WebAssembly GC struktuuride lahkamine: Süvaanalüüs hallatud struktuuritüüpidest

WebAssembly (Wasm) on põhjalikult muutnud veebi- ja serveripoolse arenduse maastikku, pakkudes kaasaskantavat ja suure jõudlusega kompileerimissihtmärki. Algselt oli selle võimsus kõige kättesaadavam süsteemikeeltele nagu C, C++ ja Rust, mis toetuvad Wasm-i lineaarse mälumudeli raames manuaalsele mäluhaldusele. See mudel kujutas aga endast märkimisväärset takistust laiale hallatud keelte ökosüsteemile, nagu Java, C#, Kotlin, Dart ja Python. Nende portimine nõudis täieliku prügikoristaja (GC) ja käituskeskkonna kaasapakendamist, mis tõi kaasa suuremad binaarfailid ja aeglasemad käivitusajad. WebAssembly prügikoristuse (WasmGC) ettepanek on sellele väljakutsele mängu muutev lahendus ja selle keskmes on võimas uus primitiiv: hallatud struktuuritüüp.

See artikkel pakub põhjalikku ülevaadet WasmGC struktuuridest. Alustame põhimõistetest, süveneme nende defineerimisse ja manipuleerimisse WebAssembly tekstivormingu (WAT) abil ning uurime nende sügavat mõju kõrgetasemeliste keelte tulevikule Wasm-i ökosüsteemis. Olenemata sellest, kas olete keele implementeerija, süsteemiprogrammeerija või veebiarendaja, kes on huvitatud jõudluse järgmisest piirist, annab see juhend teile kindla arusaama sellest muutuvast funktsioonist.

Manuaalsest mälust hallatud kuhjani: Wasmi evolutsioon

Et WasmGC struktuure tõeliselt hinnata, peame esmalt mõistma maailma, mida need on loodud parandama. WebAssembly esimesed versioonid pakkusid mäluhalduseks ühte peamist tööriista: lineaarset mälu.

Lineaarse mälu ajastu

Kujutage lineaarset mälu ette kui massiivset, järjestikust baitide massiivi – `ArrayBuffer` JavaScripti terminites. Wasm-moodul saab sellest massiivist lugeda ja sinna kirjutada, kuid mootori vaatenurgast on see põhimõtteliselt struktureerimata. See on lihtsalt toored baidid. Vastutus selle ruumi haldamise eest – objektide eraldamine, kasutuse jälgimine ja mälu vabastamine – langes täielikult Wasm-moodulisse kompileeritud koodile.

See sobis ideaalselt sellistele keeltele nagu Rust, millel on keerukas kompileerimisaegne mäluhaldus (omandiõigus ja laenamine), ning C/C++, mis kasutavad manuaalset `malloc` ja `free`. Nad said oma mäluhaldurid implementeerida selles lineaarses mäluruumis. Kuid sellise keele nagu Kotlin või Java jaoks tähendas see rasket valikut:

• Pakkida kaasa täielik GC: Keele enda prügikoristaja tuli kompileerida Wasm-iks. See GC haldaks osa lineaarsest mälust, käsitledes seda oma kuhjana. See suurendas `.wasm`-faili suurust märkimisväärselt ja lisas jõudluse lisakulu, kuna GC oli lihtsalt üks osa Wasm-koodist, mis ei saanud ära kasutada host-mootori (nagu V8 või SpiderMonkey) kõrgelt optimeeritud, natiivset GC-d.
• Keeruline interaktsioon hostiga: Keeruliste andmestruktuuride (nagu objektid või puud) jagamine host-keskkonnaga (nt JavaScript) oli tülikas. See nõudis serialiseerimist – objekti teisendamist baitideks, selle kirjutamist lineaarsesse mällu ja seejärel teisel poolel selle lugemist ja deserialiseerimist. See protsess oli aeglane, vigaderohke ja lõi dubleeritud andmeid.

WasmGC paradigmanihke

WasmGC ettepanek tutvustab teist, eraldiseisvat mäluruumi: hallatud kuhja. Erinevalt lineaarse mälu struktureerimata baidimerest, haldab seda kuhja otse Wasm-mootor. Mootori sisseehitatud, kõrgelt optimeeritud prügikoristaja vastutab nüüd objektide eraldamise ja, mis on ülioluline, vabastamise eest.

See pakub tohutuid eeliseid:

• Väiksemad binaarfailid: Keeled ei pea enam oma GC-d kaasa pakkima, mis vähendab failisuurusi drastiliselt.
• Kiirem täitmine: Wasm-moodul kasutab hosti natiivset, lahingus karastunud GC-d, mis on palju tõhusam kui Wasm-iks kompileeritud GC.
• Sujuv koostalitlusvõime hostiga: Viiteid hallatud objektidele saab otse Wasm-i ja JavaScripti vahel edasi anda ilma igasuguse serialiseerimiseta. See on monumentaalne edasiminek jõudluse ja arendajakogemuse osas.

Selle hallatud kuhja asustamiseks tutvustab WasmGC uute viitetüüpide komplekti, millest `struct` on üks kõige fundamentaalsemaid ehituskive.

Süvaanalüüs `struct` tüübi definitsioonist

WasmGC `struct` on hallatud, kuhjale eraldatud objekt, millel on fikseeritud kogum nimega ja staatiliselt tüübitud välju. Mõelge sellele kui kergekaalulisele klassile Java-s/C#-s, struktuurile Go-s/C#-s või tüübitud JavaScripti objektile, kuid mis on ehitatud otse Wasm-i virtuaalmasinasse.

Struktuuri defineerimine WAT-is

Kõige selgem viis `struct`-i mõistmiseks on vaadata selle definitsiooni WebAssembly tekstivormingus (WAT). Tüübid defineeritakse Wasm-mooduli spetsiaalses tüüpide sektsioonis.

Siin on põhiline näide 2D-punkti struktuurist:

            
(module
  ;; Define a new type named '$point'.
  ;; It is a struct with two fields: '$x' and '$y', both of type i32.
  (type $point (struct (field $x i32) (field $y i32)))
  
  ;; ... functions that use this type would go here ...
)

            

              
                Copy
              
            
          

Vaatame selle süntaksi osadeks:

• (type $point ...): See deklareerib uue tüübi ja annab sellele nime `$point`. Nimed on WAT-i mugavus; binaarses vormingus viidatakse tüüpidele indeksi järgi.
• (struct ...): See määrab, et uus tüüp on struktuur.
• (field $x i32): See defineerib välja. Sellel on nimi (`$x`) ja tüüp (`i32`). Väljad võivad olla mis tahes Wasm-i väärtustüüpi (`i32`, `i64`, `f32`, `f64`) või viitetüüpi.

Struktuurid võivad sisaldada ka viiteid teistele hallatud tüüpidele, võimaldades luua keerulisi andmestruktuure nagu ahellistid või puud.

            
(module
  ;; Forward-declare the node type so it can be referenced within itself.
  (rec
    (type $list_node (struct
      (field $value i32)
      ;; A field that holds a reference to another node, or null.
      (field $next (ref null $list_node))
    ))
  )
)

            

              
                Copy
              
            
          

Siin on `$next` väli tüüpi `(ref null $list_node)`, mis tähendab, et see võib hoida viidet teisele `$list_node` objektile või olla `null`-viide. `(rec ...)` plokki kasutatakse rekursiivsete või vastastikku viitavate tüüpide defineerimiseks.

Väljad: Muudetavus ja muutumatus

Vaikimisi on struktuuri väljad muutumatud. See tähendab, et nende väärtust saab määrata ainult üks kord objekti loomise ajal. See on võimas omadus, mis soodustab turvalisemaid programmeerimismustreid ja mida kompilaatorid saavad optimeerimiseks ära kasutada.

Välja deklareerimiseks muudetavana tuleb selle definitsioon ümbritseda `(mut ...)`-ga.

            
(module
  (type $user_profile (struct
    ;; This ID is immutable and can only be set at creation.
    (field $id i64)
    ;; This username is mutable and can be changed later.
    (field (mut $username) (ref string))
  ))
)

            

              
                Copy
              
            
          

Katse muuta muutumatut välja pärast isendi loomist toob kaasa valideerimisvea Wasm-mooduli kompileerimisel. See staatiline garantii hoiab ära terve klassi käitusaegseid vigu.

Pärimine ja struktuurne alamtüüpimine

WasmGC toetab ühekordset pärimist, võimaldades polümorfismi. Struktuuri saab deklareerida teise struktuuri alamtüübiks, kasutades võtmesõna `sub`. See loob "on-tüüpi" (is-a) suhte.

Vaatleme meie `$point` struktuuri. Saame luua sellest spetsialiseerituma `$colored_point`, mis sellest pärib:

            
(module
  (type $point (struct (field $x i32) (field $y i32)))

  ;; '$colored_point' is a subtype of '$point'.
  (type $colored_point (sub $point (struct
    ;; It inherits fields '$x' and '$y' from '$point'.
    ;; It adds a new field '$color'.
    (field $color i32) ;; e.g., an RGBA value
  )))
)

            

              
                Copy
              
            
          

Alamtüüpimise reeglid on lihtsad ja struktuursed:

1. Alamtüüp peab deklareerima ülemüübi.
2. Alamtüüp sisaldab kaudselt kõiki oma ülemüübi välju, samas järjekorras ja samade tüüpidega.
3. Seejärel saab alamtüüp defineerida täiendavaid välju.

See tähendab, et funktsioonile või käsule, mis ootab viidet `$point`-le, võib ohutult anda viite `$colored_point`-le. Seda tuntakse kui ülespoole tüübiteisendust (upcasting) ja see on alati ohutu. Vastupidine, allapoole tüübiteisendus (downcasting), nõuab käitusaegseid kontrolle, mida me uurime hiljem.

Töö struktuuridega: Põhilised käsud

Tüüpide defineerimine on vaid pool loost. WasmGC tutvustab uut käskude komplekti struktuuri-isendite loomiseks, neile juurdepääsuks ja nendega manipuleerimiseks pinul.

Isendite loomine: `struct.new`

Peamine käsk uue struktuuri-isendi loomiseks on `struct.new`. See toimib, võttes pinult maha kõikide väljade jaoks vajalikud algväärtused ja lükates tagasi pinnale ühe viite äsja loodud, kuhjale eraldatud objektile.

Loome isendi meie `$point` struktuurist koordinaatidega (10, 20).

            
(func $create_point (result (ref $point))
  ;; Push the value for the '$x' field onto the stack.
  i32.const 10
  
  ;; Push the value for the '$y' field onto the stack.
  i32.const 20
  
  ;; Pop 10 and 20, create a new '$point' on the managed heap,
  ;; and push a reference to it onto the stack.
  struct.new $point
  
  ;; The reference is now the return value of the function.
  return
)

            

              
                Copy
              
            
          

Pinule lükatud väärtuste järjekord peab täpselt vastama struktuuritüübis defineeritud väljade järjekorrale, alates kõige ülemisest ülemüübist kuni kõige spetsiifilisema alamtüübini.

On olemas ka variant, struct.new_default, mis loob isendi, mille kõik väljad on initsialiseeritud nende vaikeväärtustega (null numbrite jaoks, `null` viidete jaoks), võtmata pinult argumente.

Väljadele juurdepääs: `struct.get` ja `struct.set`

Kui teil on viide struktuurile, peate saama lugeda ja kirjutada selle välju.

`struct.get` loeb välja väärtuse. See võtab pinult maha struktuuri viite, loeb määratud välja ja lükkab selle välja väärtuse tagasi pinnale.

            
(func $get_x_coordinate (param $p (ref $point)) (result i32)
  ;; Push the struct reference from the local variable '$p'.
  local.get $p
  
  ;; Pop the reference, get the value of the '$x' field from the '$point' struct,
  ;; and push it onto the stack.
  struct.get $point $x
  
  ;; The i32 value of 'x' is now the return value.
  return
)

            

              
                Copy
              
            
          

`struct.set` kirjutab muudetavale väljale. See võtab pinult maha uue väärtuse ja struktuuri viite ning uuendab määratud välja. Seda käsku saab kasutada ainult väljadel, mis on deklareeritud `(mut ...)`-ga.

            
;; Assuming a user profile with a mutable username field.
(type $user_profile (struct (field $id i64) (field (mut $username) (ref string))))

(func $update_username (param $profile (ref $user_profile)) (param $new_name (ref string))
  ;; Push the reference to the profile to update.
  local.get $profile
  
  ;; Push the new value for the username field.
  local.get $new_name
  
  ;; Pop the reference and new value, and update the '$username' field.
  struct.set $user_profile $username
)

            

              
                Copy
              
            
          

Alamtüüpimise oluline omadus on see, et saate kasutada `struct.get` välja puhul, mis on defineeritud ülemüübis, isegi kui teil on viide alamtüübile. Näiteks saate kasutada `struct.get $point $x` viite puhul, mis osutab `$colored_point`-le.

Pärimises navigeerimine: Tüübikontroll ja tüübiteisendus

Pärimishierarhiatega töötamine nõuab viisi, kuidas objekti tüüpi käitusajal ohutult kontrollida ja muuta. WasmGC pakub selleks võimsate käskude komplekti.

• `ref.test`: See käsk teostab mittelõksustava tüübikontrolli. See võtab pinult viite, kontrollib, kas seda saab ohutult teisendada sihttüübiks, ja lükkab pinnale `1` (tõene) või `0` (väär). See on samaväärne `instanceof` kontrolliga.
• `ref.cast`: See käsk teostab lõksustava tüübiteisenduse. See võtab pinult viite ja kontrollib, kas see on sihttüübi isend. Kui kontroll õnnestub, lükkab see sama viite tagasi (kuid nüüd valideerija jaoks teadaoleva spetsiifilisema tüübiga). Kui kontroll ebaõnnestub, käivitab see käitusaegse lõksu, peatades täitmise.
• `br_on_cast`: See on optimeeritud, kombineeritud käsk, mis teostab tüübikontrolli ja tingimusliku hargnemise ühe operatsiooniga. See on väga tõhus `if (x instanceof y) { ... }` mustrite implementeerimiseks.

Siin on praktiline näide, mis näitab, kuidas ohutult teha allapoole tüübiteisendus ja töötada `$colored_point`-ga, mis edastati üldise `$point`-na.

            
(func $get_color_or_default (param $p (ref $point)) (result i32)
  ;; Default color is black (0)
  i32.const 0
  
  ;; Get the reference to the point object
  local.get $p

  ;; Check if '$p' is actually a '$colored_point' and branch if it is not.
  ;; The instruction has two branch targets: one for failure, one for success.
  ;; On success, it also pushes the casted reference to the stack.
  br_on_cast_fail $is_not_colored $is_colored (ref $colored_point)

  block $is_colored (param (ref $colored_point))
    ;; If we are here, the cast succeeded.
    ;; The casted reference is now on top of the stack.
    struct.get $colored_point $color
    return ;; Return the actual color
  end

  block $is_not_colored
    ;; If we are here, it was just a plain point.
    ;; The default value (0) is still on the stack.
    return
  end
)

            

              
                Copy
              
            
          

Laiem mõju: WasmGC, struktuurid ja programmeerimise tulevik

WasmGC struktuurid on enamat kui lihtsalt madaltaseme funktsioon; need on alustala uuele polüglotse arenduse ajastule veebis ja kaugemalgi.

Sujuv integreerimine host-keskkondadega

Üks WasmGC kõige olulisemaid eeliseid on võime edastada viiteid hallatud objektidele, nagu struktuurid, otse üle Wasm-JavaScripti piiri. Wasm-funktsioon saab tagastada `(ref $point)` ja JavaScript saab sellele objektile läbipaistmatu viida. Seda viita saab salvestada, ringi liigutada ja saata tagasi teise Wasm-funktsiooni, mis teab, kuidas `$point`-ga opereerida.

See kaotab täielikult lineaarse mälumudeli kuluka serialiseerimismaksu. See võimaldab ehitada väga dünaamilisi rakendusi, kus keerulised andmestruktuurid elavad Wasm-i hallatud kuhjas, kuid neid orkestreerib JavaScript, saavutades mõlema maailma parimad omadused: suure jõudlusega loogika Wasm-is ja paindlik kasutajaliidese manipuleerimine JS-is.

Värav hallatud keeltele

WasmGC peamine motivatsioon oli muuta WebAssembly hallatud keelte jaoks esmaklassiliseks kodanikuks. Struktuurid on mehhanism, mis selle võimalikuks teeb.

• Kotlin/Wasm: Kotlini meeskond investeerib tugevalt uude Wasm-i taustaprogrammi, mis kasutab WasmGC-d. Kotlini `class` vastab peaaegu otse Wasm-i `struct`-ile. See võimaldab Kotlini koodi kompileerida väikesteks, tõhusateks Wasm-mooduliteks, mis võivad töötada brauseris, serverites või kõikjal, kus on Wasm-i käituskeskkond.
• Dart ja Flutter: Google võimaldab Dartil kompileerida WasmGC-ks. See võimaldab Flutteril, populaarsel kasutajaliidese tööriistakomplektil, käitada veebirakendusi, toetumata oma traditsioonilisele JavaScripti-põhisele veebimootorile, pakkudes potentsiaalselt märkimisväärseid jõudluse parandusi.
• Java, C# ja teised: On käimas projekte JVM-i ja .NET-i baitkoodi kompileerimiseks Wasm-iks. WasmGC struktuurid ja massiivid pakuvad vajalikke primitiive Java ja C# objektide esitamiseks, muutes nende ettevõttetaseme ökosüsteemide natiivse käitamise brauseris teostatavaks.

Jõudlus ja parimad praktikad

WasmGC on loodud jõudluse jaoks. Integreerudes mootori GC-ga, saab Wasm kasu aastakümnete pikkusest optimeerimisest prügikoristusalgoritmides, nagu põlvkondlikud GC-d, samaaegne märgistamine ja tihendavad korjajad.

Struktuuridega töötamisel kaaluge neid parimaid praktikaid:

• Eelistage muutumatust: Kasutage muutumatuid välju alati, kui see on võimalik. See muudab teie koodi lihtsamini mõistetavaks ja võib avada optimeerimisvõimalusi Wasm-i mootori jaoks.
• Mõistke struktuurset alamtüüpimist: Kasutage alamtüüpimist polümorfse koodi jaoks, kuid olge teadlik käitusaegsete tüübikontrollide (`ref.cast` või `br_on_cast`) jõudluskuludest jõudluskriitilistes tsüklites.
• Profileerige oma rakendust: Lineaarse mälu ja hallatud kuhja vastastikmõju võib olla keeruline. Kasutage brauseri ja käituskeskkonna profileerimisvahendeid, et mõista, kuhu aeg kulub, ja tuvastada võimalikud kitsaskohad eraldamisel või GC surves.

Kokkuvõte: Tugev vundament polüglotsele tulevikule

WebAssembly GC `struct` on palju enamat kui lihtne andmetüüp. See esindab fundamentaalset nihet selles, mis WebAssembly on ja milleks see võib saada. Pakkudes suure jõudlusega, staatiliselt tüübitud ja prügikoristusega viisi keeruliste andmete esitamiseks, avab see täieliku potentsiaali laiale hulgale programmeerimiskeeltele, mis on kujundanud kaasaegset tarkvaraarendust.

Kuna WasmGC tugi küpseb kõigis suuremates brauserites ja serveripoolsetes käituskeskkondades, sillutab see teed uue põlvkonna veebirakendustele, mis on kiiremad, tõhusamad ja ehitatud mitmekesisema tööriistakomplektiga kui kunagi varem. Tagasihoidlik `struct` ei ole lihtsalt funktsioon; see on sild tõeliselt universaalsele, polüglotsele arvutusplatvormile.