WebAssembly mitme väärtusega ABI: Funktsiooniliideste optimeerimine jõudluse parandamiseks

WebAssembly (Wasm) on kujunenud kaasaegsete veebi- ja mitteveebirakenduste keskseks tehnoloogiaks, pakkudes peaaegu natiivset jõudlust, turvalisust ja kaasaskantavust. WebAssembly disaini oluline aspekt on selle rakenduse binaarliides (ABI), mis määratleb, kuidas funktsioone kutsutakse ja andmeid vahetatakse. Mitme väärtusega ABI kasutuselevõtt on märkimisväärne areng, mis võimaldab funktsioonidel otse mitu väärtust tagastada, viies märgatavate jõudlusparanduste ja lihtsustatud koodi genereerimiseni. See artikkel annab põhjaliku ülevaate WebAssembly mitme väärtusega ABI-st, selle eelistest, kasutusjuhtudest ja mõjust laiemale ökosüsteemile.

WebAssembly ABI mõistmine

WebAssembly ABI määratleb funktsioonide kutsumiskonventsioonid, sealhulgas argumentide edastamise, tagastatavate väärtuste käsitlemise ja mälu haldamise viisid. Algselt olid WebAssembly funktsioonid piiratud ühe väärtuse tagastamisega. See piirang tingis sageli vajaduse kasutada lahendusi, nagu näiteks viida tagastamine mitut väärtust sisaldavale struktuurile või viite kaudu edastatud väljundparameetrite kasutamine. Need lähenemisviisid tekitasid lisakulusid mäluerduse, kaudsuse ja koodi genereerimise keerukuse tõttu.

Ühe väärtuse piirang

Enne mitme väärtuse ettepanekut kaaluge stsenaariumi, kus funktsioon peab tagastama nii tulemuse kui ka veakoodi. Keeltes nagu C või C++ lahendataks see tavaliselt struktuuri tagastamisega:

            
struct Result {
  int value;
  int error_code;
};

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

            

              
                Copy
              
            
          

WebAssembly'sse kompileerimisel tähendaks see mälu eraldamist `Result` struktuuri jaoks Wasmi lineaarses mälus, väljade täitmist ja viida tagastamist sellele mälukohale. Kutsuv funktsioon peaks seejärel selle viida dereferentseerima, et pääseda ligi üksikutele väärtustele. See protsess hõlmab täiendavaid mälutoiminguid ja viitade haldamist, mis suurendab täitmisaega ja koodi mahtu.

Mitme väärtuse revolutsioon

Mitme väärtuse ettepanek eemaldab selle piirangu, lubades WebAssembly funktsioonidel otse mitu väärtust tagastada. See kaotab vajaduse vahepealsete mäluerduste ja viitadega manipuleerimise järele, tulemuseks on tõhusam koodi genereerimine ja kiirem täitmine.

Mitme väärtusega ABI eelised

• Jõudluse parandamine: Eemaldades mäluerduse ja viitade dereferentseerimise, vähendab mitme väärtusega ABI lisakulusid, mis viib kiiremate täitmisaegadeni, eriti funktsioonide puhul, mis sageli tagastavad mitu väärtust.
• Lihtsustatud koodi genereerimine: Kompilaatorid saavad otse vastendada mitu tagastatavat väärtust WebAssembly mitme väärtuse käskudele, lihtsustades koodi genereerimise protsessi ja vähendades kompilaatori keerukust.
• Parem koodi selgus: Mitme väärtusega funktsioonid muudavad koodi lugemise ja mõistmise lihtsamaks, kuna mitme seotud väärtuse tagastamise kavatsus on selgesõnalisem.
• Parendatud koostöövõime: Mitme väärtusega ABI hõlbustab sujuvat koostööd WebAssembly moodulite ja teiste keelte vahel, kuna see ühtib paremini nende keelte semantikaga, mis toetavad loomulikult mitme väärtuse tagastamist (nt Go, Rust, Python).

Praktilised näited ja kasutusjuhud

Mitme väärtusega ABI on kasulik laias rakenduste valikus. Vaatleme mõningaid praktilisi näiteid:

1. Veakäsitlus

Nagu varem mainitud, on tulemuse ja veakoodi tagastamine levinud muster. Mitme väärtusega ABI abil saab seda väljendada otse:

            
;; WebAssembly funktsioon tagastab (tulemus:i32, veakood:i32)
(func $my_function (result i32 i32)
  ;; ... arvutus ...
  (i32.const 42)
  (i32.const 0)  ;; 0 tähendab edukat sooritust
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

See väldib struktuuri eraldamise ja viida edastamisega seotud lisakulusid. Kutsuv funktsioon pääseb otse ligi tulemusele ja veakoodile:

            
(func $caller
  (local $result i32)
  (local $error_code i32)
  (call $my_function)
  (local.set $result (result 0))
  (local.set $error_code (result 1))
  ;; ... kasuta $tulemus ja $veakood ...
)

            

              
                Copy
              
            
          

2. Keerukad andmestruktuurid ja ennikud

Funktsioonid, mis peavad tagastama mitu seotud väärtust, näiteks koordinaadid (x, y, z) või statistilised kokkuvõtted (keskmine, standardhälve), saavad mitme väärtusega ABI-st kasu. Kaaluge funktsiooni, mis arvutab punktide hulga piirdekasti (bounding box):

            
;; WebAssembly funktsioon tagastab (min_x:f64, min_y:f64, max_x:f64, max_y:f64)
(func $bounding_box (param $points i32) (result f64 f64 f64 f64)
  ;; ... arvutus ...
  (f64.const 10.0)
  (f64.const 20.0)
  (f64.const 30.0)
  (f64.const 40.0)
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

See kaotab vajaduse luua kohandatud struktuur piirdekasti koordinaatide hoidmiseks.

3. Kompilaatori väljundi optimeerimine

Kompilaatorid saavad kasutada mitme väärtusega ABI-d, et toota tõhusamat WebAssembly koodi. Näiteks kaaluge funktsiooni, mis teostab jagamise ja tagastab nii jagatise kui ka jäägi. Keeled nagu C toetuvad selleks sageli kompilaatori sisseehitatud funktsioonidele (intrinsics) või teegi funktsioonidele. Mitme väärtusega ABI abil saab kompilaator otse vastendada jagatise ja jäägi eraldi tagastatavatele väärtustele:

            
;; WebAssembly funktsioon tagastab (jagatis:i32, jääk:i32)
(func $div_rem (param $a i32) (param $b i32) (result i32 i32)
  (local $quotient i32)
  (local $remainder i32)
  ;; ... jagamise ja jäägi arvutamine ...
  (i32.div_s (get_local $a) (get_local $b))
  (i32.rem_s (get_local $a) (get_local $b))
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

4. Mänguarendus ja multimeedia

Mänguarendus hõlmab sageli funktsioone, mis tagastavad mitu teabeosa, näiteks mänguobjektide asukoha, kiiruse ja kiirenduse. Sarnaselt võivad multimeediarakendused nõuda funktsioone, mis tagastavad mitu heli- või videonäidist. Mitme väärtusega ABI võib nende funktsioonide jõudlust oluliselt parandada.

Näiteks funktsioon, mis arvutab kiire ja kolmnurga lõikepunkti, võib tagastada tõeväärtuse, mis näitab, kas lõikumine toimus, koos lõikepunkti koordinaatidega. Nende väärtuste tagastamine eraldi üksustena on tõhusam kui nende pakkimine struktuuri.

Rakendamine ja tööriistade tugi

Mitme väärtusega ABI tugi on integreeritud peamistesse WebAssembly tööriistakettidesse ja käituskeskkondadesse, sealhulgas:

• Kompilaatorid: LLVM, Emscripten, Binaryen ja teised kompilaatorid on uuendatud, et toetada WebAssembly koodi genereerimist, mis kasutab mitme väärtusega ABI-d.
• Käituskeskkonnad: Peamised veebibrauserid (Chrome, Firefox, Safari, Edge) ja eraldiseisvad WebAssembly käituskeskkonnad (Wasmtime, Wasmer) toetavad mitme väärtusega ABI-d.
• Arendustööriistad: Silurid, disassemblerid ja muud arendustööriistad on uuendatud, et käsitleda mitme väärtusega funktsioone.

Mitme väärtusega ABI eeliste ärakasutamiseks peavad arendajad tagama, et nende tööriistakett ja käituskeskkond seda toetavad. Tavaliselt hõlmab see kompilaatorite ja käituskeskkondade uusimate versioonide kasutamist ning vastavate lippude või sätete lubamist.

Näide: Emscripteni kasutamine

Kompileerides C/C++ koodi WebAssembly'sse Emscripteniga, saate mitme väärtusega ABI lubada, edastades `emcc` käsule lipu `-s SUPPORT_MULTIVALUE=1`:

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

            

              
                Copy
              
            
          

See annab Emscriptenile käsu genereerida WebAssembly koodi, mis kasutab võimaluse korral mitme väärtusega ABI-d. Pange tähele, et ka Emscripteni genereeritud JavaScripti liimkood (glue code) peab olema uuendatud, et käsitleda mitme väärtusega tagastusi. Tavaliselt teeb uuendatud Emscripteni tööriistakett seda läbipaistvalt.

Jõudlusega seotud kaalutlused ja võrdlustestimine

Mitme väärtusega ABI jõudluse eelised võivad varieeruda sõltuvalt konkreetsest kasutusjuhust ja koodi omadustest. Funktsioonid, mis sageli tagastavad mitu väärtust, näevad tõenäoliselt kõige olulisemaid parandusi. On ülioluline võrrelda koodi jõudlust mitme väärtusega ABI-ga ja ilma selleta, et kvantifitseerida tegelikku jõudluse kasvu.

Jõudluse mõju võivad mõjutada järgmised tegurid:

• Mitme väärtuse tagastamise sagedus: Mida sagedamini funktsioon tagastab mitu väärtust, seda suurem on potentsiaalne kasu.
• Tagastatavate väärtuste suurus: Suurte andmestruktuuride tagastamisel mitme väärtusena võivad olla erinevad jõudlusomadused võrreldes skalaarväärtuste tagastamisega.
• Kompilaatori optimeerimine: Kompilaatori koodi genereerimise kvaliteet võib jõudlust oluliselt mõjutada.
• Käituskeskkonna implementatsioon: WebAssembly käituskeskkonna mitme väärtuse käsitlemise tõhusus võib samuti jõudlust mõjutada.

Võrdlustestimine tuleks läbi viia realistlike töökoormustega ja erinevates WebAssembly käituskeskkondades, et saada põhjalik ülevaade jõudluse mõjust.

Näide: Jõudluse võrdlus

Vaatleme lihtsat funktsiooni, mis arvutab kahe arvu summa ja korrutise:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Ilma mitme väärtuseta nõuaks see viitade edastamist `sum`-ile ja `product`-ile. Mitme väärtusega saaks funktsiooni ümber kirjutada, et see tagastaks summa ja korrutise otse:

            
// C++ - Vajab vastavaid kompilaatori lippe, et C++-st kahte väärtust tagastada.
std::tuple<int, int> calculate(int a, int b) {
  return std::make_tuple(a + b, a * b);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Mõlema versiooni võrdlustestimine näitaks tõenäoliselt jõudluse paranemist mitme väärtusega versiooni puhul, eriti kui seda funktsiooni sageli kutsutakse.

Väljakutsed ja kaalutlused

Kuigi mitme väärtusega ABI pakub märkimisväärseid eeliseid, on ka mõningaid väljakutseid ja kaalutlusi, millest tuleks teadlik olla:

• Tööriistaketi tugi: Veenduge, et teie kompilaator, käituskeskkond ja arendustööriistad toetaksid täielikult mitme väärtusega ABI-d.
• JavaScripti koostöövõime: WebAssembly moodulitega suhtlemine JavaScriptist nõuab mitme väärtusega tagastuste hoolikat käsitlemist. JavaScripti API peab olema uuendatud, et mitu väärtust korrektselt eraldada. Uuemad WebAssembly liidesetüüpide (interface types ehk "wit") versioonid on loodud koostöövõime ja tüübikonversiooni väljakutsete lahendamiseks.
• Koodi kaasaskantavus: Kuigi WebAssembly on loodud kaasaskantavaks, võib mitme väärtusega ABI-le tugineva koodi käitumine erinevates käituskeskkondades veidi erineda. Soovitatav on põhjalik testimine.
• Silumine: Mitme väärtusega funktsioonide silumine võib olla keerulisem kui ühe väärtusega funktsioonide silumine. Veenduge, et teie silur toetab mitme tagastatava väärtuse inspekteerimist.

WebAssembly ABI-de tulevik

Mitme väärtusega ABI on oluline samm edasi WebAssembly arengus. Tulevased arengud võivad hõlmata:

• Laiendatud tugi keerukatele andmetüüpidele: Mitme väärtusega ABI laiendamine keerukamate andmetüüpide, näiteks struktuuride ja massiivide, toetamiseks võiks veelgi parandada jõudlust ja lihtsustada koodi genereerimist.
• Standardiseeritud koostöövõime mehhanismid: Standardiseeritud mehhanismide arendamine WebAssembly moodulite ja teiste keelte vaheliseks koostööks võiks vähendada keeltevahelise arenduse keerukust.
• Täiustatud optimeerimistehnikad: Täiustatud optimeerimistehnikate uurimine, mis kasutavad mitme väärtusega ABI-d, võiks viia veelgi suurema jõudluse kasvuni.

Kokkuvõte

WebAssembly mitme väärtusega ABI on võimas funktsioon, mis võimaldab funktsiooniliideste optimeerimist, viies jõudluse paranemise, lihtsustatud koodi genereerimise ja parema koostöövõimeni. Lubades funktsioonidel otse mitu väärtust tagastada, kaotab see mäluerduse ja viitadega manipuleerimisega seotud lisakulud. WebAssembly edasi arenedes hakkab mitme väärtusega ABI mängima üha olulisemat rolli suure jõudlusega veebi- ja mitteveebirakenduste võimaldamisel. Arendajatel soovitatakse uurida mitme väärtusega ABI eeliseid ja lisada see oma WebAssembly arendustöövoogudesse.

Kasutades mitme väärtusega ABI-d, saavad arendajad üle maailma luua tõhusamaid, jõudlikumaid ja hooldatavamaid WebAssembly rakendusi, nihutades veebis ja mujal võimaliku piire.