مدیریت استثناها در WebAssembly: نگاهی عمیق به باز کردن پشته (Stack Unwinding)

وب‌اسمبلی (Wasm) با فراهم کردن یک هدف کامپایل قابل حمل و با کارایی بالا، انقلابی در وب ایجاد کرده است. در حالی که در ابتدا بر روی محاسبات عددی متمرکز بود، Wasm به طور فزاینده‌ای برای برنامه‌های پیچیده استفاده می‌شود که نیازمند مکانیزم‌های قوی مدیریت خطا هستند. اینجاست که مدیریت استثناها وارد می‌شود. این مقاله به بررسی مدیریت استثنا در WebAssembly می‌پردازد و به طور خاص بر فرآیند حیاتی باز کردن پشته (stack unwinding) تمرکز می‌کند. ما جزئیات پیاده‌سازی، ملاحظات عملکردی و تأثیر کلی آن بر توسعه Wasm را بررسی خواهیم کرد.

مدیریت استثنا چیست؟

مدیریت استثنا یک ساختار زبان برنامه‌نویسی است که برای مدیریت خطاها یا شرایط استثنایی که در حین اجرای برنامه رخ می‌دهند، طراحی شده است. به جای از کار افتادن (crash) یا نشان دادن رفتار تعریف‌نشده، یک برنامه می‌تواند یک استثنا را «پرتاب» (throw) کند، که سپس توسط یک کنترل‌کننده (handler) مشخص «گرفته» (catch) می‌شود. این به برنامه اجازه می‌دهد تا به آرامی از خطاها بازیابی شود، اطلاعات تشخیصی را ثبت کند، یا عملیات پاک‌سازی را قبل از ادامه اجرا یا خاتمه آرام انجام دهد.

شرایطی را در نظر بگیرید که در آن سعی دارید به یک فایل دسترسی پیدا کنید. ممکن است فایل وجود نداشته باشد، یا شما مجوزهای لازم برای خواندن آن را نداشته باشید. بدون مدیریت استثنا، برنامه شما ممکن است از کار بیفتد. با مدیریت استثنا، می‌توانید کد دسترسی به فایل را در یک بلوک try قرار دهید و یک بلوک catch برای مدیریت استثناهای احتمالی (مانند FileNotFoundException، SecurityException) فراهم کنید. این به شما امکان می‌دهد یک پیام خطای آموزنده به کاربر نمایش دهید یا برای بازیابی از خطا تلاش کنید.

نیاز به مدیریت استثنا در WebAssembly

با تکامل WebAssembly از یک محیط اجرای sandbox برای ماژول‌های کوچک به یک پلتفرم برای برنامه‌های بزرگ‌مقیاس، نیاز به مدیریت صحیح استثناها اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند. بدون استثناها، مدیریت خطا دشوار و مستعد خطا می‌شود. توسعه‌دهندگان مجبورند به برگرداندن کدهای خطا یا استفاده از مکانیزم‌های موقتی دیگر تکیه کنند، که می‌تواند خواندن، نگهداری و اشکال‌زدایی کد را دشوارتر کند.

یک برنامه پیچیده را در نظر بگیرید که به زبانی مانند C++ نوشته شده و به WebAssembly کامپایل شده است. کد C++ ممکن است به شدت به استثناها برای مدیریت خطاها متکی باشد. بدون مدیریت صحیح استثنا در WebAssembly، کد کامپایل‌شده یا به درستی کار نخواهد کرد یا نیازمند تغییرات قابل توجهی برای جایگزینی مکانیزم‌های مدیریت استثنا خواهد بود. این موضوع به ویژه برای پروژه‌هایی که پایگاه‌کدهای موجود را به اکوسیستم WebAssembly منتقل می‌کنند، حائز اهمیت است.

پیشنهاد مدیریت استثنا در WebAssembly

جامعه WebAssembly در حال کار بر روی یک پیشنهاد استاندارد برای مدیریت استثنا (که اغلب به آن WasmEH گفته می‌شود) بوده است. این پیشنهاد با هدف ارائه روشی قابل حمل و کارآمد برای مدیریت استثناها در WebAssembly ارائه شده است. این پیشنهاد دستورالعمل‌های جدیدی برای پرتاب و گرفتن استثناها و همچنین مکانیزمی برای باز کردن پشته تعریف می‌کند که تمرکز این مقاله بر آن است.

اجزای کلیدی پیشنهاد مدیریت استثنا در WebAssembly عبارتند از:

• بلوک‌های try/catch: مشابه مدیریت استثنا در زبان‌های دیگر، WebAssembly بلوک‌های try و catch را برای محصور کردن کدی که ممکن است استثنا پرتاب کند و برای مدیریت آن استثناها فراهم می‌کند.
• اشیاء استثنا (Exception objects): استثناهای WebAssembly به صورت اشیائی نمایش داده می‌شوند که می‌توانند داده حمل کنند. این به کنترل‌کننده استثنا اجازه می‌دهد به اطلاعات مربوط به خطای رخ‌داده دسترسی پیدا کند.
• دستور throw: این دستور برای ایجاد یک استثنا استفاده می‌شود.
• دستور rethrow: به یک کنترل‌کننده استثنا اجازه می‌دهد تا یک استثنا را به سطح بالاتر منتقل کند.
• باز کردن پشته (Stack unwinding): فرآیند پاک‌سازی پشته فراخوانی پس از پرتاب یک استثنا، که برای تضمین مدیریت صحیح منابع و پایداری برنامه ضروری است.

باز کردن پشته: هسته اصلی مدیریت استثنا

باز کردن پشته (Stack unwinding) بخش حیاتی فرآیند مدیریت استثنا است. هنگامی که یک استثنا پرتاب می‌شود، زمان اجرای (runtime) WebAssembly نیاز دارد تا پشته فراخوانی را «باز کند» تا یک کنترل‌کننده استثنای مناسب پیدا کند. این فرآیند شامل مراحل زیر است:

1. استثنا پرتاب می‌شود: دستور throw اجرا می‌شود و نشان می‌دهد که یک استثنا رخ داده است.
2. جستجو برای یک کنترل‌کننده: زمان اجرا پشته فراخوانی را برای یافتن یک بلوک catch که بتواند استثنا را مدیریت کند، جستجو می‌کند. این جستجو از تابع فعلی به سمت ریشه پشته فراخوانی ادامه می‌یابد.
3. باز کردن پشته: همانطور که زمان اجرا پشته فراخوانی را پیمایش می‌کند، باید فریم پشته (stack frame) هر تابع را «باز کند». این شامل موارد زیر است:
   • بازیابی اشاره‌گر پشته قبلی.
   • اجرای هر بلوک finally (یا کد پاک‌سازی معادل در زبان‌هایی که بلوک finally صریح ندارند) که با توابع در حال باز شدن مرتبط است. این کار تضمین می‌کند که منابع به درستی آزاد شده و برنامه در حالت پایدار باقی می‌ماند.
   • حذف فریم پشته از پشته فراخوانی.
4. کنترل‌کننده پیدا می‌شود: اگر یک کنترل‌کننده استثنای مناسب پیدا شود، زمان اجرا کنترل را به آن کنترل‌کننده منتقل می‌کند. سپس کنترل‌کننده می‌تواند به اطلاعات مربوط به استثنا دسترسی پیدا کرده و اقدام مناسب را انجام دهد.
5. هیچ کنترل‌کننده‌ای پیدا نمی‌شود: اگر هیچ کنترل‌کننده مناسبی در پشته فراخوانی پیدا نشود، استثنا به عنوان گرفته‌نشده (uncaught) در نظر گرفته می‌شود. زمان اجرای WebAssembly معمولاً در این حالت برنامه را خاتمه می‌دهد (اگرچه میزبان‌ها (embedders) می‌توانند این رفتار را سفارشی کنند).

مثال: پشته فراخوانی ساده‌شده زیر را در نظر بگیرید:

تابع A تابع B را فراخوانی می‌کند
تابع B تابع C را فراخوانی می‌کند
تابع C یک استثنا پرتاب می‌کند

اگر تابع C یک استثنا پرتاب کند و تابع B یک بلوک try/catch داشته باشد که بتواند استثنا را مدیریت کند، فرآیند باز کردن پشته به این صورت خواهد بود:

1. فریم پشته تابع C را باز می‌کند.
2. کنترل را به بلوک catch در تابع B منتقل می‌کند.

اگر تابع B بلوک catch نداشته باشد، فرآیند باز کردن به تابع A ادامه خواهد یافت.

پیاده‌سازی باز کردن پشته در WebAssembly

پیاده‌سازی باز کردن پشته در WebAssembly شامل چندین جزء کلیدی است:

• نمایش پشته فراخوانی: زمان اجرای WebAssembly باید نمایشی از پشته فراخوانی را حفظ کند که به آن اجازه دهد فریم‌های پشته را به طور کارآمد پیمایش کند. این معمولاً شامل ذخیره اطلاعاتی در مورد تابع در حال اجرا، متغیرهای محلی و آدرس بازگشت است.
• اشاره‌گرهای فریم (Frame pointers): اشاره‌گرهای فریم (یا مکانیزم‌های مشابه) برای مکان‌یابی فریم‌های پشته هر تابع در پشته فراخوانی استفاده می‌شوند. این به زمان اجرا اجازه می‌دهد تا به راحتی به متغیرهای محلی تابع و سایر اطلاعات مرتبط دسترسی پیدا کند.
• جداول مدیریت استثنا: این جداول اطلاعاتی در مورد کنترل‌کننده‌های استثنا که با هر تابع مرتبط هستند را ذخیره می‌کنند. زمان اجرا از این جداول برای تعیین سریع اینکه آیا یک تابع کنترل‌کننده‌ای برای مدیریت یک استثنای معین دارد یا خیر، استفاده می‌کند.
• کد پاک‌سازی: زمان اجرا باید هنگام باز کردن پشته، کد پاک‌سازی (مانند بلوک‌های finally) را اجرا کند. این کار تضمین می‌کند که منابع به درستی آزاد شده و برنامه در حالت پایدار باقی می‌ماند.

چندین رویکرد مختلف می‌تواند برای پیاده‌سازی باز کردن پشته در WebAssembly استفاده شود، که هر کدام مزایا و معایب خود را از نظر عملکرد و پیچیدگی دارند. برخی از رویکردهای رایج عبارتند از:

• مدیریت استثنای بدون هزینه (ZCEH - Zero-cost exception handling): این رویکرد با هدف به حداقل رساندن سربار مدیریت استثنا در زمانی که هیچ استثنایی پرتاب نمی‌شود، طراحی شده است. ZCEH معمولاً شامل استفاده از تحلیل ایستا برای تعیین اینکه کدام توابع ممکن است استثنا پرتاب کنند و سپس تولید کد ویژه برای آن توابع است. توابعی که مشخص است استثنا پرتاب نمی‌کنند، می‌توانند بدون هیچ سربار مدیریت استثنایی اجرا شوند. LLVM اغلب از یک نوع از این روش استفاده می‌کند.
• باز کردن پشته مبتنی بر جدول: این رویکرد از جداول برای ذخیره اطلاعات در مورد فریم‌های پشته و کنترل‌کننده‌های استثنا استفاده می‌کند. سپس زمان اجرا می‌تواند از این جداول برای باز کردن سریع پشته هنگام پرتاب استثنا استفاده کند.
• باز کردن پشته مبتنی بر DWARF: DWARF (Debugging With Attributed Record Formats) یک فرمت استاندارد اشکال‌زدایی است که شامل اطلاعاتی در مورد فریم‌های پشته است. زمان اجرا می‌تواند از اطلاعات DWARF برای باز کردن پشته هنگام پرتاب استثنا استفاده کند.

پیاده‌سازی خاص باز کردن پشته در WebAssembly بسته به زمان اجرای WebAssembly و کامپایلر مورد استفاده برای تولید کد WebAssembly متفاوت خواهد بود.

پیامدهای عملکردی باز کردن پشته

باز کردن پشته می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد برنامه‌های WebAssembly داشته باشد. سربار باز کردن پشته می‌تواند قابل ملاحظه باشد، به خصوص اگر پشته فراخوانی عمیق باشد یا تعداد زیادی از توابع نیاز به باز شدن داشته باشند. بنابراین، در هنگام طراحی برنامه‌های WebAssembly، در نظر گرفتن دقیق پیامدهای عملکردی مدیریت استثنا بسیار مهم است.

عوامل متعددی می‌توانند بر عملکرد باز کردن پشته تأثیر بگذارند:

• عمق پشته فراخوانی: هرچه پشته فراخوانی عمیق‌تر باشد، توابع بیشتری باید باز شوند و سربار بیشتری تحمیل می‌شود.
• فرکانس استثناها: اگر استثناها به طور مکرر پرتاب شوند، سربار باز کردن پشته می‌تواند قابل توجه شود.
• پیچیدگی کد پاک‌سازی: اگر کد پاک‌سازی (مانند بلوک‌های finally) پیچیده باشد، سربار اجرای کد پاک‌سازی می‌تواند قابل ملاحظه باشد.
• پیاده‌سازی باز کردن پشته: پیاده‌سازی خاص باز کردن پشته می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد داشته باشد. تکنیک‌های مدیریت استثنای بدون هزینه می‌توانند سربار را در صورت عدم پرتاب استثنا به حداقل برسانند، اما ممکن است در صورت وقوع استثنا سربار بیشتری ایجاد کنند.

برای به حداقل رساندن تأثیر عملکردی باز کردن پشته، استراتژی‌های زیر را در نظر بگیرید:

• به حداقل رساندن استفاده از استثناها: از استثناها فقط برای شرایط واقعاً استثنایی استفاده کنید. از استفاده از استثناها برای جریان کنترل عادی خودداری کنید. زبان‌هایی مانند Rust به طور کامل از استثناها اجتناب می‌کنند و به جای آن از مدیریت خطای صریح (مانند نوع Result) استفاده می‌کنند.
• کم عمق نگه داشتن پشته‌های فراخوانی: تا حد امکان از پشته‌های فراخوانی عمیق خودداری کنید. برای کاهش عمق پشته فراخوانی، بازآرایی (refactoring) کد را در نظر بگیرید.
• بهینه‌سازی کد پاک‌سازی: اطمینان حاصل کنید که کد پاک‌سازی تا حد امکان کارآمد است. از انجام عملیات غیرضروری در بلوک‌های finally خودداری کنید.
• استفاده از یک زمان اجرای WebAssembly با پیاده‌سازی کارآمد باز کردن پشته: یک زمان اجرای WebAssembly را انتخاب کنید که از یک پیاده‌سازی کارآمد باز کردن پشته، مانند مدیریت استثنای بدون هزینه، استفاده کند.

مثال: یک برنامه WebAssembly را در نظر بگیرید که تعداد زیادی محاسبه انجام می‌دهد. اگر برنامه از استثناها برای مدیریت خطاها در محاسبات استفاده کند، سربار باز کردن پشته می‌تواند قابل توجه شود. برای کاهش این مشکل، می‌توان برنامه را طوری تغییر داد که به جای استثناها از کدهای خطا استفاده کند. این کار سربار باز کردن پشته را از بین می‌برد، اما نیاز دارد که برنامه به طور صریح پس از هر محاسبه خطاها را بررسی کند.

نمونه کدهای مفهومی (اسمبلی WASM)

در حالی که به دلیل فرمت پست وبلاگ نمی‌توانیم کد WASM قابل اجرای مستقیم در اینجا ارائه دهیم، بیایید به صورت مفهومی نشان دهیم که مدیریت استثنا در اسمبلی WASM (فرمت متنی WebAssembly یا WAT) چگونه *ممکن* است به نظر برسد:

;; تعریف یک نوع استثنا
(type $exn_type (exception (result i32)))

;; تابعی که ممکن است یک استثنا پرتاب کند
(func $might_fail (result i32)
  (try $try_block
    i32.const 10
    i32.const 0
    i32.div_s  ;; این دستور در صورت تقسیم بر صفر یک استثنا پرتاب می‌کند

    ;; اگر استثنایی رخ ندهد، نتیجه را برگردان
    (return)

    (catch $exn_type
      ;; مدیریت استثنا: مقدار -1 را برگردان
      i32.const -1
      (return))
  )
)

;; تابعی که تابع بالقوه شکست‌پذیر را فراخوانی می‌کند
(func $caller (result i32)
  (call $might_fail)
)

;; اکسپورت کردن تابع فراخواننده
(export "caller" (func $caller))

;; تعریف یک استثنا
(global $my_exception (mut i32) (i32.const 0))

;; پرتاب استثنا (کد شبه، دستور واقعی متفاوت است)
;; throw $my_exception

توضیحات:

• (type $exn_type (exception (result i32))): یک نوع استثنا را تعریف می‌کند.
• (try ... catch ...): یک بلوک try-catch را تعریف می‌کند.
• در داخل $might_fail، دستور i32.div_s می‌تواند باعث خطای تقسیم بر صفر (و استثنا) شود.
• بلوک catch استثنای از نوع $exn_type را مدیریت می‌کند.

توجه: این یک مثال مفهومی ساده‌شده است. دستورالعمل‌ها و سینتکس واقعی مدیریت استثنا در WebAssembly ممکن است بسته به نسخه خاص مشخصات WebAssembly و ابزارهای مورد استفاده کمی متفاوت باشد. برای به‌روزترین اطلاعات به مستندات رسمی WebAssembly مراجعه کنید.

اشکال‌زدایی (Debugging) وب‌اسمبلی با استثناها

اشکال‌زدایی کد WebAssembly که از استثناها استفاده می‌کند می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، به خصوص اگر با زمان اجرای WebAssembly و مکانیزم مدیریت استثنا آشنا نباشید. با این حال، چندین ابزار و تکنیک می‌تواند به شما کمک کند تا کد WebAssembly را با استثناها به طور مؤثر اشکال‌زدایی کنید:

• ابزارهای توسعه‌دهنده مرورگر: مرورگرهای وب مدرن ابزارهای توسعه‌دهنده قدرتمندی را ارائه می‌دهند که می‌توانند برای اشکال‌زدایی کد WebAssembly استفاده شوند. این ابزارها معمولاً به شما اجازه می‌دهند نقاط توقف (breakpoints) تنظیم کنید، کد را مرحله به مرحله اجرا کنید، متغیرها را بازرسی کنید و پشته فراخوانی را مشاهده کنید. هنگامی که یک استثنا پرتاب می‌شود، ابزارهای توسعه‌دهنده می‌توانند اطلاعاتی در مورد استثنا، مانند نوع استثنا و مکانی که استثنا در آن پرتاب شده است، ارائه دهند.
• اشکال‌زداهای WebAssembly: چندین اشکال‌زدای اختصاصی WebAssembly در دسترس هستند، مانند WebAssembly Binary Toolkit (WABT) و ابزار Binaryen. این اشکال‌زداها ویژگی‌های اشکال‌زدایی پیشرفته‌تری را ارائه می‌دهند، مانند توانایی بازرسی وضعیت داخلی ماژول WebAssembly و تنظیم نقاط توقف بر روی دستورالعمل‌های خاص.
• ثبت وقایع (Logging): ثبت وقایع می‌تواند ابزار ارزشمندی برای اشکال‌زدایی کد WebAssembly با استثناها باشد. شما می‌توانید دستورات ثبت وقایع را به کد خود اضافه کنید تا جریان اجرا را ردیابی کرده و اطلاعات مربوط به استثناهای پرتاب‌شده را ثبت کنید. این می‌تواند به شما در شناسایی علت اصلی استثناها و درک نحوه مدیریت آن‌ها کمک کند.
• نقشه‌های منبع (Source maps): نقشه‌های منبع به شما اجازه می‌دهند کد WebAssembly را به کد منبع اصلی نگاشت کنید. این می‌تواند اشکال‌زدایی کد WebAssembly را بسیار آسان‌تر کند، به خصوص اگر کد از یک زبان سطح بالاتر کامپایل شده باشد. هنگامی که یک استثنا پرتاب می‌شود، نقشه منبع می‌تواند به شما در شناسایی خط کد مربوطه در فایل منبع اصلی کمک کند.

مسیرهای آینده برای مدیریت استثنا در WebAssembly

پیشنهاد مدیریت استثنا در WebAssembly هنوز در حال تکامل است و چندین حوزه وجود دارد که در آن‌ها بهبودهای بیشتری در حال بررسی است:

• استانداردسازی انواع استثنا: در حال حاضر، WebAssembly اجازه تعریف انواع استثنای سفارشی را می‌دهد. استانداردسازی مجموعه‌ای از انواع استثنای رایج می‌تواند قابلیت همکاری بین ماژول‌های مختلف WebAssembly را بهبود بخشد.
• ادغام با جمع‌آوری زباله (Garbage Collection): با پشتیبانی WebAssembly از جمع‌آوری زباله، ادغام مدیریت استثنا با جمع‌آورنده زباله مهم خواهد بود. این کار تضمین می‌کند که منابع هنگام پرتاب استثناها به درستی آزاد می‌شوند.
• بهبود ابزارها: بهبودهای مستمر در ابزارهای اشکال‌زدایی WebAssembly برای آسان‌تر کردن اشکال‌زدایی کد WebAssembly با استثناها حیاتی خواهد بود.
• بهینه‌سازی عملکرد: تحقیقات و توسعه بیشتری برای بهینه‌سازی عملکرد باز کردن پشته و مدیریت استثنا در WebAssembly مورد نیاز است.

نتیجه‌گیری

مدیریت استثنا در WebAssembly یک ویژگی حیاتی برای امکان‌پذیر ساختن توسعه برنامه‌های پیچیده و قوی WebAssembly است. درک باز کردن پشته برای فهمیدن نحوه مدیریت استثناها در WebAssembly و برای بهینه‌سازی عملکرد برنامه‌هایی که از استثناها استفاده می‌کنند، ضروری است. با ادامه تکامل اکوسیستم WebAssembly، می‌توانیم انتظار داشته باشیم که بهبودهای بیشتری در مکانیزم مدیریت استثنا مشاهده کنیم، که WebAssembly را به یک پلتفرم جذاب‌تر برای طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها تبدیل می‌کند.

با در نظر گرفتن دقیق پیامدهای عملکردی مدیریت استثنا و با استفاده از ابزارها و تکنیک‌های اشکال‌زدایی مناسب، توسعه‌دهندگان می‌توانند به طور مؤثر از مدیریت استثنا در WebAssembly برای ساخت برنامه‌های قابل اعتماد و قابل نگهداری استفاده کنند.