WebAssembly mitmikmälu: mitme mälu eksemplari haldamise selgitus

WebAssembly (WASM) on revolutsioneerinud veebiarendust, võimaldades brauseris töötavatele rakendustele peaaegu-natiivset jõudlust. WASM-i tuumosaspektiks on selle mälumudel. Algselt toetas WebAssembly ainult ühte lineaarset mälu eksemplari mooduli kohta. Ent mitmikmälu ettepaneku kasutuselevõtt laiendab oluliselt WASM-i võimekust, lubades moodulitel hallata mitut mälu eksemplari. See artikkel pakub põhjalikku ülevaadet WebAssembly mitmikmälust, selle eelistest, kasutusjuhtumitest ja implementeerimise detailidest arendajatele üle kogu maailma.

Mis on WebAssembly mitmikmälu?

Enne detailidesse sukeldumist defineerime, mis WebAssembly mitmikmälu tegelikult on. Algses WASM-i spetsifikatsioonis oli iga moodul piiratud ühe lineaarse mäluga – järjestikuse baidiplokiga, millele WASM-i moodul sai otse ligi pääseda. Seda mälu kasutati tavaliselt mooduli andmete, sealhulgas muutujate, massiivide ja muude andmestruktuuride, salvestamiseks.

Mitmikmälu kaotab selle piirangu, lubades WebAssembly moodulil luua, importida ja eksportida mitut eraldiseisvat lineaarset mälu eksemplari. Iga mälu eksemplar toimib iseseisva mäluruumina, mida saab eraldi suurustada ja hallata. See avab võimalused keerukamatele mäluhaldusskeemidele, paremale modulaarsusele ja täiustatud turvalisusele.

Mitmikmälu eelised

Mitmikmälu kasutuselevõtt toob WebAssembly arendusse mitmeid olulisi eeliseid:

1. Parem modulaarsus

Mitmikmälu võimaldab arendajatel jaotada oma rakenduse erinevad osad eraldi mälu eksemplaridesse. See parandab modulaarsust, isoleerides andmeid ja vältides komponentide vahelist soovimatut sekkumist. Näiteks võib suur rakendus jagada oma mälu eraldi eksemplarideks kasutajaliidese, mängumootori ja võrgukoodi jaoks. See isolatsioon võib oluliselt lihtsustada silumist ja hooldust.

2. Täiustatud turvalisus

Andmete isoleerimisega eraldi mälu eksemplaridesse saab mitmikmälu parandada WebAssembly rakenduste turvalisust. Kui üks mälu eksemplar kompromiteeritakse, on ründaja juurdepääs piiratud selle eksemplariga, takistades tal juurdepääsu teistes rakenduse osades olevatele andmetele või nende muutmist. See on eriti oluline rakenduste puhul, mis käsitlevad tundlikke andmeid, näiteks finantstehinguid või isiklikku teavet. Kujutage ette e-kaubanduse saiti, mis kasutab maksete töötlemiseks WASM-i. Maksete töötlemise loogika isoleerimine eraldi mäluruumi kaitseb seda haavatavuste eest teistes rakenduse osades.

3. Lihtsustatud mäluhaldus

Ühe suure lineaarse mälu haldamine võib olla keeruline, eriti keerukate rakenduste puhul. Mitmikmälu lihtsustab mäluhaldust, võimaldades arendajatel eraldada ja vabastada mälu väiksemate, paremini hallatavate tükkidena. See võib vähendada mälu fragmenteerumist ja parandada üldist jõudlust. Lisaks saab erinevaid mälu eksemplare konfigureerida erinevate mälu kasvu parameetritega, mis võimaldab peenekoelist kontrolli mälukasutuse üle. Näiteks võib graafikamahukas rakendus eraldada suurema mälu eksemplari tekstuuride ja mudelite jaoks, kasutades samal ajal kasutajaliidese jaoks väiksemat eksemplari.

4. Toetus keelefunktsioonidele

Paljudel programmeerimiskeeltel on funktsioone, mida on ühe lineaarse mäluga raske või võimatu tõhusalt implementeerida. Näiteks toetavad mõned keeled mitut kuhja (heap) või prügikogujat (garbage collector). Mitmikmälu teeb nende funktsioonide toetamise WebAssemblys lihtsamaks. Keeled nagu Rust, mille fookuses on mäluturvalisus, saavad kasutada mitmikmälu rangemate mälupiiride kehtestamiseks ja levinud mäluga seotud vigade vältimiseks.

5. Suurenenud jõudlus

Mõnel juhul võib mitmikmälu parandada WebAssembly rakenduste jõudlust. Andmete isoleerimisega eraldi mälu eksemplaridesse saab see vähendada konkurentsi mäluressurssidele ja parandada vahemälu lokaalsust. Lisaks avab see ukse tõhusamatele prügikogumisstrateegiatele, kuna igal mälu eksemplaril võib potentsiaalselt olla oma prügikoguja. Näiteks võib teadusliku simulatsiooni rakendus saada kasu paremast andmete lokaalsusest, töödeldes suuri andmekogumeid, mis on salvestatud eraldi mälu eksemplaridesse.

Mitmikmälu kasutusjuhud

Mitmikmälul on WebAssembly arenduses lai valik potentsiaalseid kasutusjuhtumeid:

1. Mänguarendus

Mängumootorid haldavad sageli mitut kuhja erinevat tüüpi andmete jaoks, näiteks tekstuurid, mudelid ja heli. Mitmikmälu teeb olemasolevate mängumootorite portimise WebAssembly'sse lihtsamaks. Erinevatele mängu alamsüsteemidele saab määrata oma mäluruumid, mis muudab portimisprotsessi sujuvamaks ja parandab jõudlust. Lisaks võib mälu isoleerimine suurendada turvalisust, vältides ründeid, mis on suunatud konkreetsetele mängu varadele.

2. Keerukad veebirakendused

Suured veebirakendused saavad kasu mitmikmälu modulaarsusest ja turvalisuse eelistest. Jagades rakenduse eraldi mooduliteks, millel on oma mälu eksemplarid, saavad arendajad parandada koodi hooldatavust ja vähendada turvaaukude riski. Näiteks kujutage ette veebipõhist kontoripaketti eraldi moodulitega tekstitöötluse, tabelarvutuse ja esitluste jaoks. Igal moodulil võib olla oma mälu eksemplar, mis tagab isolatsiooni ja lihtsustab mäluhaldust.

3. Serveripoolne WebAssembly

WebAssembly't kasutatakse üha enam serveripoolsetes keskkondades, näiteks servaarvutuses ja pilvefunktsioonides. Mitmikmälu saab kasutada erinevate rentnike või samal serveril töötavate rakenduste isoleerimiseks, parandades turvalisust ja ressursside haldamist. Näiteks võib serverivaba platvorm kasutada mitmikmälu erinevate funktsioonide mäluruumide isoleerimiseks, takistades neil üksteist segamast.

4. Liivakast ja turvalisus

Mitmikmälu saab kasutada liivakastide loomiseks usaldusväärseta koodi jaoks. Käitades koodi eraldi mälu eksemplaris, saavad arendajad piirata selle juurdepääsu süsteemi ressurssidele ja vältida kahju tekitamist. See on eriti kasulik rakenduste puhul, mis peavad käivitama kolmanda osapoole koodi, näiteks pistikprogrammisüsteemid või skriptimootorid. Näiteks võib pilvemänguplatvorm kasutada mitmikmälu kasutajate loodud mängusisu isoleerimiseks, vältides pahatahtlike skriptide platvormi kompromiteerimist.

5. Sardsüsteemid

WebAssembly on leidmas teed sardsüsteemidesse, kus ressursipiirangud on suur murekoht. Mitmikmälu aitab nendes keskkondades mälu tõhusalt hallata, eraldades erinevate ülesannete või moodulite jaoks eraldi mälu eksemplarid. See isolatsioon võib parandada ka süsteemi stabiilsust, takistades ühe mooduli kogu süsteemi kokkujooksmist mälukorruptsiooni tõttu.

Implementeerimise detailid

Mitmikmälu implementeerimine WebAssemblys nõuab muudatusi nii WebAssembly spetsifikatsioonis kui ka WebAssembly mootorites (brauserid, käituskeskkonnad). Siin on ülevaade mõnest olulisest aspektist:

1. WebAssembly tekstivormingu (WAT) süntaks

WebAssembly tekstivormingut (WAT) on laiendatud mitme mälu eksemplari toetamiseks. memory käsk võib nüüd võtta valikulise identifikaatori, et määrata, millise mälu eksemplariga opereerida. Näiteks:

            (module
  (memory (export "mem1") 1)
  (memory (export "mem2") 2)
  (func (export "read_mem1") (param i32) (result i32)
    (i32.load (memory 0) (local.get 0)) ;; Juurdepääs mem1-le
  )
  (func (export "read_mem2") (param i32) (result i32)
    (i32.load (memory 1) (local.get 0)) ;; Juurdepääs mem2-le
  )
)
            

              
                Copy
              
            
          

Selles näites on defineeritud ja eksporditud kaks mälu eksemplari, "mem1" ja "mem2". Funktsioon read_mem1 pääseb juurde esimesele mälu eksemplarile, samas kui funktsioon read_mem2 pääseb juurde teisele mälu eksemplarile. Pange tähele indeksi (0 või 1) kasutamist, et määrata, millisele mälule i32.load käsus juurde pääseda.

2. JavaScripti API

Ka WebAssembly JavaScripti API-d on uuendatud mitmikmälu toetamiseks. Konstruktorit WebAssembly.Memory saab nüüd kasutada mitme mälu eksemplari loomiseks ning neid eksemplare saab WebAssembly moodulitest importida ja eksportida. Samuti saate üksikuid mälu eksemplare kätte saada nende ekspordinimede järgi. Näiteks:

            const memory1 = new WebAssembly.Memory({ initial: 10 });
const memory2 = new WebAssembly.Memory({ initial: 20 });

const importObject = {
  env: {
    memory1: memory1,
    memory2: memory2
  }
};

WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'), importObject)
  .then(result => {
    // Juurdepääs eksporditud funktsioonidele, mis kasutavad memory1 ja memory2
    const read_mem1 = result.instance.exports.read_mem1;
    const read_mem2 = result.instance.exports.read_mem2;
  });

            

              
                Copy
              
            
          

Selles näites luuakse JavaScriptis kaks mälu eksemplari, memory1 ja memory2. Seejärel edastatakse need mälu eksemplarid WebAssembly moodulile importidena. WebAssembly moodul saab seejärel neile mälu eksemplaridele otse juurde pääseda.

3. Mälu kasv

Igal mälu eksemplaril võivad olla oma sõltumatud kasvu parameetrid. See tähendab, et arendajad saavad kontrollida, kui palju mälu iga eksemplar saab eraldada ja kui palju see saab kasvada. Käsku memory.grow saab kasutada konkreetse mälu eksemplari suuruse suurendamiseks. Igal mälul võivad olla erinevad piirangud, mis võimaldab täpset mäluhaldust.

4. Kaalutlused kompilaatorite jaoks

Kompilaatorite tööriistaketid, nagu need C++, Rusti ja AssemblyScripti jaoks, tuleb uuendada, et ära kasutada mitmikmälu. See hõlmab WebAssembly koodi genereerimist, mis kasutab erinevatele mälu eksemplaridele juurdepääsemisel õigeid mälu indekseid. Selle detailid sõltuvad konkreetsest kasutatavast keelest ja kompilaatorist, kuid üldiselt hõlmab see kõrgetasemeliste keelekonstruktsioonide (nagu mitu kuhja) kaardistamist WebAssembly aluseks olevale mitmikmälu funktsionaalsusele.

Näide: Mitmikmälu kasutamine Rustiga

Vaatleme lihtsat näidet mitmikmälu kasutamisest Rusti ja WebAssemblyga. See näide loob kaks mälu eksemplari ja kasutab neid erinevat tüüpi andmete salvestamiseks.

Esmalt looge uus Rusti projekt:

            cargo new multi-memory-example --lib
cd multi-memory-example
            

              
                Copy
              
            
          

Lisage järgmised sõltuvused oma Cargo.toml faili:

            [dependencies]
wasm-bindgen = "0.2"

            

              
                Copy
              
            
          

Looge fail nimega src/lib.rs järgmise koodiga:

            use wasm_bindgen::prelude::*;

#[wasm_bindgen]
extern "C" {
    #[wasm_bindgen(js_namespace = console)]
    fn log(s: &str);
}

// Deklareerige mälu impordid
#[wasm_bindgen(module = "./index")]
extern "C" {
    #[wasm_bindgen(js_name = memory1)]
    static MEMORY1: JsValue;
    #[wasm_bindgen(js_name = memory2)]
    static MEMORY2: JsValue;
}

#[wasm_bindgen]
pub fn write_to_memory1(offset: usize, value: u32) {
    let memory: &WebAssembly::Memory = &MEMORY1.into();
    let buffer = unsafe { memory.buffer().slice() };
    let array = unsafe { &mut *(buffer.as_ptr() as *mut [u32; 1024]) }; // Eeldades mälu suurust
    array[offset] = value;
    log(&format!("Kirjutati {} mällu memory1 nihkega {}", value, offset));
}

#[wasm_bindgen]
pub fn write_to_memory2(offset: usize, value: u32) {
    let memory: &WebAssembly::Memory = &MEMORY2.into();
    let buffer = unsafe { memory.buffer().slice() };
    let array = unsafe { &mut *(buffer.as_ptr() as *mut [u32; 1024]) }; // Eeldades mälu suurust
    array[offset] = value;
    log(&format!("Kirjutati {} mällu memory2 nihkega {}", value, offset));
}

#[wasm_bindgen]
pub fn read_from_memory1(offset: usize) -> u32 {
    let memory: &WebAssembly::Memory = &MEMORY1.into();
    let buffer = unsafe { memory.buffer().slice() };
    let array = unsafe { &*(buffer.as_ptr() as *const [u32; 1024]) }; // Eeldades mälu suurust
    let value = array[offset];
    log(&format!("Loeti {} mälust memory1 nihkega {}", value, offset));
    value
}

#[wasm_bindgen]
pub fn read_from_memory2(offset: usize) -> u32 {
    let memory: &WebAssembly::Memory = &MEMORY2.into();
    let buffer = unsafe { memory.buffer().slice() };
    let array = unsafe { &*(buffer.as_ptr() as *const [u32; 1024]) }; // Eeldades mälu suurust
    let value = array[offset];
    log(&format!("Loeti {} mälust memory2 nihkega {}", value, offset));
    value
}

            

              
                Copy
              
            
          

Järgmisena looge index.js fail järgmise koodiga:

            import init, { write_to_memory1, write_to_memory2, read_from_memory1, read_from_memory2 } from './pkg/multi_memory_example.js';

const memory1 = new WebAssembly.Memory({ initial: 10 });
const memory2 = new WebAssembly.Memory({ initial: 10 });

window.memory1 = memory1; // Muuda memory1 globaalselt kättesaadavaks (silumiseks)
window.memory2 = memory2; // Muuda memory2 globaalselt kättesaadavaks (silumiseks)

async function run() {
    await init();

    // Kirjuta mällu memory1
    write_to_memory1(0, 42);
    // Kirjuta mällu memory2
    write_to_memory2(1, 123);

    // Loe mälust memory1
    const value1 = read_from_memory1(0);
    console.log("Väärtus mälust memory1:", value1);

    // Loe mälust memory2
    const value2 = read_from_memory2(1);
    console.log("Väärtus mälust memory2:", value2);
}

run();

export const MEMORY1 = memory1;
export const MEMORY2 = memory2;

            

              
                Copy
              
            
          

Lisage index.html fail:

            


    
    


    



            

              
                Copy
              
            
          

Lõpuks kompileerige Rusti kood WebAssembly'ks:

            wasm-pack build --target web
            

              
                Copy
              
            
          

Serveerige faile veebiserveriga (nt kasutades npx serve). Avage index.html oma brauseris ja peaksite nägema konsoolis teateid, mis näitavad, et andmeid on kirjutatud ja loetud mõlemast mälu eksemplarist. See näide demonstreerib, kuidas luua, importida ja kasutada mitut mälu eksemplari Rustis kirjutatud WebAssembly moodulis.

Tööriistad ja ressursid

Arendajate abistamiseks WebAssembly mitmikmäluga töötamisel on saadaval mitmeid tööriistu ja ressursse:

• WebAssembly spetsifikatsioon: Ametlik WebAssembly spetsifikatsioon pakub detailset teavet mitmikmälu kohta.
• Wasmtime: Iseseisev WebAssembly käituskeskkond, mis toetab mitmikmälu.
• Emscripten: Tööriistakett C ja C++ koodi kompileerimiseks WebAssembly'ks, mitmikmälu toega.
• wasm-pack: Tööriist Rustiga genereeritud WebAssembly ehitamiseks, testimiseks ja avaldamiseks.
• AssemblyScript: TypeScripti-laadne keel, mis kompileerub otse WebAssembly'ks, mitmikmälu toega.

Väljakutsed ja kaalutlused

Kuigi mitmikmälu pakub mitmeid eeliseid, on ka mõningaid väljakutseid ja kaalutlusi, mida meeles pidada:

1. Suurenenud keerukus

Mitmikmälu lisab WebAssembly arendusele keerukust. Arendajad peavad mõistma, kuidas hallata mitut mälu eksemplari ja kuidas tagada, et andmetele pääsetakse juurde korrektselt. See võib suurendada uute WebAssembly arendajate õppimiskõverat.

2. Mäluhalduse lisakulu

Mitme mälu eksemplari haldamine võib tekitada lisakulu, eriti kui mälu eksemplare luuakse ja hävitatakse sageli. Arendajad peavad hoolikalt kaaluma mäluhaldusstrateegiat, et seda lisakulu minimeerida. Eraldusstrateegia (nt eeleraldus, kogumi eraldus) muutub üha olulisemaks.

3. Tööriistade tugi

Kõik WebAssembly tööriistad ja teegid ei toeta veel täielikult mitmikmälu. Arendajatel võib olla vaja kasutada tööriistade uusimaid versioone või panustada avatud lähtekoodiga projektidesse, et lisada mitmikmälu tugi.

4. Silumine

Mitmikmäluga WebAssembly rakenduste silumine võib olla keerulisem kui ühe lineaarse mäluga rakenduste silumine. Arendajad peavad suutma kontrollida mitme mälu eksemplari sisu ja jälgida andmevoogu nende vahel. Tugevad silumistööriistad muutuvad üha olulisemaks.

WebAssembly mitmikmälu tulevik

WebAssembly mitmikmälu on suhteliselt uus funktsioon ja selle kasutuselevõtt alles kasvab. Kuna üha rohkem tööriistu ja teeke lisab mitmikmälu toe ning arendajad saavad selle eelistega tuttavamaks, muutub see tõenäoliselt WebAssembly arenduse standardseks osaks. Tulevased arengud võivad hõlmata keerukamaid mäluhaldusfunktsioone, näiteks prügikogumist üksikute mälu eksemplaride jaoks, ja tihedamat integratsiooni teiste WebAssembly funktsioonidega, nagu lõimed ja SIMD. Samuti mängib tõenäoliselt olulist rolli WASI (WebAssembly System Interface) jätkuv areng, pakkudes standardsemaid viise host-keskkonnaga suhtlemiseks mitmikmäluga WebAssembly mooduli seest.

Kokkuvõte

WebAssembly mitmikmälu on võimas funktsioon, mis laiendab WASM-i võimekust ja võimaldab uusi kasutusjuhtumeid. Lubades moodulitel hallata mitut mälu eksemplari, parandab see modulaarsust, suurendab turvalisust, lihtsustab mäluhaldust ja toetab täiustatud keelefunktsioone. Kuigi mitmikmäluga on seotud mõningaid väljakutseid, muudavad selle eelised selle väärtuslikuks tööriistaks WebAssembly arendajatele üle kogu maailma. Kuna WebAssembly ökosüsteem areneb edasi, on mitmikmälu valmis mängima üha olulisemat rolli veebi ja kaugema tulevikus.