انواع رابط وب‌اسمبلی: الگوهای تبادل داده بین جاوااسکریپت و WASM

وب‌اسمبلی (WASM) به عنوان یک فناوری قدرتمند برای ساخت برنامه‌های وب با کارایی بالا ظهور کرده است. این فناوری به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا از زبان‌هایی مانند C، C++، Rust و غیره برای ایجاد ماژول‌هایی استفاده کنند که با سرعتی نزدیک به سرعت بومی در مرورگر اجرا می‌شوند. یک جنبه حیاتی در توسعه WASM، تبادل داده کارآمد بین جاوااسکریپت و ماژول‌های WASM است. اینجاست که انواع رابط وب‌اسمبلی (WIT) وارد عمل می‌شوند.

انواع رابط وب‌اسمبلی (WIT) چیست؟

انواع رابط وب‌اسمبلی (WIT) یک جزء کلیدی برای بهبود قابلیت همکاری بین جاوااسکریپت و WASM هستند. قبل از WIT، تبادل داده بین جاوااسکریپت و WASM عمدتاً از طریق حافظه خطی مشترک انجام می‌شد. این رویکرد با وجود کارایی، اغلب شامل مراحل پیچیده سریال‌سازی و دی‌سریال‌سازی بود که بر عملکرد تأثیر می‌گذاشت. WIT با ارائه یک روش استاندارد برای تعریف رابط‌ها بین ماژول‌های WASM و محیط‌های میزبان آن‌ها (مانند جاوااسکریپت)، به دنبال ساده‌سازی این فرآیند است.

WIT را به عنوان یک قرارداد در نظر بگیرید. این قرارداد به وضوح مشخص می‌کند که چه انواع داده‌ای به عنوان ورودی به توابع WASM انتظار می‌رود و چه انواع داده‌ای به عنوان خروجی بازگردانده خواهد شد. این قرارداد به هر دو طرف، یعنی جاوااسکریپت و WASM، اجازه می‌دهد تا بدون نیاز به مدیریت دستی آدرس‌های حافظه و تبدیل داده‌ها، نحوه ارتباط با یکدیگر را درک کنند.

مزایای استفاده از انواع رابط

• عملکرد بهبود یافته: WIT به طور قابل توجهی سربار مرتبط با سریال‌سازی و دی‌سریال‌سازی داده‌ها را کاهش می‌دهد. با ارائه یک نگاشت مستقیم بین انواع داده جاوااسکریپت و WASM، داده‌ها می‌توانند به طور کارآمدتری منتقل شوند.
• ایمنی نوع پیشرفته: WIT بررسی نوع را در سطح رابط اعمال می‌کند و خطاهای احتمالی را در مراحل اولیه فرآیند توسعه تشخیص می‌دهد. این امر خطر استثناهای زمان اجرا را کاهش داده و پایداری کلی برنامه شما را بهبود می‌بخشد.
• توسعه ساده‌شده: WIT با ارائه روشی واضح و مختصر برای تعریف رابط‌ها بین ماژول‌های جاوااسکریپت و WASM، فرآیند توسعه را ساده می‌کند. این کار درک و نگهداری کد شما را آسان‌تر می‌سازد.
• قابلیت حمل افزایش‌یافته: WIT به گونه‌ای طراحی شده است که مستقل از پلتفرم باشد و این امکان را فراهم می‌کند که ماژول‌های WASM خود را به محیط‌های مختلف منتقل کنید. این به شما اجازه می‌دهد تا کد خود را در چندین پلتفرم و معماری مجدداً استفاده کنید.

الگوهای تبادل داده قبل از انواع رابط

قبل از WIT، روش اصلی برای تبادل داده بین جاوااسکریپت و WASM شامل حافظه خطی مشترک بود. بیایید این رویکرد را بررسی کنیم:

حافظه خطی مشترک

نمونه‌های WASM دارای یک حافظه خطی هستند که اساساً یک بلوک پیوسته از حافظه است که هم توسط ماژول WASM و هم میزبان جاوااسکریپت قابل دسترسی است. برای تبادل داده، جاوااسکریپت داده‌ها را در حافظه WASM می‌نوشت و سپس ماژول WASM می‌توانست آن را بخواند، یا برعکس.

مثال (مفهومی)

در جاوااسکریپت:

            
  // Allocate memory in WASM
  const wasmMemory = wasmInstance.exports.memory;
  const wasmBuffer = new Uint8Array(wasmMemory.buffer);

  // Write data to WASM memory
  const data = "Hello from JavaScript!";
  const encoder = new TextEncoder();
  const encodedData = encoder.encode(data);
  wasmBuffer.set(encodedData, offset);

  // Call WASM function to process data
  wasmInstance.exports.processData(offset, encodedData.length);

            

              
                Copy
              
            
          

در WASM (مفهومی):

            
  // Function to process data in WASM memory
  (func (export "processData") (param $offset i32) (param $length i32)
    (local $i i32)
    (loop $loop
      (br_if $loop (i32.ne (local.get $i) (local.get $length)))
      ;; Read byte from memory at offset + i
      (i32.load8_u (i32.add (local.get $offset) (local.get $i)))
      ;; Do something with the byte
      (local.set $i (i32.add (local.get $i) (i32.const 1)))
    )
  )

            

              
                Copy
              
            
          

معایب حافظه خطی مشترک

• مدیریت دستی حافظه: توسعه‌دهندگان مسئول مدیریت دستی تخصیص و آزادسازی حافظه بودند که می‌توانست منجر به نشت حافظه یا خطاهای سگمنتیشن شود.
• سربار سریال‌سازی/دی‌سریال‌سازی: داده‌ها باید به فرمتی سریال‌سازی می‌شدند که بتوان در حافظه نوشت و سپس توسط طرف دیگر دی‌سریال‌سازی می‌شد. این کار به ویژه برای ساختارهای داده پیچیده، سربار قابل توجهی ایجاد می‌کرد.
• مشکلات ایمنی نوع: هیچ ایمنی نوع ذاتی وجود نداشت. هم جاوااسکریپت و هم WASM باید در مورد چیدمان داده در حافظه توافق می‌کردند که مستعد خطا بود.

الگوهای تبادل داده با استفاده از انواع رابط

WIT با ارائه روشی ساختاریافته‌تر و کارآمدتر برای تبادل داده، محدودیت‌های حافظه خطی مشترک را برطرف می‌کند. در اینجا برخی از جنبه‌های کلیدی آورده شده است:

WIT IDL (زبان تعریف رابط)

WIT یک زبان تعریف رابط (IDL) جدید برای تعریف رابط‌ها بین ماژول‌های WASM و محیط‌های میزبان آن‌ها معرفی می‌کند. این IDL به شما امکان می‌دهد انواع داده‌هایی که بین جاوااسکریپت و WASM منتقل می‌شوند و همچنین توابعی که در هر ماژول موجود هستند را مشخص کنید.

مثال تعریف WIT:

            
package my-namespace;

interface example {
  record data {
    name: string,
    value: u32,
  }

  foo: func(input: data) -> string
}

            

              
                Copy
              
            
          

این مثال یک رابط به نام `example` با یک رکورد (شبیه به یک struct) به نام `data` تعریف می‌کند که شامل یک رشته و یک عدد صحیح ۳۲ بیتی بدون علامت است. همچنین یک تابع `foo` را تعریف می‌کند که یک رکورد `data` را به عنوان ورودی می‌گیرد و یک رشته را برمی‌گرداند.

نگاشت انواع داده

WIT یک نگاشت واضح بین انواع داده جاوااسکریپت و WASM فراهم می‌کند. این امر نیاز به سریال‌سازی و دی‌سریال‌سازی دستی را از بین می‌برد و عملکرد را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد. انواع رایج عبارتند از:

• انواع اولیه: اعداد صحیح (i32, i64, u32, u64)، اعداد اعشاری (f32, f64)، مقادیر بولی (bool)
• رشته‌ها: رشته (کدگذاری شده با UTF-8)
• رکوردها: ساختارهای داده شبیه به struct
• لیست‌ها: آرایه‌هایی از یک نوع خاص
• گزینه‌ها (Options): انواع قابل تهی (می‌توانند وجود داشته باشند یا نداشته باشند)
• نتایج (Results): نمایش موفقیت یا شکست، به همراه داده‌های مرتبط

تعریف World

یک "world" در WIT، واردات (imports) و صادرات (exports) را برای تعریف یک رابط کامل برای یک کامپوننت وب‌اسمبلی ترکیب می‌کند. این تعریف مشخص می‌کند که کدام رابط‌ها توسط کامپوننت استفاده می‌شوند و چگونه با یکدیگر تعامل دارند.

مثال تعریف World:

            
package my-namespace;

world my-world {
  import host-functions: interface { ... };
  export wasm-module: interface { ... };
}

            

              
                Copy
              
            
          

مدل کامپوننت

انواع رابط سنگ بنای مدل کامپوننت وب‌اسمبلی هستند. این مدل با هدف ارائه یک انتزاع سطح بالاتر برای ساخت ماژول‌های WASM، امکان ترکیب‌پذیری و قابلیت استفاده مجدد بهتر را فراهم می‌کند. مدل کامپوننت از انواع رابط برای اطمینان از تعامل یکپارچه بین کامپوننت‌های مختلف، صرف نظر از زبان‌هایی که با آن‌ها نوشته شده‌اند، بهره می‌برد.

نمونه‌های عملی تبادل داده با انواع رابط

بیایید چند مثال عملی از نحوه استفاده از انواع رابط برای تبادل داده بین جاوااسکریپت و WASM را در نظر بگیریم.

مثال ۱: ارسال یک رشته به WASM

فرض کنید یک ماژول WASM داریم که نیاز به دریافت یک رشته از جاوااسکریپت دارد و عملیاتی روی آن انجام می‌دهد (مثلاً محاسبه طول آن، معکوس کردن آن).

تعریف WIT:

            
package string-example;

interface string-processor {
  process-string: func(input: string) -> u32
}

            

              
                Copy
              
            
          

کد جاوااسکریپت:

            
// Assuming you have a compiled WASM component
const instance = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('string_processor.wasm'), importObject);

const inputString = "Hello, WebAssembly!";
const stringLength = instance.exports.process_string(inputString);

console.log(`String length: ${stringLength}`);

            

              
                Copy
              
            
          

کد WASM (مفهومی):

            
;; WASM function to process the string
(func (export "process_string") (param $input string) (result i32)
  (string.len $input)
)

            

              
                Copy
              
            
          

مثال ۲: ارسال یک رکورد (Struct) به WASM

فرض کنید می‌خواهیم یک ساختار داده پیچیده‌تر، مانند یک رکورد حاوی نام و سن، را به ماژول WASM خود ارسال کنیم.

تعریف WIT:

            
package record-example;

interface person-processor {
  record person {
    name: string,
    age: u32,
  }

  process-person: func(p: person) -> string
}

            

              
                Copy
              
            
          

کد جاوااسکریپت:

            
// Assuming you have a compiled WASM component
const instance = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('person_processor.wasm'), importObject);

const personData = { name: "Alice", age: 30 };
const greeting = instance.exports.process_person(personData);

console.log(greeting);

            

              
                Copy
              
            
          

کد WASM (مفهومی):

            
;; WASM function to process the person record
(func (export "process_person") (param $p person) (result string)
  ;; Access fields of the person record (e.g., p.name, p.age)
  (string.concat "Hello, " (person.name $p) "! You are " (i32.to_string (person.age $p)) " years old.")
)

            

              
                Copy
              
            
          

مثال ۳: بازگرداندن یک لیست از WASM

سناریویی را در نظر بگیرید که یک ماژول WASM لیستی از اعداد را تولید می‌کند و باید آن را به جاوااسکریپت بازگرداند.

تعریف WIT:

            
package list-example;

interface number-generator {
  generate-numbers: func(count: u32) -> list<u32>
}

            

              
                Copy
              
            
          

کد جاوااسکریپت:

            
// Assuming you have a compiled WASM component
const instance = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('number_generator.wasm'), importObject);

const numberOfNumbers = 5;
const numbers = instance.exports.generate_numbers(numberOfNumbers);

console.log(numbers);

            

              
                Copy
              
            
          

کد WASM (مفهومی):

            
;; WASM function to generate a list of numbers
(func (export "generate_numbers") (param $count i32) (result (list i32))
  (local $list (list i32))
  (local $i i32)
  (loop $loop
    (br_if $loop (i32.ne (local.get $i) (local.get $count)))
    (list.push $list (local.get $i))
    (local.set $i (i32.add (local.get $i) (i32.const 1)))
  )
  (return (local.get $list))
)

            

              
                Copy
              
            
          

ابزارها و فناوری‌ها برای کار با انواع رابط

ابزارها و فناوری‌های متعددی برای کمک به شما در کار با انواع رابط در دسترس هستند:

• wasm-tools: مجموعه‌ای از ابزارهای خط فرمان برای کار با ماژول‌های WASM، شامل ابزارهایی برای تبدیل بین فرمت‌های مختلف WASM، اعتبارسنجی کد WASM و تولید تعاریف WIT.
• wit-bindgen: ابزاری که به طور خودکار کد چسب (glue code) لازم برای تعامل با ماژول‌های WASM که از انواع رابط استفاده می‌کنند را تولید می‌کند. این ابزار فرآیند ادغام ماژول‌های WASM را در برنامه‌های جاوااسکریپت شما ساده می‌کند.
• ابزارهای مدل کامپوننت: با بلوغ مدل کامپوننت، انتظار می‌رود پشتیبانی ابزاری بیشتری برای ساخت، ترکیب و مدیریت کامپوننت‌های WASM مشاهده شود.

بهترین روش‌ها برای تبادل داده بین جاوااسکریپت و WASM

برای اطمینان از تبادل داده کارآمد و قابل اعتماد بین جاوااسکریپت و WASM، بهترین روش‌های زیر را در نظر بگیرید:

• تا حد امکان از انواع رابط استفاده کنید: WIT در مقایسه با حافظه خطی مشترک، روشی ساختاریافته‌تر و کارآمدتر برای تبادل داده فراهم می‌کند.
• کپی کردن داده را به حداقل برسانید: از کپی کردن غیرضروری داده‌ها بین جاوااسکریپت و WASM خودداری کنید. در صورت امکان، داده‌ها را با ارجاع (by reference) به جای مقدار (by value) منتقل کنید.
• انواع داده مناسب را انتخاب کنید: مناسب‌ترین انواع داده را برای داده‌های خود انتخاب کنید. استفاده از انواع داده کوچکتر می‌تواند مصرف حافظه را کاهش داده و عملکرد را بهبود بخشد.
• ساختارهای داده را بهینه‌سازی کنید: ساختارهای داده خود را برای دسترسی و دستکاری کارآمد بهینه‌سازی کنید. از ساختارهای داده‌ای استفاده کنید که برای عملیات خاصی که باید انجام دهید مناسب هستند.
• پروفایل و بنچمارک‌گیری کنید: از ابزارهای پروفایل‌ینگ و بنچمارکینگ برای شناسایی گلوگاه‌های عملکرد و بهینه‌سازی کد خود استفاده کنید.
• عملیات ناهمزمان را در نظر بگیرید: برای کارهای محاسباتی سنگین، از عملیات ناهمزمان برای جلوگیری از مسدود شدن رشته اصلی استفاده کنید.

روندهای آینده در انواع رابط وب‌اسمبلی

حوزه انواع رابط وب‌اسمبلی به طور مداوم در حال تحول است. در اینجا برخی از روندهای آینده که باید به آنها توجه کرد، آورده شده است:

• پشتیبانی گسترده‌تر از انواع داده: انتظار می‌رود در نسخه‌های آینده WIT، پشتیبانی از انواع داده پیچیده‌تر مانند انواع سفارشی و انواع ژنریک (generic) را شاهد باشیم.
• ابزارهای بهبود یافته: ابزارهای پیرامون WIT به طور مداوم در حال بهبود هستند. انتظار می‌رود در آینده ابزارهای کاربرپسندتر و ادغام‌های بیشتری با محیط‌های توسعه (IDE) را ببینیم.
• ادغام با WASI: رابط سیستم وب‌اسمبلی (WASI) با هدف ارائه یک API استاندارد برای دسترسی به منابع سیستم عامل از ماژول‌های WASM ایجاد شده است. WIT نقش مهمی در ادغام WASI با جاوااسکریپت ایفا خواهد کرد.
• پذیرش مدل کامپوننت: با افزایش محبوبیت مدل کامپوننت، انواع رابط برای ساخت کامپوننت‌های WASM ماژولار و قابل استفاده مجدد، اهمیت بیشتری پیدا خواهند کرد.

نتیجه‌گیری

انواع رابط وب‌اسمبلی یک گام مهم رو به جلو در بهبود قابلیت همکاری بین جاوااسکریپت و WASM محسوب می‌شوند. WIT با ارائه یک روش استاندارد برای تعریف رابط‌ها و تبادل داده، توسعه را ساده‌تر، ایمنی نوع را افزایش و عملکرد را بهبود می‌بخشد. با ادامه تکامل اکوسیستم وب‌اسمبلی، WIT نقش فزاینده‌ای در توانمندسازی توسعه‌دهندگان برای ساخت برنامه‌های وب با کارایی بالا ایفا خواهد کرد. پذیرش انواع رابط برای بهره‌برداری از پتانسیل کامل وب‌اسمبلی در توسعه وب مدرن حیاتی است. آینده توسعه وب به طور فزاینده‌ای به سمت وب‌اسمبلی و قابلیت‌های آن برای عملکرد و استفاده مجدد از کد در حرکت است، که درک انواع رابط را برای هر توسعه‌دهنده وبی که به دنبال پیشرو بودن است، ضروری می‌سازد.