WebAssembly Multi-Value Return Optimierung: Verbesserung von Funktionsschnittstellen für eine globale Entwicklungsumgebung

Die rasante Entwicklung der Webtechnologien treibt die Grenzen des im Browser und darüber hinaus Möglichen immer weiter voran. An vorderster Front dieser Innovation steht WebAssembly (Wasm), ein binäres Befehlsformat, das als portables Kompilierungsziel für Programmiersprachen konzipiert wurde, um die Bereitstellung im Web für Webanwendungen und als eigenständiges Ziel für andere Plattformen zu ermöglichen. Unter den vielen Fortschritten, die die Fähigkeiten von Wasm prägen, sticht die Multi-Value-Return-Optimierung als besonders wirkungsvolle Verbesserung für das Design der Funktionsschnittstelle hervor. Diese Funktion, die jetzt ein Standardbestandteil der WebAssembly-Spezifikation ist, ermöglicht es Funktionen, mehrere Werte direkt zurückzugeben, eine scheinbar kleine Änderung, die erhebliche Vorteile in Bezug auf Leistung, Codesimplicity und Interoperabilität über eine Vielzahl von Programmiersprachen hinweg bringt.

Die Entwicklung von Funktionsrückgaben: Eine historische Perspektive

Traditionell haben Programmiersprachen Funktionsrückgaben auf eine von zwei Arten gehandhabt:

• Single Value Return: Die meisten Sprachen, wie C, C++ und JavaScript in seinen frühen Formen, unterstützten in erster Linie Funktionen, die einen einzelnen Wert zurückgaben. Wenn eine Funktion mehrere Informationen übermitteln musste, griffen Entwickler auf Workarounds zurück.
• Tuple/Struct Returns: Sprachen wie Python, Go und modernere Iterationen von C++ und Rust erlauben Funktionen, mehrere Werte zurückzugeben, oft indem sie diese in ein Tupel, eine Struktur oder ein Objekt verpacken.

Im Kontext des Kompilierens nach WebAssembly bestand die Herausforderung immer darin, diese verschiedenen Rückgabemechanismen einer gemeinsamen, effizienten Befehlssatzstruktur zuzuordnen. Vor der Einführung von Multi-Value-Returns waren Wasm-Funktionen streng darauf beschränkt, höchstens einen Wert zurückzugeben. Diese Einschränkung erforderte Workarounds, die Mehraufwand und Komplexität verursachen konnten.

Die Herausforderung vor Multi-Value Return in WebAssembly

Bevor Multi-Value Returns in WebAssembly Realität wurden, standen Entwickler und Compiler-Ingenieure vor mehreren Hürden, wenn sie Code übersetzten, der auf natürliche Weise mehrere Werte zurückgab:

• Einschränkungen bei der Return Value Optimization (RVO) und der Named Return Value Optimization (NRVO): Während Compiler wie LLVM sich hervorragend für die Optimierung einzelner Rückgabewerte eigneten (z. B. durch das Weglassen von Kopien), waren diese Optimierungen weniger effektiv oder schwieriger zu implementieren, wenn mehrere konzeptionelle Rückgabewerte verarbeitet wurden.
• Manuelle Aggregation: Um mehrere Werte von einer Wasm-Funktion zurückzugeben, mussten Entwickler diese oft manuell in einer einzigen Entität zusammenfassen, z. B. in einer Struktur, einem Array oder einem Zeiger auf einen Speicherort, in dem Ergebnisse gespeichert werden konnten. Dies umfasste zusätzliche Speicherzuweisungen, Zeigerverweise und Kopieren, was sich alles negativ auf die Leistung auswirken konnte.
• Erhöhter Boilerplate: Die Notwendigkeit der manuellen Aggregation führte oft zu ausführlicherem und komplexerem Code, sowohl in der Quellsprache als auch im generierten Wasm. Dies erhöhte die kognitive Belastung der Entwickler und machte das generierte Wasm weniger lesbar und wartbar.
• Interoperabilitätsreibung: Bei der Interaktion mit JavaScript oder anderen Wasm-Modulen erforderte das Senden und Empfangen mehrerer Werte eine sorgfältige Koordination und explizite Datenstrukturen, was der sprachübergreifenden Kommunikation eine weitere Komplexitätsebene hinzufügte.

Stellen Sie sich eine einfache C++-Funktion vor, die zwei Ganzzahlen zurückgeben soll: eine Anzahl und einen Statuscode.

Vor Multi-Value Returns (Konzeptionelles C++):

            struct CountStatus {
    int count;
    int status;
};

CountStatus get_data() {
    // ... Berechnung ...
    int count = 10;
    int status = 0;
    return {count, status};
}

// Im Wasm-Aufrufer:

auto result = get_data();
int count = result.count;
int status = result.status;

            

              
                Copy
              
            
          

Dieser C++-Code würde oft in Wasm kompiliert, indem eine Struktur erstellt, diese zurückgegeben und dann möglicherweise auf der aufrufenden Seite entpackt wird, oder indem ein Zeiger an Ausgabeparameter übergeben wird.

Alternative unter Verwendung von Ausgabeparametern (Konzeptionelles C):

            int get_data(int* status) {
    // ... Berechnung ...
    int count = 10;
    *status = 0;
    return count;
}

// Im Wasm-Aufrufer:

int status;
int count = get_data(&status);

            

              
                Copy
              
            
          

Beide Ansätze beinhalten indirekten Zugriff oder Datenaggregation, wodurch ein Mehraufwand entsteht, den WebAssemblys Multi-Value Return direkt angeht.

Einführung von WebAssembly Multi-Value Returns

Die WebAssembly Multi-Value-Return-Funktion verändert grundlegend die Funktionssignatur, indem sie einer Funktion erlaubt, mehrere Werte potenziell verschiedener Typen direkt zu deklarieren und zurückzugeben. Dies wird im Wasm-Typsystem durch eine Liste von Typen für die Rückgabewerte dargestellt.

Konzeptionelle Wasm-Typsignatur:

Eine Funktion hatte zuvor eine Signatur wie (param_types) -> result_type. Mit Multi-Value Returns wird daraus (param_types) -> (result_type1, result_type2, ... result_typeN).

Wie es funktioniert:

Wenn eine Funktion so definiert ist, dass sie mehrere Werte zurückgibt, kann die WebAssembly-Ausführungs-Engine diese zurückgegebenen Werte direkt an Variablen auf der aufrufenden Seite binden, ohne dass Zwischenstrukturen oder explizite Speicheroperationen erforderlich sind. Dies ähnelt der Art und Weise, wie Sprachen wie Go oder Python mehrere Rückgabewerte verarbeiten.

Veranschaulichendes Beispiel (Konzeptionell):

Betrachten wir noch einmal das C++-Beispiel und überlegen, wie es mit Multi-Value Returns direkt in Wasm dargestellt werden könnte:

Stellen Sie sich eine hypothetische Wasm-Anweisung vor, die direkt in die Rückgabe von zwei Werten übersetzt wird:

            ;; Hypothetisches Wasm-Textformat
(func $get_data (result i32 i32)
  ;; ... Berechnung ...
  i32.const 10
  i32.const 0
  ;; Gibt 10 und 0 direkt zurück
  return
)

            

              
                Copy
              
            
          

Und auf der aufrufenden Seite (z. B. JavaScript):

            // Unter der Annahme, dass 'instance' die WebAssembly-Instanz ist
const [count, status] = instance.exports.get_data();

            

              
                Copy
              
            
          

Diese direkte Zuordnung vereinfacht die Schnittstelle erheblich und eliminiert den Mehraufwand, der mit der manuellen Aggregation verbunden ist.

Hauptvorteile der Multi-Value-Return-Optimierung

Die Einführung von Multi-Value Returns in WebAssembly bietet eine Kaskade von Vorteilen, die Entwickler unterstützen und die Effizienz von Webanwendungen und anderen Wasm-fähigen Umgebungen verbessern.

1. Leistungssteigerungen

Dies ist wohl der wichtigste Vorteil. Durch die Eliminierung der Notwendigkeit von Zwischenstrukturen (wie Strukturen oder Arrays) und die Vermeidung teurer Speicherkopien und Zeigerverweise führen Multi-Value Returns zu:

• Reduzierte Speicherzuweisungen: Es ist nicht erforderlich, Speicher für temporäre Rückgabeobjekte zuzuweisen.
• Weniger Kopiervorgänge: Werte werden direkt vom Aufgerufenen zum Aufrufer übergeben.
• Optimierte Ausführung: Die Wasm-Engine kann den Fluss mehrerer Werte effizienter optimieren, als sie komplexe Datenstrukturen verwalten kann.

Für rechenintensive Operationen oder Funktionen, die auf natürliche Weise mehrere zusammenhängende Ausgaben erzeugen, können diese Leistungsverbesserungen erheblich sein. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, die einen hohen Durchsatz erfordern, wie z. B. Game Engines, wissenschaftliche Simulationen und Echtzeit-Datenverarbeitung.

2. Vereinfachte Funktionsschnittstellen und Codeklarheit

Die Möglichkeit, mehrere Werte direkt zurückzugeben, macht Funktionssignaturen intuitiver und den Code leichter verständlich und zu schreiben.

• Reduzierter Boilerplate: Weniger Code wird benötigt, um Rückgabewerte zu verpacken und zu entpacken.
• Verbesserte Lesbarkeit: Funktionssignaturen spiegeln die übermittelten Informationen genauer wider.
• Einfacheres Debugging: Das Verfolgen des Flusses mehrerer, unterschiedlicher Rückgabewerte ist oft einfacher als das Verfolgen aggregierter Strukturen.

Entwickler können ihre Absicht direkter zum Ausdruck bringen, was zu wartbareren und weniger fehleranfälligen Codebasen führt. Diese Klarheit ist in kollaborativen, globalen Entwicklungsumgebungen von unschätzbarem Wert, in denen das Verständnis von Code, der von anderen geschrieben wurde, von größter Bedeutung ist.

3. Verbesserte sprachübergreifende Interoperabilität

Die Stärke von WebAssembly liegt in seiner Fähigkeit, als Kompilierungsziel für zahlreiche Programmiersprachen zu dienen. Multi-Value Returns vereinfachen die Übersetzung und Interaktion zwischen Sprachen mit unterschiedlichen Rückgabewertkonventionen erheblich.

• Direktes Mapping für Tupel-ähnliche Returns: Sprachen wie Go, Python und Swift, die mehrere Rückgabewerte unterstützen, können ihre Funktionen direkter nach Wasm kompilieren, wobei ihre Rückgabesemantik beibehalten wird.
• Überbrückung von Single- und Multi-Value-Sprachen: Wasm-Funktionen, die mehrere Werte zurückgeben, können von Sprachen verwendet werden, die nur einzelne Returns unterstützen (indem sie sie in der Host-Umgebung aggregieren, z. B. JavaScript), und umgekehrt. Der direkte Multi-Value Return bietet jedoch einen saubereren Weg, wenn beide Seiten ihn unterstützen.
• Reduziertes Impedanz-Mismatch: Die Funktion minimiert die semantische Lücke zwischen der Quellsprache und dem Wasm-Ziel, wodurch der Kompilierungsprozess reibungsloser und das generierte Wasm idiomatischer wird.

Diese verbesserte Interoperabilität ist ein Eckpfeiler für den Aufbau komplexer, polyglotter Anwendungen, die die besten Tools und Bibliotheken aus verschiedenen Ökosystemen nutzen. Für ein globales Publikum bedeutet dies eine einfachere Integration von Komponenten, die in verschiedenen Sprachen und von verschiedenen Teams entwickelt wurden.

4. Bessere Unterstützung für moderne Sprachfunktionen

Viele moderne Programmiersprachen haben mehrere Rückgabewerte als Kernfunktion für den idiomatischen Ausdruck bestimmter Muster übernommen. Die Unterstützung dieser Funktion durch WebAssembly stellt sicher, dass diese Sprachen nach Wasm kompiliert werden können, ohne die Ausdruckskraft oder Leistung zu beeinträchtigen.

• Idiomatische Codegenerierung: Compiler können Wasm generieren, das die Multi-Value-Return-Konstrukte der Quellsprache direkt widerspiegelt.
• Ermöglichung erweiterter Muster: Funktionen wie das gleichzeitige Zurückgeben eines Ergebnisses und eines Fehlers (üblich in Sprachen wie Go und Rust) werden effizient verarbeitet.

Compiler-Implementierungen und Beispiele

Der Erfolg von Multi-Value Returns hängt von einer robusten Compiler-Unterstützung ab. Wichtige Compiler-Toolchains wurden aktualisiert, um diese Funktion zu nutzen.

LLVM und Clang/Emscripten

LLVM, eine weit verbreitete Compiler-Infrastruktur, stellt das Backend für viele Wasm-Compiler bereit, darunter Clang und Emscripten für C/C++. LLVMs ausgefeilte Analyse- und Optimierungspässe können jetzt C++-Konstrukte wie das Zurückgeben von Strukturen oder die Verwendung von NRVO effektiv erkennen und in Wasm-Funktionen mit mehreren Rückgabewerten umwandeln.

Beispiel: C++ mit `std::tuple`

Betrachten Sie eine C++-Funktion, die ein `std::tuple` zurückgibt:

            #include <tuple>
#include <string>

std::tuple<int, std::string> get_user_info() {
    int user_id = 123;
    std::string username = "Alice";
    return {user_id, username};
}

// Wenn mit Emscripten und mit Wasm mit Multi-Value-Unterstützung kompiliert:
// Die Wasm-Funktionssignatur könnte so aussehen (result i32 externref)
// wobei i32 für user_id und externref für die Zeichenkettenreferenz steht.

            

              
                Copy
              
            
          

Emscripten, das LLVM nutzt, kann dies jetzt direkter kompilieren und vermeidet den Mehraufwand, das Tupel in einem einzelnen Speicherblob zu verpacken, wenn die Wasm-Runtime dies unterstützt.

Rust Toolchain

Rust verwendet ebenfalls in hohem Maße mehrere Rückgabewerte, insbesondere für seinen Fehlerbehandlungsmechanismus (Rückgabe von `Result`). Die Rust-to-Wasm-Toolchain war maßgeblich daran beteiligt, von Multi-Value Returns zu profitieren.

Beispiel: Rust mit `Result`

            fn get_config() -> Result<(u32, bool), &'static str> {
    // ... Konfigurationsladelogik ...
    let version = 1;
    let is_enabled = true;
    Ok((version, is_enabled))
}

// Wenn kompiliert mit `wasm-pack` oder `cargo build --target wasm32-unknown-unknown`:
// Der Rust-Compiler kann den Ok(Tupel)-Return direkt auf Wasm-Multi-Value-Returns abbilden.
// Dies bedeutet, dass die Funktionssignatur in Wasm zwei Rückgabewerte darstellt:
// einen für die Version (z. B. i32) und einen für den Boolean (z. B. i32 oder i64).

            

              
                Copy
              
            
          

Diese direkte Zuordnung ist entscheidend für die leistungsabhängigen Anwendungen von Rust, die für Wasm kompiliert werden, insbesondere in Bereichen wie Backend-Dienste, Spieleentwicklung und browserbasierte Tools.

Gos Auswirkungen

Gos Parallelitätsmodell und seine native Unterstützung für mehrere Rückgabewerte machen es zu einem erstklassigen Kandidaten, um von dieser Wasm-Funktion zu profitieren. Wenn Go-Code nach Wasm kompiliert wird, ermöglicht die Multi-Value-Return-Optimierung eine direktere und effizientere Darstellung von Gos Semantik für mehrere Returns.

Beispiel: Go

            func get_coordinates() (int, int) {
    // ... Koordinaten berechnen ...
    x := 100
    y := 200
    return x, y
}

// Wenn nach Wasm kompiliert, kann diese Funktion ihre beiden int-Rückgabewerte direkt zu
// Wasms Multi-Value-Return-Signatur zuordnen, z. B. (result i32 i32).

            

              
                Copy
              
            
          

Dies vermeidet die Notwendigkeit, dass Gos Wasm-Backend Zwischenstrukturen erstellt oder komplexe Mechaniken zur Zeigerübergabe verwendet, was zu saubereren und schnelleren Wasm-Binaries führt.

Interaktion mit JavaScript-Hosts

Die Integration von WebAssembly mit JavaScript ist ein grundlegender Aspekt seiner Verwendung im Web. Multi-Value Returns verbessern diese Interaktion erheblich.

Destrukturierungszuweisung:

JavaScripts Destrukturierungszuweisungssyntax ist eine perfekte Ergänzung für WebAssemblys Multi-Value Returns.

            // Unter der Annahme, dass 'instance' Ihre WebAssembly-Instanz ist
// und 'my_wasm_function' zwei Ganzzahlen zurückgibt.

const [value1, value2] = instance.exports.my_wasm_function();

console.log(`Empfangen: ${value1}, ${value2}`);

            

              
                Copy
              
            
          

Diese saubere, direkte Zuweisung ist weitaus eleganter und effizienter als das manuelle Abrufen von Werten aus einem Array oder Objekt, das von einer Wasm-Funktion zurückgegeben wird, die gezwungen war, ihre Returns zu aggregieren.

Übergeben von Daten an Wasm:

Während sich dieser Beitrag auf Returns konzentriert, ist es erwähnenswert, dass auch die Parameterübergabe von WebAssembly Fortschritte gemacht hat, die in Verbindung mit Multi-Value Returns funktionieren und zu einem kohärenteren Funktionsschnittstellendesign beitragen.

Praktische Anwendungsfälle und globale Anwendungen

Die Vorteile der Multi-Value-Return-Optimierung sind nicht theoretischer Natur; sie führen zu spürbaren Verbesserungen in einem breiten Spektrum von Anwendungen, die für ein globales Publikum relevant sind.

• Webbasierte Entwicklungstools: Compiler, Linters und Code-Formatierer, die nach Wasm kompiliert werden, können eine bessere Leistung erzielen, wenn sie Code verarbeiten und mehrere Analyseergebnisse zurückgeben (z. B. Fehlercodes, Zeilennummern, Schweregrade).
• Spieleentwicklung: Spiele erfordern oft die schnelle Berechnung und Rückgabe mehrerer Vektoren, Koordinaten oder Zustandsinformationen. Multi-Value Returns können diese Operationen rationalisieren und so zu einem flüssigeren Gameplay auf allen Geräten weltweit beitragen.
• Wissenschaftliches und finanzielles Rechnen: Komplexe Simulationen und Finanzmodelle umfassen oft Funktionen, die mehrere zusammenhängende Metriken berechnen und zurückgeben (z. B. Simulationsergebnisse, Risikofaktoren, Leistungsindikatoren). Optimierte Returns verbessern die Geschwindigkeit und Effizienz dieser Berechnungen, was für globale Finanzmärkte und wissenschaftliche Forschung von entscheidender Bedeutung ist.
• Bild- und Videoverarbeitung: Echtzeitfilter und -effekte in browserbasierten Medieneditoren können von einer schnelleren Rückgabe von Pixeldaten, Transformationsparametern oder Analyseergebnissen profitieren.
• Backend-Dienste (Wasm außerhalb des Browsers): Da WebAssembly serverseitig immer mehr an Bedeutung gewinnt (z. B. über WASI), werden Multi-Value Returns entscheidend für Microservices, die strukturierten Datenaustausch effizient gestalten müssen, was zu einer leistungsfähigeren und skalierbareren Cloud-Infrastruktur weltweit führt.
• Plattformübergreifende Bibliotheken: Bibliotheken, die nach Wasm kompiliert werden, können Entwicklern unabhängig von ihrer gewählten Host-Umgebung (Browser, Server, IoT-Geräte) sauberere, leistungsfähigere APIs zur Verfügung stellen, wodurch eine breitere Akzeptanz und eine einfachere Integration in internationale Projekte gefördert werden.

Herausforderungen und zukünftige Richtungen

Obwohl Multi-Value Returns einen bedeutenden Schritt nach vorn darstellen, gibt es immer noch Überlegungen und laufende Entwicklungen:

• Toolchain-Reife: Die Sicherstellung einer konsistenten und optimalen Unterstützung über alle Programmiersprachen und ihre jeweiligen Wasm-Kompilierungs-Toolchains hinweg ist ein fortlaufendes Unterfangen.
• Runtime-Unterstützung: Obwohl sie weithin unterstützt wird, ist die Gewährleistung, dass alle Ziel-Wasm-Runtimes (Browser, Node.js, eigenständige Runtimes) Multi-Value Returns vollständig und effizient implementieren, von entscheidender Bedeutung.
• Debugging-Tools: Das Debugging von Wasm kann eine Herausforderung sein. Da Funktionen wie Multi-Value Returns zum Standard werden, müssen sich Debugging-Tools weiterentwickeln, um einen klaren Einblick in diese komplexen Rückgabetypen zu ermöglichen.
• Weitere Schnittstellenverbesserungen: Das Wasm-Ökosystem entwickelt sich ständig weiter. Zukünftige Vorschläge könnten auf Multi-Value Returns aufbauen, um noch ausgefeiltere Möglichkeiten zur Handhabung komplexer Datenstrukturen und Funktionssignaturen zu bieten.

Umsetzbare Erkenntnisse für globale Entwickler

Für Entwickler, die in einer globalisierten Umgebung arbeiten, kann die Einführung von WebAssembly und seinen erweiterten Funktionen wie Multi-Value Returns einen Wettbewerbsvorteil bieten:

• Priorisieren Sie Wasm für leistungskritische Module: Wenn Ihre Anwendung rechenintensive Teile enthält, die in Sprachen wie C++, Rust oder Go geschrieben sind, sollten Sie in Erwägung ziehen, diese nach WebAssembly zu kompilieren. Nutzen Sie Multi-Value Returns, um die Leistung zu maximieren und den Overhead zu reduzieren.
• Verwenden Sie moderne Sprachen mit starker Wasm-Unterstützung: Sprachen wie Rust und Go verfügen über ausgezeichnete Wasm-Toolchains, die bereits von Multi-Value Returns Gebrauch machen.
• Erkunden Sie Emscripten für C/C++: Stellen Sie bei der Arbeit mit C/C++ sicher, dass Sie aktuelle Versionen von Emscripten und Clang verwenden, die die Multi-Value-Unterstützung von LLVM nutzen.
• Verstehen Sie die Wasm-Schnittstelle: Machen Sie sich damit vertraut, wie Multi-Value Returns in das Wasm-Textformat übersetzt werden und wie sie Host-Umgebungen wie JavaScript zugänglich gemacht werden. Dieses Verständnis ist entscheidend für effektives Debugging und die Integration.
• Tragen Sie zum Ökosystem bei: Wenn Sie auf Probleme stoßen oder Vorschläge zur Wasm-Unterstützung in der Toolchain Ihrer bevorzugten Sprache haben, sollten Sie in Erwägung ziehen, zu den Open-Source-Projekten beizutragen.
• Bleiben Sie auf dem Laufenden: Die WebAssembly-Spezifikation und die dazugehörigen Tools entwickeln sich ständig weiter. Wenn Sie sich über die neuesten Funktionen und Best Practices auf dem Laufenden halten, stellen Sie sicher, dass Sie immer die effizientesten Lösungen nutzen.

Fazit

Die Multi-Value-Return-Optimierung von WebAssembly ist ein entscheidender, aber oft unterschätzter Fortschritt in der Entwicklung der Wasm-Spezifikation. Sie befasst sich direkt mit einem grundlegenden Aspekt des Programmierens: wie Funktionen Ergebnisse kommunizieren. Indem diese Funktion Funktionen ermöglicht, mehrere Werte effizient und idiomatisch zurückzugeben, steigert sie die Leistung erheblich, vereinfacht den Code und verbessert die Interoperabilität zwischen verschiedenen Programmiersprachen. Da WebAssembly seine Expansion über den Browser hinaus in serverseitige Anwendungen, IoT-Geräte und mehr fortsetzt, festigen Funktionen wie Multi-Value Returns seine Position als vielseitige und leistungsstarke Technologie für die globale Entwicklungsumgebung. Entwickler auf der ganzen Welt können jetzt schnellere, sauberere und stärker integrierte Anwendungen erstellen, indem sie die Leistung von WebAssemblys erweiterten Funktionsschnittstellen nutzen.