شیء خروجی WebAssembly: راهنمای جامع پیکربندی خروجی ماژول

WebAssembly (Wasm) با فراهم کردن راهی با کارایی بالا، قابل حمل و امن برای اجرای کد در مرورگرهای مدرن، توسعه وب را متحول کرده است. جنبه مهمی از عملکرد WebAssembly، توانایی آن در تعامل با محیط جاوا اسکریپت اطراف از طریق شیء خروجی آن است. این شیء به عنوان یک پل عمل می‌کند و به کد جاوا اسکریپت اجازه می‌دهد تا به توابع، حافظه، جداول و متغیرهای سراسری تعریف شده در یک ماژول WebAssembly دسترسی پیدا کرده و از آنها استفاده کند. درک نحوه پیکربندی و مدیریت خروجی‌های WebAssembly برای ساخت برنامه‌های وب کارآمد و قوی ضروری است. این راهنما به بررسی جامع اشیاء خروجی WebAssembly می‌پردازد، که شامل پیکربندی خروجی ماژول، انواع مختلف خروجی، بهترین شیوه‌ها و تکنیک‌های پیشرفته برای عملکرد و قابلیت همکاری بهینه است.

شیء خروجی WebAssembly چیست؟

هنگامی که یک ماژول WebAssembly کامپایل و نمونه‌سازی می‌شود، یک شیء نمونه تولید می‌کند. این شیء نمونه حاوی یک ویژگی به نام exports است که همان شیء خروجی است. شیء خروجی یک شیء جاوا اسکریپت است که شامل ارجاعاتی به موجودیت‌های مختلف (توابع، حافظه، جداول، متغیرهای سراسری) است که ماژول WebAssembly برای استفاده کد جاوا اسکریپت در دسترس قرار می‌دهد.

به آن به عنوان یک API عمومی برای ماژول WebAssembly خود فکر کنید. این روشی است که جاوا اسکریپت می‌تواند کد و داده‌های درون ماژول Wasm را "ببیند" و با آنها تعامل کند.

مفاهیم کلیدی

• ماژول: یک فایل باینری کامپایل شده WebAssembly (.wasm).
• نمونه: یک نمونه در زمان اجرا از یک ماژول WebAssembly. اینجاست که کد واقعاً اجرا می‌شود و حافظه تخصیص می‌یابد.
• شیء خروجی: یک شیء جاوا اسکریپت حاوی اعضای خروجی یک نمونه WebAssembly.
• اعضای خروجی: توابع، حافظه، جداول و متغیرهای سراسری که ماژول WebAssembly برای استفاده کد جاوا اسکریپت در معرض دید قرار می‌دهد.

پیکربندی خروجی‌های ماژول WebAssembly

فرآیند پیکربندی آنچه از یک ماژول WebAssembly خروجی می‌شود، عمدتاً در زمان کامپایل، در کد منبعی که به WebAssembly کامپایل می‌شود، انجام می‌گیرد. نحو و روش‌های خاص به زبان منبعی که استفاده می‌کنید (مانند C، C++، Rust، AssemblyScript) بستگی دارد. بیایید نحوه اعلام خروجی‌ها در برخی زبان‌های رایج را بررسی کنیم:

C/C++ با Emscripten

Emscripten یک مجموعه ابزار محبوب برای کامپایل کد C و C++ به WebAssembly است. برای خروجی گرفتن از یک تابع، معمولاً از ماکرو EMSCRIPTEN_KEEPALIVE استفاده می‌کنید یا خروجی‌ها را در تنظیمات Emscripten مشخص می‌کنید.

مثال: خروجی گرفتن از یک تابع با استفاده از EMSCRIPTEN_KEEPALIVE

کد C:

#include <emscripten.h>

EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

در این مثال، توابع add و multiply با EMSCRIPTEN_KEEPALIVE علامت‌گذاری شده‌اند، که به Emscripten می‌گوید آنها را در شیء خروجی گنجانده شود.

مثال: خروجی گرفتن از یک تابع با استفاده از تنظیمات Emscripten

همچنین می‌توانید با استفاده از پرچم -s EXPORTED_FUNCTIONS در طول کامپایل، خروجی‌ها را مشخص کنید:

emcc add.c -o add.js -s EXPORTED_FUNCTIONS='[_add,_multiply]'

این دستور به Emscripten می‌گوید توابع _add و `_multiply` را خروجی دهد (به زیرخط اول توجه کنید که اغلب توسط Emscripten اضافه می‌شود). فایل جاوا اسکریپت حاصل (add.js) حاوی کد لازم برای بارگذاری و تعامل با ماژول WebAssembly خواهد بود و توابع `add` و `multiply` از طریق شیء خروجی قابل دسترسی خواهند بود.

Rust با wasm-pack

Rust نیز زبان عالی برای توسعه WebAssembly است. ابزار wasm-pack فرآیند ساخت و بسته‌بندی کد Rust برای WebAssembly را ساده می‌کند.

مثال: خروجی گرفتن از یک تابع در Rust

کد Rust:

#[no_mangle]
pub extern "C" fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
  a + b
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn multiply(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a * b
}

در این مثال، ویژگی #[no_mangle] از نام‌گذاری نام توابع توسط کامپایلر Rust جلوگیری می‌کند و pub extern "C" توابع را از محیط‌های سازگار با C (از جمله WebAssembly) قابل دسترس می‌کند. همچنین باید وابستگی `wasm-bindgen` را در Cargo.toml اضافه کنید.

برای ساخت این، شما از:

wasm-pack build

بسته‌بندی حاصل حاوی یک ماژول WebAssembly (فایل .wasm) و یک فایل جاوا اسکریپت خواهد بود که تعامل با ماژول را تسهیل می‌کند.

AssemblyScript

AssemblyScript یک زبان شبیه TypeScript است که مستقیماً به WebAssembly کامپایل می‌شود. این زبان سینتکسی آشنا برای توسعه‌دهندگان جاوا اسکریپت ارائه می‌دهد.

مثال: خروجی گرفتن از یک تابع در AssemblyScript

کد AssemblyScript:

export function add(a: i32, b: i32): i32 {
  return a + b;
}

export function multiply(a: i32, b: i32): i32 {
    return a * b;
}

در AssemblyScript، شما به سادگی از کلمه کلیدی export برای تعیین توابعی که باید در شیء خروجی گنجانده شوند، استفاده می‌کنید.

کامپایل:

asc assembly/index.ts -b build/index.wasm -t build/index.wat

انواع خروجی‌های WebAssembly

ماژول‌های WebAssembly می‌توانند چهار نوع اصلی موجودیت را خروجی دهند:

• توابع: بلوک‌های کد اجرایی.
• حافظه: حافظه خطی که توسط ماژول WebAssembly استفاده می‌شود.
• جداول: آرایه‌هایی از ارجاعات تابع.
• متغیرهای سراسری: مقادیر داده قابل تغییر یا غیرقابل تغییر.

توابع

توابع خروجی گرفته شده رایج‌ترین نوع خروجی هستند. آنها به کد جاوا اسکریپت اجازه می‌دهند تا توابع تعریف شده در ماژول WebAssembly را فراخوانی کند.

مثال (جاوا اسکریپت): فراخوانی یک تابع خروجی

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const add = wasm.instance.exports.add;
const result = add(5, 3); // result خواهد بود 8
console.log(result);

حافظه

خروجی گرفتن از حافظه به جاوا اسکریپت اجازه می‌دهد تا مستقیماً به حافظه خطی ماژول WebAssembly دسترسی پیدا کرده و آن را دستکاری کند. این می‌تواند برای اشتراک‌گذاری داده بین جاوا اسکریپت و WebAssembly مفید باشد، اما همچنین نیاز به مدیریت دقیق دارد تا از خرابی حافظه جلوگیری شود.

مثال (جاوا اسکریپت): دسترسی به حافظه خروجی

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const memory = wasm.instance.exports.memory;
const buffer = new Uint8Array(memory.buffer);

// نوشتن مقدار در حافظه
buffer[0] = 42;

// خواندن مقدار از حافظه
const value = buffer[0]; // value خواهد بود 42

console.log(value);

جداول

جداول آرایه‌هایی از ارجاعات تابع هستند. آنها برای پیاده‌سازی ارسال پویا و اشاره‌گرهای تابع در WebAssembly استفاده می‌شوند. خروجی گرفتن از یک جدول به جاوا اسکریپت اجازه می‌دهد تا توابع را به طور غیرمستقیم از طریق جدول فراخوانی کند.

مثال (جاوا اسکریپت): دسترسی به جدول خروجی

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const table = wasm.instance.exports.table;

// فرض کنید جدول شامل ارجاعات تابع است
const functionIndex = 0; // ایندکس تابع در جدول
const func = table.get(functionIndex);

// فراخوانی تابع
const result = func(5, 3);
console.log(result);

متغیرهای سراسری

خروجی گرفتن از متغیرهای سراسری به جاوا اسکریپت اجازه می‌دهد تا مقادیر متغیرهای سراسری تعریف شده در ماژول WebAssembly را بخواند و (اگر متغیر قابل تغییر است) تغییر دهد.

مثال (جاوا اسکریپت): دسترسی به متغیر سراسری خروجی

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const globalVar = wasm.instance.exports.globalVar;

// خواندن مقدار
const value = globalVar.value;
console.log(value);

// تغییر مقدار (در صورت قابل تغییر بودن)
globalVar.value = 100;

بهترین شیوه‌ها برای پیکربندی خروجی WebAssembly

هنگام پیکربندی خروجی‌های WebAssembly، پیروی از بهترین شیوه‌ها برای اطمینان از عملکرد، امنیت و قابلیت نگهداری بهینه ضروری است.

حداقل خروجی‌ها

فقط توابع و داده‌هایی را که برای تعامل با جاوا اسکریپت کاملاً ضروری هستند، خروجی دهید. خروجی‌های بیش از حد می‌توانند اندازه شیء خروجی را افزایش داده و به طور بالقوه بر عملکرد تأثیر بگذارند.

استفاده از ساختارهای داده کارآمد

هنگام اشتراک‌گذاری داده بین جاوا اسکریپت و WebAssembly، از ساختارهای داده کارآمدی استفاده کنید که سربار تبدیل داده را به حداقل می‌رساند. آرایه‌های تایپ شده (Uint8Array، Float32Array و غیره) را برای عملکرد بهینه در نظر بگیرید.

اعتبارسنجی ورودی‌ها و خروجی‌ها

همیشه ورودی‌ها و خروجی‌های توابع WebAssembly را برای جلوگیری از رفتارهای غیرمنتظره و آسیب‌پذیری‌های امنیتی بالقوه اعتبارسنجی کنید. این امر به ویژه هنگام برخورد با دسترسی به حافظه مهم است.

مدیریت دقیق حافظه

هنگام خروجی گرفتن از حافظه، در مورد نحوه دسترسی و دستکاری آن توسط جاوا اسکریپت بسیار مراقب باشید. دسترسی نادرست به حافظه می‌تواند منجر به خرابی حافظه و خرابی شود. برای مدیریت دسترسی به حافظه در یک روش کنترل شده، استفاده از توابع کمکی در داخل ماژول WebAssembly را در نظر بگیرید.

در صورت امکان از دسترسی مستقیم به حافظه خودداری کنید

در حالی که دسترسی مستقیم به حافظه می‌تواند کارآمد باشد، پیچیدگی و خطرات بالقوه را نیز معرفی می‌کند. برای بهبود قابلیت نگهداری کد و کاهش خطر خطا، از انتزاعات سطح بالاتر، مانند توابعی که دسترسی به حافظه را کپسوله می‌کنند، استفاده کنید. به عنوان مثال، می‌توانید توابع WebAssembly برای دریافت و تنظیم مقادیر در مکان‌های خاصی در فضای حافظه خود داشته باشید، به جای اینکه جاوا اسکریپت مستقیماً با بافر کار کند.

انتخاب زبان مناسب برای کار

زبان برنامه‌نویسی را انتخاب کنید که بهترین تناسب را با کار خاصی که در WebAssembly انجام می‌دهید، داشته باشد. برای کارهای محاسباتی فشرده، C، C++ یا Rust ممکن است گزینه‌های خوبی باشند. برای کارهایی که نیاز به ادغام نزدیک با جاوا اسکریپت دارند، AssemblyScript ممکن است گزینه بهتری باشد.

ملاحظات امنیتی

از پیامدهای امنیتی خروجی گرفتن از انواع خاصی از داده‌ها یا عملکردها آگاه باشید. به عنوان مثال، خروجی گرفتن مستقیم حافظه می‌تواند ماژول WebAssembly را در معرض حملات سرریز بافر احتمالی قرار دهد، اگر به دقت مدیریت نشود. از خروجی گرفتن داده‌های حساس مگر در صورت لزوم مطلق خودداری کنید.

تکنیک‌های پیشرفته

استفاده از SharedArrayBuffer برای حافظه مشترک

SharedArrayBuffer به شما امکان می‌دهد یک بافر حافظه ایجاد کنید که بتواند بین جاوا اسکریپت و چندین نمونه WebAssembly (یا حتی چندین رشته) به اشتراک گذاشته شود. این می‌تواند برای پیاده‌سازی محاسبات موازی و ساختارهای داده مشترک مفید باشد.

مثال (جاوا اسکریپت): استفاده از SharedArrayBuffer

// ایجاد یک SharedArrayBuffer
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);

// نمونه‌سازی یک ماژول WebAssembly با بافر مشترک
const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'), {
  env: {
    memory: new WebAssembly.Memory({ shared: true, initial: 1024, maximum: 1024 }),
  },
});

// دسترسی به بافر مشترک از جاوا اسکریپت
const buffer = new Uint8Array(sharedBuffer);

// دسترسی به بافر مشترک از WebAssembly (نیاز به پیکربندی خاص دارد)
// (به عنوان مثال، استفاده از اتمیک‌ها برای همگام‌سازی)

مهم: استفاده از SharedArrayBuffer نیاز به مکانیزم‌های همگام‌سازی مناسب (مانند اتمیک‌ها) دارد تا از شرایط رقابتی هنگام دسترسی همزمان چندین رشته یا نمونه به بافر جلوگیری شود.

عملیات ناهمزمان

برای عملیات طولانی یا مسدودکننده در WebAssembly، استفاده از تکنیک‌های ناهمزمان را برای جلوگیری از مسدود کردن رشته اصلی جاوا اسکریپت در نظر بگیرید. این امر را می‌توان با استفاده از ویژگی Asyncify در Emscripten یا با پیاده‌سازی مکانیزم‌های ناهمزمان سفارشی با استفاده از Promises یا callbacks به دست آورد.

استراتژی‌های مدیریت حافظه

WebAssembly هیچ جمع‌آوری زباله داخلی ندارد. شما نیاز خواهید داشت حافظه را به صورت دستی مدیریت کنید، به خصوص برای برنامه‌های پیچیده‌تر. این می‌تواند شامل استفاده از تخصیص‌دهنده‌های حافظه سفارشی در ماژول WebAssembly یا اتکا به کتابخانه‌های مدیریت حافظه خارجی باشد.

کامپایل استریمینگ

از WebAssembly.instantiateStreaming برای کامپایل و نمونه‌سازی مستقیم ماژول‌های WebAssembly از یک جریان بایت استفاده کنید. این می‌تواند با اجازه دادن به مرورگر برای شروع کامپایل ماژول قبل از دانلود کامل فایل، زمان راه‌اندازی را بهبود بخشد. این روش بارگذاری ماژول‌ها ترجیح داده شده است.

بهینه‌سازی عملکرد

کد WebAssembly خود را برای عملکرد با استفاده از ساختارهای داده، الگوریتم‌ها و پرچم‌های کامپایلر مناسب بهینه‌سازی کنید. کد خود را پروفایل کنید تا گلوگاه‌ها را شناسایی کرده و بر اساس آن بهینه‌سازی کنید. دستورالعمل‌های SIMD (Single Instruction, Multiple Data) را برای پردازش موازی در نظر بگیرید.

نمونه‌های واقعی و موارد استفاده

WebAssembly در طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها استفاده می‌شود، از جمله:

• بازی‌ها: انتقال بازی‌های موجود به وب و ایجاد بازی‌های وب با کارایی بالا.
• پردازش تصویر و ویدئو: انجام وظایف پیچیده پردازش تصویر و ویدئو در مرورگر.
• محاسبات علمی: اجرای شبیه‌سازی‌های محاسباتی فشرده و برنامه‌های تحلیل داده در مرورگر.
• رمزنگاری: پیاده‌سازی الگوریتم‌ها و پروتکل‌های رمزنگاری به روشی امن و قابل حمل.
• کدک‌ها: مدیریت کدک‌های رسانه و فشرده‌سازی/رفع فشرده‌سازی در مرورگر، مانند رمزگذاری و رمزگشایی ویدئو یا صدا.
• ماشین‌های مجازی: پیاده‌سازی ماشین‌های مجازی به روشی امن و کارآمد.
• برنامه‌های سمت سرور: در حالی که استفاده اولیه در مرورگرها است، WASM همچنین می‌تواند در محیط‌های سمت سرور استفاده شود.

مثال: پردازش تصویر با WebAssembly

تصور کنید در حال ساخت یک ویرایشگر تصویر مبتنی بر وب هستید. می‌توانید از WebAssembly برای پیاده‌سازی عملیات پردازش تصویر با کارایی بالا، مانند فیلتر کردن تصویر، تغییر اندازه و دستکاری رنگ استفاده کنید. ماژول WebAssembly می‌تواند توابعی را خروجی دهد که داده‌های تصویر را به عنوان ورودی می‌گیرند و داده‌های تصویر پردازش شده را به عنوان خروجی برمی‌گردانند. این کار سنگین را از جاوا اسکریپت منتقل می‌کند و منجر به تجربه کاربری روان‌تر و پاسخگوتر می‌شود.

مثال: توسعه بازی با WebAssembly

بسیاری از توسعه‌دهندگان بازی از WebAssembly برای انتقال بازی‌های موجود به وب یا ایجاد بازی‌های وب با کارایی بالا استفاده می‌کنند. WebAssembly به آنها اجازه می‌دهد تا به عملکرد نزدیک به بومی دست یابند و آنها را قادر می‌سازد تا گرافیک‌های پیچیده سه بعدی و شبیه‌سازی‌های فیزیک را در مرورگر اجرا کنند. موتورهای بازی محبوب مانند Unity و Unreal Engine از خروجی WebAssembly پشتیبانی می‌کنند.

نتیجه‌گیری

شیء خروجی WebAssembly مکانیزم مهمی برای فعال کردن ارتباط و تعامل بین ماژول‌های WebAssembly و کد جاوا اسکریپت است. با درک نحوه پیکربندی خروجی‌های ماژول، مدیریت انواع مختلف خروجی و پیروی از بهترین شیوه‌ها، توسعه‌دهندگان می‌توانند برنامه‌های وب کارآمد، امن و قابل نگهداری بسازند که از قدرت WebAssembly بهره می‌برند. با تکامل WebAssembly، تسلط بر قابلیت‌های خروجی آن برای ایجاد تجربیات وب نوآورانه و با کارایی بالا ضروری خواهد بود.

این راهنما یک نمای کلی جامع از اشیاء خروجی WebAssembly ارائه داده است که همه چیز را از مفاهیم اساسی تا تکنیک‌های پیشرفته پوشش می‌دهد. با بکارگیری دانش و بهترین شیوه‌های ذکر شده در این راهنما، می‌توانید WebAssembly را به طور مؤثر در پروژه‌های توسعه وب خود استفاده کرده و پتانسیل کامل آن را آزاد کنید.