calculate_financial_data würde Folgendes beinhalten:

• Einen Aufruf von malloc (oder einem ähnlichen Zuweisungsprimitiv).
• Das Schreiben von zwei Ganzzahlen in den Speicher (potenziell Cache-Misses).
• Die Rückgabe eines Zeigers.
• Der Aufrufer liest aus dem Speicher (weitere Cache-Misses).
• Einen Aufruf von free (oder einem ähnlichen Freigabeprimitiv).

Wenn diese Funktion beispielsweise 10 Millionen Mal in einer Simulation aufgerufen wird, wären die kumulativen Kosten für Speicherzuweisung, -freigabe und indirekten Speicherzugriff erheblich und könnten je nach Effizienz des Speicherzuweisers und der CPU-Architektur Hunderte von Millisekunden oder sogar Sekunden zur Ausführungszeit hinzufügen.

Szenario 2: Mit Multi-Value

Eine nach Wasm kompilierte Rust-Funktion, die Multi-Value nutzt, wäre viel sauberer:

            // Rust-Pseudocode mit Multi-Value (Rust-Tupel werden zu Multi-Value-Wasm kompiliert)
#[no_mangle]
pub extern "C" fn calculate_financial_data(input: i32) -> (i32, i32) {
    let amount = input * 2;
    let status = 0; // Erfolg
    (amount, status)
}

// Der Aufrufer würde dies aufrufen und (amount, status) direkt auf dem Wasm-Stack erhalten.
            

              
                Copy
              
            
          

Jeder Aufruf von calculate_financial_data beinhaltet jetzt:

• Das Ablegen von zwei Ganzzahlen auf dem Wasm-Operanden-Stack.
• Der Aufrufer holt diese beiden Ganzzahlen direkt vom Stack.

Der Unterschied ist tiefgreifend: Der Overhead für die Speicherzuweisung und -freigabe wird vollständig eliminiert. Die direkte Stack-Manipulation nutzt die schnellsten Teile der CPU (Register und L1-Cache), da die Wasm-Laufzeitumgebung Stack-Operationen direkt in native Register-/Stack-Operationen übersetzt. Dies kann zu Folgendem führen:

• Reduzierung der CPU-Zyklen: Signifikante Reduzierung der Anzahl der CPU-Zyklen pro Funktionsaufruf.
• Einsparungen bei der Speicherbandbreite: Weniger Daten werden zum/vom Hauptspeicher bewegt.
• Verbesserte Latenz: Schnellere Fertigstellung einzelner Funktionsaufrufe.

In hochoptimierten Szenarien können diese Leistungssteigerungen im Bereich von 10-30 % oder sogar mehr für Codepfade liegen, die häufig Funktionen aufrufen, die mehrere Werte zurückgeben, abhängig von den relativen Kosten der Speicherzuweisung auf dem Zielsystem. Für Aufgaben wie wissenschaftliche Simulationen, Datenverarbeitung oder Finanzmodellierung, bei denen Millionen solcher Operationen stattfinden, ist die kumulative Auswirkung von Multi-Value ein Game-Changer.

Best Practices und Überlegungen für globale Entwickler

Obwohl Multi-Value erhebliche Vorteile bietet, ist sein umsichtiger Einsatz der Schlüssel zur Maximierung der Vorteile. Globale Entwickler sollten diese Best Practices berücksichtigen:

Wann Multi-Value zu verwenden ist:

• Natürliche Rückgabetypen: Verwenden Sie Multi-Value, wenn Ihre Quellsprache von Natur aus mehrere logisch zusammenhängende Werte zurückgibt (z. B. Tupel, Fehlercodes, Koordinaten).
• Leistungskritische Funktionen: Bei häufig aufgerufenen Funktionen, insbesondere in inneren Schleifen, kann Multi-Value erhebliche Leistungsverbesserungen erzielen, indem der Speicher-Overhead eliminiert wird.
• Kleine, primitive Rückgabewerte: Es ist am effektivsten für eine kleine Anzahl von primitiven Typen (i32, i64, f32, f64). Die Anzahl der Werte, die effizient in CPU-Registern zurückgegeben werden können, ist begrenzt.
• Klare Schnittstelle: Multi-Value macht Funktionssignaturen klarer und ausdrucksstärker, was die Lesbarkeit und Wartbarkeit des Codes für internationale Teams verbessert.

Wann man sich nicht ausschließlich auf Multi-Value verlassen sollte:

• Große Datenstrukturen: Für die Rückgabe großer oder komplexer Datenstrukturen (z. B. Arrays, große Strukturen, Zeichenketten) ist es immer noch angemessener, diese im linearen Speicher von Wasm zuzuweisen und einen einzelnen Zeiger zurückzugeben. Multi-Value ist kein Ersatz für eine ordnungsgemäße Speicherverwaltung komplexer Objekte.
• Selten aufgerufene Funktionen: Wenn eine Funktion selten aufgerufen wird, ist der Overhead früherer Umgehungslösungen möglicherweise vernachlässigbar und die Optimierung durch Multi-Value weniger wirkungsvoll.
• Übermäßige Anzahl von Rückgabewerten: Obwohl die Wasm-Spezifikation technisch viele Rückgabewerte zulässt, könnte die Rückgabe einer sehr großen Anzahl von Werten (z. B. Dutzende) in der Praxis die CPU-Register sättigen und dennoch dazu führen, dass Werte im nativen Code auf den Stack ausgelagert werden, was einige der registerbasierten Optimierungsvorteile schmälert. Halten Sie es kurz.

Auswirkungen auf das Debugging:

Mit Multi-Value kann der Wasm-Stack-Zustand etwas anders aussehen als vor Multi-Value. Debugger-Tools haben sich weiterentwickelt, um dies zu handhaben, aber das Verständnis der direkten Manipulation mehrerer Werte auf dem Stack kann bei der Untersuchung der Wasm-Ausführung hilfreich sein. Die Generierung von Source Maps durch Compiler abstrahiert dies normalerweise, was das Debuggen auf der Ebene der Quellsprache ermöglicht.

Toolchain-Kompatibilität:

Stellen Sie immer sicher, dass Ihr Wasm-Compiler, -Linker und Ihre -Laufzeitumgebung auf dem neuesten Stand sind, um Multi-Value und andere moderne Wasm-Funktionen voll auszunutzen. Die meisten modernen Toolchains aktivieren dies automatisch. Zum Beispiel wird Rusts wasm32-unknown-unknown-Ziel, wenn es mit neueren Rust-Versionen kompiliert wird, automatisch Multi-Value verwenden, wenn Tupel zurückgegeben werden.

Die Zukunft von WebAssembly und Multi-Value

Der Multi-Value-Vorschlag ist kein isoliertes Merkmal; es ist eine grundlegende Komponente, die den Weg für noch fortschrittlichere WebAssembly-Fähigkeiten ebnet. Seine elegante Lösung für ein häufiges Programmierproblem stärkt die Position von Wasm als robuste, hochleistungsfähige Laufzeitumgebung für eine Vielzahl von Anwendungen.

• Integration mit Wasm GC: Während der Vorschlag zur WebAssembly Garbage Collection (Wasm GC) reift und es Wasm-Modulen ermöglicht, direkt Garbage-Collected-Objekte zuzuweisen und zu verwalten, wird sich Multi-Value nahtlos in Funktionen integrieren, die Referenzen auf diese verwalteten Objekte zurückgeben.
• Das Komponentenmodell: Das WebAssembly-Komponentenmodell, das für Interoperabilität und Modulkomposition über Sprachen und Umgebungen hinweg entwickelt wurde, stützt sich stark auf eine robuste und effiziente Parameterübergabe. Multi-Value ist ein entscheidender Wegbereiter für die Definition klarer, hochleistungsfähiger Schnittstellen zwischen Komponenten ohne Marshalling-Overheads. Dies ist besonders relevant für globale Teams, die verteilte Systeme, Microservices und steckbare Architekturen entwickeln.
• Breitere Adaption: Über Webbrowser hinaus sehen Wasm-Laufzeitumgebungen eine zunehmende Adaption in serverseitigen Anwendungen (Wasm auf dem Server), Edge Computing, Blockchain und sogar eingebetteten Systemen. Die Leistungsvorteile von Multi-Value werden die Rentabilität von Wasm in diesen ressourcenbeschränkten oder leistungsempfindlichen Umgebungen beschleunigen.
• Wachstum des Ökosystems: Da immer mehr Sprachen nach Wasm kompilieren und mehr Bibliotheken entwickelt werden, wird Multi-Value zu einem Standard und erwarteten Merkmal, das idiomatischeren und effizienteren Code im gesamten Wasm-Ökosystem ermöglicht.

Fazit

Die WebAssembly Multi-Value-Funktionsaufrufkonvention stellt einen bedeutenden Fortschritt auf Wasm's Weg zu einer wirklich universellen und hochleistungsfähigen Berechnungsplattform dar. Indem sie die Ineffizienzen von Einzelwert-Rückgaben direkt angeht, schaltet sie erhebliche Optimierungen bei der Parameterübergabe frei, was zu schnellerer Ausführung, reduziertem Speicher-Overhead und einfacherer Codegenerierung für Compiler führt.

Für Entwickler weltweit bedeutet dies, dass sie ausdrucksstärkeren, idiomatischeren Code in ihren bevorzugten Sprachen schreiben können, in der Gewissheit, dass er zu hoch optimiertem WebAssembly kompiliert wird. Egal, ob Sie komplexe wissenschaftliche Simulationen, reaktionsschnelle Webanwendungen, sichere kryptographische Module oder performante serverlose Funktionen entwickeln, die Nutzung von Multi-Value wird ein Schlüsselfaktor sein, um Spitzenleistung zu erzielen und die Entwicklererfahrung zu verbessern. Nutzen Sie dieses leistungsstarke Merkmal, um die nächste Generation effizienter und portabler Anwendungen mit WebAssembly zu erstellen.

Erkunden Sie weiter: Tauchen Sie in die WebAssembly-Spezifikation ein, experimentieren Sie mit modernen Wasm-Toolchains und erleben Sie die Kraft von Multi-Value in Ihren eigenen Projekten. Die Zukunft von hochleistungsfähigem, portablem Code ist hier.