.wasm-i saladuste avamine: WebAssembly kohandatud jaotiste juhend

WebAssembly (Wasm) on põhjalikult muutnud seda, kuidas me mõtleme suure jõudlusega koodist veebis ja mujalgi. Seda kiidetakse sageli kui kaasaskantavat, tõhusat ja turvalist kompileerimissihtmärki keelte nagu C++, Rust ja Go jaoks. Kuid Wasmi moodul on enamat kui lihtsalt madala taseme käskude jada. WebAssembly binaarformaat on keerukas struktuur, mis on loodud mitte ainult täitmiseks, vaid ka laiendatavuseks. See laiendatavus saavutatakse peamiselt võimsa, kuid sageli tähelepanuta jäetud funktsiooni kaudu: kohandatud jaotised.

Kui olete kunagi silunud C++ koodi brauseri arendaja tööriistades või mõelnud, kuidas .wasm-fail teab, milline kompilaator selle lõi, olete kokku puutunud kohandatud jaotiste tööga. Need on määratud koht metaandmete, silumisinfo ja muude mittehädavajalike andmete jaoks, mis rikastavad arendaja kogemust ja annavad jõudu kogu tööriistaahela ökosüsteemile. See artikkel pakub põhjalikku süvaülevaadet WebAssembly kohandatud jaotistest, uurides, mis need on, miks need on olulised ja kuidas saate neid oma projektides ära kasutada.

WebAssembly mooduli anatoomia

Enne kui saame hinnata kohandatud jaotisi, peame kõigepealt mõistma .wasm-binaarfaili põhistruktuuri. Wasmi moodul on organiseeritud ritta täpselt määratletud „jaotisi”. Igal jaotisel on kindel eesmärk ja see on identifitseeritav numbrilise ID-ga.

WebAssembly spetsifikatsioon määratleb komplekti standardseid ehk „tuntud” jaotisi, mida Wasmi mootor vajab koodi käivitamiseks. Nende hulka kuuluvad:

• Tüüp (ID 1): Määratleb moodulis kasutatavad funktsioonide signatuurid (parameetrite ja tagastustüüpidega).
• Import (ID 2): Deklareerib funktsioone, mälusid või tabeleid, mida moodul impordib oma host-keskkonnast (nt JavaScripti funktsioonid).
• Funktsioon (ID 3): Seostab iga mooduli funktsiooni Tüübi jaotisest pärit signatuuriga.
• Tabel (ID 4): Määratleb tabeleid, mida kasutatakse peamiselt kaudsete funktsioonikutsungite implementeerimiseks.
• Mälu (ID 5): Määratleb mooduli poolt kasutatava lineaarse mälu.
• Globaalne (ID 6): Deklareerib mooduli jaoks globaalseid muutujaid.
• Eksport (ID 7): Teeb mooduli funktsioonid, mälud, tabelid või globaalsed muutujad kättesaadavaks host-keskkonnale.
• Start (ID 8): Määrab funktsiooni, mis käivitatakse automaatselt mooduli instantsimisel.
• Element (ID 9): Initsialiseerib tabeli funktsiooniviidetega.
• Kood (ID 10): Sisaldab tegelikku käivitatavat baidikoodi iga mooduli funktsiooni jaoks.
• Andmed (ID 11): Initsialiseerib lineaarse mälu segmente, mida kasutatakse sageli staatiliste andmete ja stringide jaoks.

Need standardjaotised on iga Wasmi mooduli tuum. Wasmi mootor parssib neid rangelt, et programmi mõista ja käivitada. Aga mis siis, kui tööriistaahel või keel peab salvestama lisateavet, mida käivitamiseks vaja ei ole? Siin tulevadki mängu kohandatud jaotised.

Mis täpselt on kohandatud jaotised?

Kohandatud jaotis on üldotstarbeline konteiner suvaliste andmete jaoks Wasmi moodulis. See on spetsifikatsioonis määratletud spetsiaalse jaotise ID-ga 0. Struktuur on lihtne, kuid võimas:

1. Jaotise ID: Alati 0, et tähistada kohandatud jaotist.
2. Jaotise suurus: Järgneva sisu kogusuurus baitides.
3. Nimi: UTF-8 kodeeringus string, mis identifitseerib kohandatud jaotise eesmärgi (nt "name", ".debug_info").
4. Sisu (Payload): Baitide jada, mis sisaldab jaotise tegelikke andmeid.

Kõige olulisem reegel kohandatud jaotiste kohta on järgmine: WebAssembly mootor, mis ei tunne ära kohandatud jaotise nime, peab selle sisu ignoreerima. See lihtsalt jätab jaotise suurusega määratletud baidid vahele. See elegantne disainivalik pakub mitmeid olulisi eeliseid:

• Tulevikuühilduvus: Uued tööriistad saavad lisada uusi kohandatud jaotisi, rikkumata vanemaid Wasmi käituskeskkondi.
• Ökosüsteemi laiendatavus: Keelearendajad, tööriistade loojad ja pakkijad saavad manustada oma metaandmeid, ilma et oleks vaja muuta Wasmi põhilist spetsifikatsiooni.
• Lahtisidestamine: Täitmisloogika on metaandmetest täielikult lahti seotud. Kohandatud jaotiste olemasolu või puudumine ei mõjuta programmi käitumist käitusajal.

Mõelge kohandatud jaotistest kui JPEG-pildi EXIF-andmete või MP3-faili ID3-siltide ekvivalendist. Need pakuvad väärtuslikku konteksti, kuid pole pildi kuvamiseks ega muusika esitamiseks vajalikud.

Levinud kasutusjuht 1: "name" jaotis inimloetavaks silumiseks

Üks laialdasemalt kasutatavaid kohandatud jaotisi on name jaotis. Vaikimisi viidatakse Wasmi funktsioonidele, muutujatele ja muudele elementidele nende numbrilise indeksi abil. Toorest Wasmi disassemblerit vaadates võite näha midagi sellist nagu call $func42. Kuigi masina jaoks on see tõhus, pole see inimarendajale abiks.

name jaotis lahendab selle, pakkudes vastavust indeksite ja inimloetavate stringinimede vahel. See võimaldab tööriistadel, nagu disassemblerid ja silurid, kuvada tähendusrikkaid identifikaatoreid algsest lähtekoodist.

Näiteks, kui kompileerite C-funktsiooni:

            int calculate_total(int items, int price) {
    return items * price;
}
            

              
                Copy
              
            
          

Kompilaator võib genereerida name jaotise, mis seostab sisemise funktsiooniindeksi (nt 42) stringiga "calculate_total". See võib nimetada ka lokaalsed muutujad "items" ja "price". Kui uurite Wasmi moodulit tööriistas, mis seda jaotist toetab, näete palju informatiivsemat väljundit, mis aitab silumisel ja analüüsil.

`name` jaotise struktuur

name jaotis ise on jagatud alajaotisteks, millest igaüks on identifitseeritav ühe baidiga:

• Mooduli nimi (ID 0): Annab nime kogu moodulile.
• Funktsioonide nimed (ID 1): Vastendab funktsiooniindeksid nende nimedega.
• Lokaalsed nimed (ID 2): Vastendab iga funktsiooni sees olevad lokaalsete muutujate indeksid nende nimedega.
• Siltide nimed, tüüpide nimed, tabelite nimed jne: On olemas ka teisi alajaotisi peaaegu iga Wasmi mooduli elemendi nimetamiseks.

name jaotis on esimene samm hea arendajakogemuse suunas, kuid see on alles algus. Tõeliseks lähtekoodi tasemel silumiseks vajame midagi palju võimsamat.

Silumise jõujaam: DWARF kohandatud jaotistes

Wasmi arenduse püha graal on lähtekoodi tasemel silumine: võime seada murdepunkte, uurida muutujaid ja samm-sammult läbida oma algset C++, Rusti või Go koodi otse brauseri arendaja tööriistades. See maagiline kogemus on võimalik peaaegu täielikult tänu DWARF-i silumisinfo manustamisele mitmesse kohandatud jaotisesse.

Mis on DWARF?

DWARF (Debugging With Attributed Record Formats) on standardiseeritud, keelest sõltumatu silumisandmete formaat. See on sama formaat, mida kasutavad natiivsed kompilaatorid nagu GCC ja Clang, et võimaldada silurite nagu GDB ja LLDB tööd. See on uskumatult rikkalik ja suudab kodeerida tohutul hulgal teavet, sealhulgas:

• Lähtekoodi vastendamine: Täpne vastavus iga WebAssembly käsu ja algse lähtefaili, rea numbri ja veeru numbri vahel.
• Muutujate info: Lokaalsete ja globaalsete muutujate nimed, tüübid ja skoobid. See teab, kus muutuja on igal ajahetkel koodis salvestatud (registris, magas jne).
• Tüübidefinitsioonid: Täielikud kirjeldused keerukatest tüüpidest nagu struktuurid, klassid, enumid ja unionid lähtekeelest.
• Funktsioonide info: Üksikasjad funktsioonide signatuuride kohta, sealhulgas parameetrite nimed ja tüübid.
• Inline-funktsioonide vastendamine: Teave kutsungite pinu rekonstrueerimiseks isegi siis, kui optimeerija on funktsioone inline'inud.

Kuidas DWARF töötab WebAssemblyga

Kompilaatoritel nagu Emscripten (kasutades Clang/LLVM-i) ja `rustc` on lipp (tavaliselt -g või -g4), mis annab neile käsu genereerida DWARF-i teavet koos Wasmi baidikoodiga. Tööriistaahel võtab seejärel selle DWARF-i andmestiku, jagab selle loogilisteks osadeks ja manustab iga osa eraldi kohandatud jaotisesse .wasm-failis. Kokkuleppeliselt on nende jaotiste nimed alguses punktiga:

• .debug_info: Tuumjaotis, mis sisaldab peamisi silumiskirjeid.
• .debug_abbrev: Sisaldab lühendeid, et vähendada .debug_info suurust.
• .debug_line: Reanumbrite tabel Wasmi koodi vastendamiseks lähtekoodiga.
• .debug_str: Stringitabel, mida kasutavad teised DWARF-i jaotised.
• .debug_ranges, .debug_loc ja paljud teised.

Kui laadite selle Wasmi mooduli kaasaegsesse brauserisse nagu Chrome või Firefox ja avate arendaja tööriistad, loeb tööriistades olev DWARF-i parser need kohandatud jaotised. See rekonstrueerib kogu teabe, mis on vajalik, et esitada teile vaade teie algsest lähtekoodist, võimaldades teil seda siluda justkui see töötaks natiivselt.

See on mängumuutja. Ilma DWARF-ita kohandatud jaotistes oleks Wasmi silumine valulik protsess, mis seisneks toormälu ja dešifreerimatu disassembleri vaatamises. Sellega muutub arendustsükkel sama sujuvaks kui JavaScripti silumine.

Rohkem kui silumine: Kohandatud jaotiste muud kasutusviisid

Kuigi silumine on peamine kasutusjuht, on kohandatud jaotiste paindlikkus viinud nende kasutuselevõtuni laias valikus tööriistade ja keelespetsiifiliste vajaduste jaoks.

Tööriistaspetsiifilised metaandmed: `producers` jaotis

Sageli on kasulik teada, milliseid tööriistu kasutati antud Wasmi mooduli loomiseks. `producers` jaotis loodi just selleks. See salvestab teavet tööriistaahela kohta, näiteks kompilaatori, linkeri ja nende versioonide kohta. Näiteks võib `producers` jaotis sisaldada:

• Keel: "C++ 17", "Rust 1.65.0"
• Töödeldud: "Clang 16.0.0", "binaryen 111"
• SDK: "Emscripten 3.1.25"

See metaandmestik on hindamatu väärtusega ehituste reprodutseerimiseks, vigadest teatamiseks õigetele tööriistaahela autoritele ja automatiseeritud süsteemidele, mis peavad mõistma Wasmi binaarfaili päritolu.

Linkimine ja dünaamilised teegid

WebAssembly spetsifikatsioonil selle algsel kujul ei olnud linkimise kontseptsiooni. Staatiliste ja dünaamiliste teekide loomise võimaldamiseks loodi konventsioon, kasutades kohandatud jaotisi. `linking` kohandatud jaotis sisaldab metaandmeid, mida Wasm-teadlik linker (nagu `wasm-ld`) vajab sümbolite lahendamiseks, ümberpaigutuste käsitlemiseks ja jagatud teekide sõltuvuste haldamiseks. See võimaldab suuri rakendusi jaotada väiksemateks, hallatavateks mooduliteks, nagu ka natiivses arenduses.

Keelepõhised käituskeskkonnad

Hallatud käituskeskkondadega keeled, nagu Go, Swift või Kotlin, vajavad sageli metaandmeid, mis ei ole osa Wasmi põhimudelist. Näiteks peab prügikoristaja (GC) teadma mälus olevate andmestruktuuride paigutust, et tuvastada viiteid. Seda paigutusteavet saab salvestada kohandatud jaotises. Samamoodi võivad funktsioonid nagu peegeldus (reflection) Go's tugineda kohandatud jaotistele, et salvestada tüübinimesid ja metaandmeid kompileerimise ajal, mida Go käituskeskkond Wasmi moodulis saab seejärel täitmise ajal lugeda.

Tulevik: WebAssembly komponentmudel

Üks põnevamaid tulevikusuundi WebAssembly jaoks on Komponentmudel. Selle ettepaneku eesmärk on võimaldada tõelist, keelest sõltumatut koostalitlusvõimet Wasmi moodulite vahel. Kujutage ette Rusti komponenti, mis kutsub sujuvalt välja Pythoni komponendi, mis omakorda kasutab C++ komponenti, kusjuures nende vahel liiguvad rikkalikud andmetüübid.

Komponentmudel tugineb tugevalt kohandatud jaotistele, et defineerida kõrgetasemelisi liideseid, tüüpe ja maailmu (worlds). See metaandmestik kirjeldab, kuidas komponendid suhtlevad, võimaldades tööriistadel genereerida vajaliku liimkoodi automaatselt. See on suurepärane näide sellest, kuidas kohandatud jaotised pakuvad aluse keerukate uute võimekuste ehitamiseks Wasmi põhistandardi peale.

Praktiline juhend: Kohandatud jaotiste uurimine ja muutmine

Kohandatud jaotiste mõistmine on suurepärane, aga kuidas nendega töötada? Selleks on saadaval mitu standardset tööriista.

Olulised tööriistad

• WABT (The WebAssembly Binary Toolkit): See tööriistakomplekt on iga Wasmi arendaja jaoks hädavajalik. `wasm-objdump` utiliit on eriti kasulik. Käsu wasm-objdump -h your_module.wasm käivitamine loetleb kõik mooduli jaotised, sealhulgas kohandatud jaotised.
• Binaryen: See on võimas kompilaator ja tööriistaahela infrastruktuur Wasmi jaoks. See sisaldab utiliiti wasm-strip, mis eemaldab moodulist kohandatud jaotised.
• Dwarfdump: Standardne utiliit (sageli pakendatud koos Clang/LLVM-iga) DWARF-i silumisjaotiste sisu parssimiseks ja printimiseks inimloetavas vormingus.

Näidistöövoog: Ehita, uuri, eemalda

Vaatame läbi levinud arendustöövoo lihtsa C++ failiga, main.cpp:

            #include 

int main() {
    std::cout << "Hello from WebAssembly!" << std::endl;
    return 0;
}
            

              
                Copy
              
            
          

1. Kompileeri silumisinfoga: Kasutame Emscripteni, et kompileerida see Wasmiks, kasutades -g lippu DWARF-i silumisinfo lisamiseks.

emcc main.cpp -g -o main.wasm

2. Uuri jaotisi: Nüüd kasutame wasm-objdump'i, et näha, mis seal sees on.

wasm-objdump -h main.wasm

Väljundis näete standardjaotisi (Tüüp, Funktsioon, Kood jne) ning pikka nimekirja kohandatud jaotistest nagu name, .debug_info, .debug_line jne. Pange tähele faili suurust; see on oluliselt suurem kui silumisinfota versioon.

3. Eemalda produktsiooni jaoks: Produktsiooniversiooni jaoks ei taha me tarnida seda suurt faili koos kogu silumisinfoga. Kasutame selle eemaldamiseks wasm-strip'i.

wasm-strip main.wasm -o main.stripped.wasm

4. Uuri uuesti: Kui käivitate wasm-objdump -h main.stripped.wasm, näete, et kõik kohandatud jaotised on kadunud. Faili main.stripped.wasm suurus on murdosa algsest, mis teeb selle allalaadimise ja laadimise palju kiiremaks.

Kompromissid: Suurus, jõudlus ja kasutatavus

Kohandatud jaotised, eriti DWARF-i jaoks, toovad kaasa ühe suure kompromissi: faili suurus. Pole haruldane, et DWARF-i andmed on 5-10 korda suuremad kui tegelik Wasmi kood. Sellel võib olla oluline mõju veebirakendustele, kus allalaadimisajad on kriitilised.

Seetõttu on "eemalda produktsiooni jaoks" töövoog nii oluline. Parim praktika on:

• Arenduse ajal: Kasutage täieliku DWARF-infoga versioone, et saada rikkalik, lähtekoodi tasemel silumiskogemus.
• Produktsioonis: Tarnige kasutajatele täielikult puhastatud Wasmi binaarfail, et tagada võimalikult väike suurus ja kiireimad laadimisajad.

Mõned täiustatud seadistused hostivad silumisversiooni isegi eraldi serveris. Brauseri arendaja tööriistu saab konfigureerida seda suuremat faili nõudmisel alla laadima, kui arendaja soovib produktsiooniprobleemi siluda, andes teile mõlemast maailmast parima. See sarnaneb sellega, kuidas lähtekoodi kaardid (source maps) töötavad JavaScripti puhul.

On oluline märkida, et kohandatud jaotistel pole praktiliselt mingit mõju käitusaja jõudlusele. Wasmi mootor tuvastab need kiiresti nende ID 0 järgi ja jätab parssimise ajal nende sisu lihtsalt vahele. Kui moodul on laaditud, ei kasuta mootor kohandatud jaotise andmeid, seega ei aeglusta see teie koodi täitmist.

Kokkuvõte

WebAssembly kohandatud jaotised on laiendatava binaarformaadi disaini meistriklass. Need pakuvad standardiseeritud, tulevikuühilduvat mehhanismi rikkalike metaandmete manustamiseks, ilma et see muudaks keerulisemaks põhilist spetsifikatsiooni või mõjutaks käitusaja jõudlust. Need on nähtamatu mootor, mis toidab kaasaegset Wasmi arendajakogemust, muutes silumise salapärasest kunstist sujuvaks ja produktiivseks protsessiks.

Alates lihtsatest funktsiooninimedest kuni DWARFi kõikehõlmava universumini ja Komponentmudeli tulevikuni on kohandatud jaotised need, mis tõstavad WebAssembly pelgalt kompileerimissihtmärgist õitsevaks, tööriistadega varustatud ökosüsteemiks. Järgmine kord, kui seate oma brauseris töötavas Rusti koodis murdepunkti, võtke hetk, et hinnata kohandatud jaotiste vaikset ja võimsat tööd, mis selle võimalikuks tegi.