گشودن اسرار .wasm: راهنمایی برای بخش‌های سفارشی WebAssembly

وب‌اسمبلی (Wasm) شیوه تفکر ما در مورد کدهای با کارایی بالا در وب و فراتر از آن را اساساً تغییر داده است. این فناوری اغلب به عنوان یک هدف کامپایل قابل حمل، کارآمد و امن برای زبان‌هایی مانند C++، Rust و Go ستایش می‌شود. اما یک ماژول Wasm چیزی بیش از یک دنباله از دستورالعمل‌های سطح پایین است. فرمت باینری وب‌اسمبلی ساختاری پیچیده دارد که نه تنها برای اجرا، بلکه برای توسعه‌پذیری نیز طراحی شده است. این توسعه‌پذیری عمدتاً از طریق یک ویژگی قدرتمند، اما اغلب نادیده گرفته شده، به دست می‌آید: بخش‌های سفارشی.

اگر تا به حال کد C++ را در ابزارهای توسعه‌دهنده مرورگر دیباگ کرده‌اید یا فکر کرده‌اید که چگونه یک فایل Wasm می‌داند کدام کامپایلر آن را ایجاد کرده است، با کار بخش‌های سفارشی مواجه شده‌اید. این بخش‌ها مکان مشخصی برای فراداده، اطلاعات دیباگ و سایر داده‌های غیرضروری هستند که تجربه توسعه‌دهنده را غنی‌تر کرده و کل اکوسیستم ابزارها را قدرتمند می‌سازند. این مقاله یک بررسی عمیق و جامع از بخش‌های سفارشی وب‌اسمبلی ارائه می‌دهد و به این می‌پردازد که آن‌ها چه هستند، چرا ضروری‌اند و چگونه می‌توانید از آن‌ها در پروژه‌های خود استفاده کنید.

کالبدشناسی یک ماژول وب‌اسمبلی

قبل از اینکه بتوانیم اهمیت بخش‌های سفارشی را درک کنیم، ابتدا باید ساختار اصلی یک فایل باینری .wasm را بفهمیم. یک ماژول Wasm به صورت مجموعه‌ای از «بخش‌های» کاملاً تعریف‌شده سازماندهی شده است. هر بخش هدف خاصی دارد و با یک شناسه عددی مشخص می‌شود.

مشخصات وب‌اسمبلی مجموعه‌ای از بخش‌های استاندارد یا «شناخته‌شده» را تعریف می‌کند که یک موتور Wasm برای اجرای کد به آن‌ها نیاز دارد. این بخش‌ها عبارتند از:

• Type (ID 1): امضاهای توابع (پارامترها و انواع خروجی) استفاده شده در ماژول را تعریف می‌کند.
• Import (ID 2): توابع، حافظه‌ها یا جداولی را که ماژول از محیط میزبان خود (مثلاً توابع جاوا اسکریپت) وارد می‌کند، اعلام می‌کند.
• Function (ID 3): هر تابع در ماژول را به یک امضا از بخش Type مرتبط می‌کند.
• Table (ID 4): جداول را تعریف می‌کند، که عمدتاً برای پیاده‌سازی فراخوانی‌های غیرمستقیم توابع استفاده می‌شوند.
• Memory (ID 5): حافظه خطی مورد استفاده توسط ماژول را تعریف می‌کند.
• Global (ID 6): متغیرهای سراسری برای ماژول را اعلام می‌کند.
• Export (ID 7): توابع، حافظه‌ها، جداول یا متغیرهای سراسری ماژول را برای محیط میزبان در دسترس قرار می‌دهد.
• Start (ID 8): تابعی را مشخص می‌کند که باید به طور خودکار هنگام نمونه‌سازی ماژول اجرا شود.
• Element (ID 9): یک جدول را با ارجاع به توابع مقداردهی اولیه می‌کند.
• Code (ID 10): بایت‌کد اجرایی واقعی برای هر یک از توابع ماژول را در بر می‌گیرد.
• Data (ID 11): بخش‌هایی از حافظه خطی را مقداردهی اولیه می‌کند، که اغلب برای داده‌های ایستا و رشته‌ها استفاده می‌شود.

این بخش‌های استاندارد هسته اصلی هر ماژول Wasm هستند. یک موتور Wasm آن‌ها را به دقت تجزیه می‌کند تا برنامه را بفهمد و اجرا کند. اما اگر یک زنجیره ابزار یا یک زبان نیاز به ذخیره اطلاعات اضافی داشته باشد که برای اجرا لازم نیست، چه؟ اینجاست که بخش‌های سفارشی وارد عمل می‌شوند.

بخش‌های سفارشی دقیقاً چه هستند؟

یک بخش سفارشی یک ظرف همه‌منظوره برای داده‌های دلخواه در یک ماژول Wasm است. این بخش توسط مشخصات با یک شناسه بخش ویژه 0 تعریف می‌شود. ساختار آن ساده اما قدرتمند است:

1. شناسه بخش (Section ID): همیشه 0 است تا نشان دهد که یک بخش سفارشی است.
2. اندازه بخش (Section Size): اندازه کل محتوای بعدی بر حسب بایت.
3. نام (Name): یک رشته با انکدینگ UTF-8 که هدف بخش سفارشی را مشخص می‌کند (مثلاً "name"، ".debug_info").
4. محتوا (Payload): دنباله‌ای از بایت‌ها که حاوی داده‌های واقعی برای بخش است.

مهم‌ترین قانون در مورد بخش‌های سفارشی این است: یک موتور وب‌اسمبلی که نام یک بخش سفارشی را نمی‌شناسد، باید محتوای آن را نادیده بگیرد. موتور به سادگی از روی بایت‌های تعریف‌شده توسط اندازه بخش عبور می‌کند. این انتخاب طراحی هوشمندانه چندین مزیت کلیدی را فراهم می‌کند:

• سازگاری رو به جلو (Forward Compatibility): ابزارهای جدید می‌توانند بخش‌های سفارشی جدیدی را معرفی کنند بدون اینکه به زمان‌های اجرای Wasm قدیمی‌تر آسیب برسانند.
• توسعه‌پذیری اکوسیستم (Ecosystem Extensibility): پیاده‌سازان زبان، توسعه‌دهندگان ابزار و باندلرها می‌توانند فراداده‌های خود را جاسازی کنند بدون اینکه نیاز به تغییر مشخصات اصلی Wasm داشته باشند.
• جداسازی (Decoupling): منطق اجرا کاملاً از فراداده جدا است. وجود یا عدم وجود بخش‌های سفارشی هیچ تأثیری بر رفتار زمان اجرای برنامه ندارد.

بخش‌های سفارشی را معادل داده‌های EXIF در یک تصویر JPEG یا تگ‌های ID3 در یک فایل MP3 در نظر بگیرید. آن‌ها زمینه ارزشمندی را فراهم می‌کنند اما برای نمایش تصویر یا پخش موسیقی ضروری نیستند.

کاربرد رایج اول: بخش "name" برای دیباگینگ خوانا برای انسان

یکی از پرکاربردترین بخش‌های سفارشی، بخش name است. به طور پیش‌فرض، توابع، متغیرها و سایر موارد در Wasm با شاخص عددی خود ارجاع داده می‌شوند. وقتی به یک دیس‌اسمبلی خام Wasm نگاه می‌کنید، ممکن است چیزی شبیه به call $func42 ببینید. در حالی که این برای ماشین کارآمد است، برای یک توسعه‌دهنده انسانی مفید نیست.

بخش name این مشکل را با ارائه یک نگاشت از شاخص‌ها به نام‌های رشته‌ای خوانا برای انسان حل می‌کند. این به ابزارهایی مانند دیس‌اسمبلرها و دیباگرها اجازه می‌دهد تا شناسه‌های معنادار را از کد منبع اصلی نمایش دهند.

به عنوان مثال، اگر یک تابع C را کامپایل کنید:

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

              
                Copy
              
            
          

کامپایلر می‌تواند یک بخش name تولید کند که شاخص تابع داخلی (مثلاً 42) را با رشته "calculate_total" مرتبط می‌کند. همچنین می‌تواند متغیرهای محلی را "items" و "price" نامگذاری کند. هنگامی که ماژول Wasm را در ابزاری که از این بخش پشتیبانی می‌کند بررسی می‌کنید، خروجی بسیار آموزنده‌تری خواهید دید که به دیباگینگ و تحلیل کمک می‌کند.

ساختار بخش `name`

بخش name خود به زیربخش‌هایی تقسیم می‌شود که هر کدام با یک بایت واحد مشخص می‌شوند:

• نام ماژول (ID 0): نامی برای کل ماژول فراهم می‌کند.
• نام توابع (ID 1): شاخص‌های توابع را به نام‌هایشان نگاشت می‌کند.
• نام‌های محلی (ID 2): شاخص‌های متغیرهای محلی در هر تابع را به نام‌هایشان نگاشت می‌کند.
• نام لیبل‌ها، نام انواع، نام جداول و غیره: زیربخش‌های دیگری برای نامگذاری تقریباً هر موجودیتی در یک ماژول Wasm وجود دارد.

بخش name اولین گام به سوی یک تجربه توسعه‌دهنده خوب است، اما این تنها آغاز راه است. برای دیباگینگ واقعی در سطح سورس، به چیزی بسیار قدرتمندتر نیاز داریم.

قدرت دیباگینگ: DWARF در بخش‌های سفارشی

هدف نهایی توسعه Wasm، دیباگینگ در سطح سورس کد است: توانایی تنظیم نقاط توقف، بازرسی متغیرها و پیمایش گام به گام کد اصلی C++، Rust یا Go به طور مستقیم در ابزارهای توسعه‌دهنده مرورگر. این تجربه جادویی تقریباً به طور کامل با جاسازی اطلاعات دیباگ DWARF در مجموعه‌ای از بخش‌های سفارشی امکان‌پذیر می‌شود.

DWARF چیست؟

DWARF (Debugging With Attributed Record Formats) یک فرمت داده دیباگینگ استاندارد و مستقل از زبان است. این همان فرمتی است که کامپایلرهای بومی مانند GCC و Clang برای فعال کردن دیباگرهایی مانند GDB و LLDB از آن استفاده می‌کنند. این فرمت بسیار غنی است و می‌تواند حجم وسیعی از اطلاعات را رمزگذاری کند، از جمله:

• نگاشت منبع (Source Mapping): یک نگاشت دقیق از هر دستورالعمل وب‌اسمبلی به فایل منبع اصلی، شماره خط و شماره ستون.
• اطلاعات متغیر (Variable Information): نام‌ها، انواع و دامنه‌های متغیرهای محلی و سراسری. این فرمت می‌داند که یک متغیر در هر نقطه از کد در کجا ذخیره شده است (در یک رجیستر، روی پشته و غیره).
• تعاریف نوع (Type Definitions): توصیفات کامل انواع پیچیده مانند ساختارها، کلاس‌ها، شمارش‌ها و اجتماع‌ها از زبان منبع.
• اطلاعات تابع (Function Information): جزئیات مربوط به امضای توابع، از جمله نام و نوع پارامترها.
• نگاشت توابع درون‌خطی (Inline Function Mapping): اطلاعاتی برای بازسازی پشته فراخوانی حتی زمانی که توابع توسط بهینه‌ساز درون‌خطی شده‌اند.

DWARF چگونه با وب‌اسمبلی کار می‌کند

کامپایلرهایی مانند Emscripten (با استفاده از Clang/LLVM) و `rustc` یک پرچم (معمولاً -g یا -g4) دارند که به آن‌ها دستور می‌دهد اطلاعات DWARF را در کنار بایت‌کد Wasm تولید کنند. سپس زنجیره ابزار این داده‌های DWARF را گرفته، آن را به بخش‌های منطقی خود تقسیم کرده و هر بخش را در یک بخش سفارشی جداگانه در فایل .wasm جاسازی می‌کند. طبق قرارداد، این بخش‌ها با یک نقطه در ابتدا نامگذاری می‌شوند:

• .debug_info: بخش اصلی حاوی ورودی‌های اصلی دیباگ.
• .debug_abbrev: حاوی اختصاراتی برای کاهش حجم .debug_info.
• .debug_line: جدول شماره خط برای نگاشت کد Wasm به کد منبع.
• .debug_str: یک جدول رشته که توسط سایر بخش‌های DWARF استفاده می‌شود.
• .debug_ranges، .debug_loc و بسیاری دیگر.

هنگامی که این ماژول Wasm را در یک مرورگر مدرن مانند کروم یا فایرفاکس بارگذاری کرده و ابزارهای توسعه‌دهنده را باز می‌کنید، یک تجزیه‌کننده DWARF در این ابزارها این بخش‌های سفارشی را می‌خواند. این تجزیه‌کننده تمام اطلاعات لازم را برای ارائه نمایی از کد منبع اصلی شما بازسازی می‌کند و به شما امکان می‌دهد آن را طوری دیباگ کنید که گویی به صورت بومی در حال اجراست.

این یک تغییر بزرگ است. بدون DWARF در بخش‌های سفارشی، دیباگ کردن Wasm یک فرآیند دردناک از خیره شدن به حافظه خام و دیس‌اسمبلی غیرقابل فهم خواهد بود. با آن، چرخه توسعه به همان روانی دیباگ کردن جاوا اسکریپت می‌شود.

فراتر از دیباگینگ: سایر کاربردهای بخش‌های سفارشی

در حالی که دیباگینگ یک کاربرد اصلی است، انعطاف‌پذیری بخش‌های سفارشی منجر به استفاده از آن‌ها برای طیف گسترده‌ای از ابزارها و نیازهای خاص زبان شده است.

فراداده‌های ابزار-خاص: بخش `producers`

اغلب مفید است که بدانیم چه ابزارهایی برای ایجاد یک ماژول Wasm خاص استفاده شده‌اند. بخش producers برای این منظور طراحی شده است. این بخش اطلاعاتی در مورد زنجیره ابزار، مانند کامپایلر، لینکر و نسخه‌های آن‌ها را ذخیره می‌کند. به عنوان مثال، یک بخش producers ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• زبان: "C++ 17"، "Rust 1.65.0"
• پردازش شده توسط: "Clang 16.0.0"، "binaryen 111"
• SDK: "Emscripten 3.1.25"

این فراداده برای بازتولید ساخت‌ها، گزارش باگ‌ها به نویسندگان صحیح زنجیره ابزار و برای سیستم‌های خودکاری که نیاز به درک منشأ یک باینری Wasm دارند، بسیار ارزشمند است.

لینک کردن و کتابخانه‌های پویا

مشخصات وب‌اسمبلی، در شکل اصلی خود، مفهومی از لینک کردن نداشت. برای فعال کردن ایجاد کتابخانه‌های استاتیک و پویا، یک قرارداد با استفاده از بخش‌های سفارشی ایجاد شد. بخش سفارشی linking فراداده مورد نیاز یک لینکر آگاه از Wasm (مانند wasm-ld) را برای حل نمادها، مدیریت جابجایی‌ها و مدیریت وابستگی‌های کتابخانه مشترک در خود نگه می‌دارد. این به برنامه‌های بزرگ اجازه می‌دهد تا به ماژول‌های کوچکتر و قابل مدیریت تقسیم شوند، درست مانند توسعه بومی.

زمان‌های اجرای زبان-خاص

زبان‌هایی با زمان‌های اجرای مدیریت‌شده، مانند Go، Swift یا Kotlin، اغلب به فراداده‌ای نیاز دارند که بخشی از مدل اصلی Wasm نیست. به عنوان مثال، یک زباله‌روب (GC) برای شناسایی اشاره‌گرها باید طرح‌بندی ساختارهای داده در حافظه را بداند. این اطلاعات طرح‌بندی را می‌توان در یک بخش سفارشی ذخیره کرد. به طور مشابه، ویژگی‌هایی مانند بازتاب (reflection) در Go ممکن است برای ذخیره نام انواع و فراداده در زمان کامپایل به بخش‌های سفارشی تکیه کنند، که سپس زمان اجرای Go در ماژول Wasm می‌تواند در حین اجرا آن را بخواند.

آینده: مدل مؤلفه وب‌اسمبلی (The WebAssembly Component Model)

یکی از هیجان‌انگیزترین جهت‌گیری‌های آینده برای وب‌اسمبلی، مدل مؤلفه (Component Model) است. این پیشنهاد با هدف فعال کردن قابلیت همکاری واقعی و مستقل از زبان بین ماژول‌های Wasm ارائه شده است. تصور کنید یک مؤلفه Rust به طور یکپارچه یک مؤلفه پایتون را فراخوانی می‌کند، که به نوبه خود از یک مؤلفه C++ استفاده می‌کند، و همه اینها با انواع داده غنی که بین آنها رد و بدل می‌شود.

مدل مؤلفه به شدت به بخش‌های سفارشی برای تعریف رابط‌های سطح بالا، انواع و دنیاها (worlds) متکی است. این فراداده نحوه ارتباط مؤلفه‌ها را توصیف می‌کند و به ابزارها اجازه می‌دهد تا کد چسب (glue code) لازم را به طور خودکار تولید کنند. این یک نمونه برجسته از این است که چگونه بخش‌های سفارشی پایه و اساس ساخت قابلیت‌های پیچیده جدید را بر روی استاندارد اصلی Wasm فراهم می‌کنند.

راهنمای عملی: بازرسی و دستکاری بخش‌های سفارشی

درک بخش‌های سفارشی عالی است، اما چگونه با آن‌ها کار می‌کنید؟ چندین ابزار استاندارد برای این منظور در دسترس است.

ابزارهای ضروری

• WABT (The WebAssembly Binary Toolkit): این مجموعه ابزار برای هر توسعه‌دهنده Wasm ضروری است. ابزار wasm-objdump به ویژه مفید است. اجرای wasm-objdump -h your_module.wasm تمام بخش‌های ماژول، از جمله بخش‌های سفارشی را لیست می‌کند.
• Binaryen: این یک زیرساخت کامپایلر و زنجیره ابزار قدرتمند برای Wasm است. این شامل wasm-strip، ابزاری برای حذف بخش‌های سفارشی از یک ماژول است.
• Dwarfdump: یک ابزار استاندارد (که اغلب با Clang/LLVM بسته‌بندی می‌شود) برای تجزیه و چاپ محتویات بخش‌های دیباگ DWARF در قالبی خوانا برای انسان.

گردش کار نمونه: ساخت، بازرسی، حذف

بیایید یک گردش کار توسعه رایج را با یک فایل ساده C++ به نام main.cpp مرور کنیم:

            #include 

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

              
                Copy
              
            
          

۱. کامپایل با اطلاعات دیباگ: ما از Emscripten برای کامپایل این کد به Wasm استفاده می‌کنیم و از پرچم -g برای گنجاندن اطلاعات دیباگ DWARF استفاده می‌کنیم.

emcc main.cpp -g -o main.wasm

۲. بازرسی بخش‌ها: حالا، بیایید از wasm-objdump برای دیدن آنچه در داخل است استفاده کنیم.

wasm-objdump -h main.wasm

خروجی بخش‌های استاندارد (Type، Function، Code و غیره) و همچنین لیست بلندی از بخش‌های سفارشی مانند name، .debug_info، .debug_line و غیره را نشان می‌دهد. به اندازه فایل توجه کنید؛ به طور قابل توجهی بزرگتر از یک ساخت بدون دیباگ خواهد بود.

۳. حذف برای تولید: برای یک نسخه تولیدی، ما نمی‌خواهیم این فایل بزرگ را با تمام اطلاعات دیباگ ارسال کنیم. ما از wasm-strip برای حذف آن استفاده می‌کنیم.

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

۴. بازرسی دوباره: اگر wasm-objdump -h main.stripped.wasm را اجرا کنید، خواهید دید که تمام بخش‌های سفارشی حذف شده‌اند. اندازه فایل main.stripped.wasm کسری از نسخه اصلی خواهد بود، که دانلود و بارگذاری آن را بسیار سریع‌تر می‌کند.

معاوضه‌ها: اندازه، عملکرد و قابلیت استفاده

بخش‌های سفارشی، به ویژه برای DWARF، با یک معاوضه بزرگ همراه هستند: اندازه فایل. غیرمعمول نیست که داده‌های DWARF ۵ تا ۱۰ برابر بزرگتر از کد واقعی Wasm باشند. این می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر برنامه‌های وب داشته باشد، جایی که زمان دانلود حیاتی است.

به همین دلیل است که گردش کار «حذف برای تولید» بسیار مهم است. بهترین روش این است:

• در طول توسعه: از ساخت‌هایی با اطلاعات کامل DWARF برای یک تجربه دیباگینگ غنی در سطح سورس استفاده کنید.
• برای تولید: یک باینری Wasm کاملاً عاری از اطلاعات اضافی را برای کاربران خود ارسال کنید تا از کوچکترین اندازه ممکن و سریع‌ترین زمان بارگذاری اطمینان حاصل شود.

برخی از تنظیمات پیشرفته حتی نسخه دیباگ را روی یک سرور جداگانه میزبانی می‌کنند. ابزارهای توسعه‌دهنده مرورگر را می‌توان طوری پیکربندی کرد که این فایل بزرگتر را در صورت تقاضا، زمانی که یک توسعه‌دهنده می‌خواهد یک مشکل تولید را دیباگ کند، دریافت کنند، که بهترین هر دو دنیا را به شما می‌دهد. این شبیه به نحوه کار سورس‌مپ‌ها برای جاوا اسکریپت است.

مهم است که توجه داشته باشید که بخش‌های سفارشی تقریباً هیچ تأثیری بر عملکرد زمان اجرا ندارند. یک موتور Wasm به سرعت آن‌ها را با شناسه 0 شناسایی کرده و به سادگی از روی محتوای آنها در حین تجزیه عبور می‌کند. پس از بارگذاری ماژول، داده‌های بخش سفارشی توسط موتور استفاده نمی‌شوند، بنابراین سرعت اجرای کد شما را کاهش نمی‌دهند.

نتیجه‌گیری

بخش‌های سفارشی وب‌اسمبلی یک شاهکار در طراحی فرمت باینری توسعه‌پذیر هستند. آنها یک مکانیسم استاندارد و سازگار با آینده برای جاسازی فراداده‌های غنی بدون پیچیده کردن مشخصات اصلی یا تأثیر بر عملکرد زمان اجرا فراهم می‌کنند. آنها موتور نامرئی‌ای هستند که تجربه توسعه‌دهنده مدرن Wasm را قدرت می‌بخشند و دیباگینگ را از یک هنر محرمانه به یک فرآیند یکپارچه و produttive تبدیل می‌کنند.

از نام‌های ساده توابع گرفته تا جهان جامع DWARF و آینده مدل مؤلفه، بخش‌های سفارشی همان چیزی هستند که وب‌اسمبلی را از یک هدف کامپایل صرف به یک اکوسیستم پر رونق و قابل ابزارسازی ارتقا می‌دهند. دفعه بعد که در کد Rust خود که در مرورگر اجرا می‌شود یک نقطه توقف تنظیم می‌کنید، لحظه‌ای را به قدردانی از کار آرام و قدرتمند بخش‌های سفارشی که این امکان را فراهم کرده‌اند، اختصاص دهید.