توابع چندمقداری در WebAssembly: تسلط بر بازگرداندن چندین مقدار برای توسعه‌دهندگان جهانی

در چشم‌انداز دائماً در حال تحول برنامه‌نویسی وب و سیستم‌ها، کارایی و گویایی از اهمیت بالایی برخوردارند. WebAssembly (WASM) به عنوان یک هدف کامپایل قدرتمند ظهور کرده است که به توسعه‌دهندگان امکان می‌دهد کدهای نوشته شده به زبان‌هایی مانند C++، Rust، Go و AssemblyScript را با سرعتی نزدیک به سرعت بومی در مرورگر و فراتر از آن اجرا کنند. یکی از تأثیرگذارترین افزوده‌های اخیر به مشخصات WebAssembly، پشتیبانی از توابع چندمقداری است. این ویژگی، که در ظاهر جزئی به نظر می‌رسد، گام مهمی در نحوه مدیریت مقادیر بازگشتی چندگانه برداشته و باعث ساده‌سازی کد و بهبود عملکرد در میان جامعه متنوع توسعه‌دهندگان جهانی می‌شود.

چالش بازگرداندن چندین مقدار در برنامه‌نویسی سنتی

پیش از پرداختن به راه‌حل WebAssembly، بیایید رویکردهای رایج برای بازگرداندن چندین مقدار از یک تابع در پارادایم‌های برنامه‌نویسی سنتی را بررسی کنیم. توسعه‌دهندگان اغلب با سناریوهایی مواجه می‌شوند که یک تابع نیاز دارد چندین قطعه اطلاعات را به فراخواننده خود بازگرداند. بدون پشتیبانی مستقیم از بازگشت چندگانه، راه‌حل‌های رایج عبارتند از:

• بازگرداندن یک ساختار (struct) یا شیء: این یک رویکرد تمیز و مرسوم در بسیاری از زبان‌ها است. فراخواننده یک ساختار داده ترکیبی واحد را دریافت می‌کند که شامل تمام مقادیر بازگشتی است. اگرچه این روش قوی است، اما گاهی اوقات به دلیل تخصیص حافظه و کپی کردن، به ویژه برای ساختارهای بزرگتر یا در حلقه‌های حساس به عملکرد، سربار ایجاد می‌کند.
• استفاده از پارامترهای خروجی (اشاره‌گرها/ارجاع‌ها): در زبان‌هایی مانند C یا C++، توابع اغلب متغیرهایی را که با ارجاع یا اشاره‌گر ارسال شده‌اند، تغییر می‌دهند. این روش می‌تواند مؤثر باشد، اما ممکن است منجر به کدی با خوانایی کمتر شود، زیرا هدف همیشه از امضای تابع بلافاصله مشخص نیست. همچنین مفهوم تغییرناپذیری را پیچیده می‌کند.
• فشرده‌سازی مقادیر در یک نوع داده واحد: برای موارد ساده، توسعه‌دهندگان ممکن است چندین پرچم بولی یا اعداد صحیح کوچک را با استفاده از عملیات بیتی در یک نوع داده صحیح بزرگتر فشرده کنند. این روش بسیار کارآمد است اما خوانایی را قربانی می‌کند و فقط برای داده‌های بسیار محدود امکان‌پذیر است.
• بازگرداندن یک تاپل (tuple) یا آرایه: شبیه به ساختارها، اما اغلب با نوع‌بندی ضعیف‌تر. این می‌تواند راحت باشد اما ممکن است نیاز به تبدیل نوع یا نمایه‌گذاری دقیق توسط فراخواننده داشته باشد.

این روش‌ها، با وجود کاربردی بودن، اغلب با معاوضه‌هایی از نظر وضوح، عملکرد یا هر دو همراه هستند. برای مخاطبان جهانی، جایی که کد ممکن است توسط تیم‌هایی با پیشینه‌های زبانی متنوع نگهداری شود، ثبات و سهولت درک بسیار مهم است. فقدان یک مکانیزم جهانی کارآمد و واضح برای بازگشت چندگانه، یک نقطه اصطکاک مداوم، هرچند اغلب جزئی، بوده است.

معرفی توابع چندمقداری WebAssembly

ویژگی توابع چندمقداری WebAssembly مستقیماً به این چالش پاسخ می‌دهد. این ویژگی به یک تابع WebAssembly اجازه می‌دهد تا چندین مقدار را به طور همزمان بازگرداند بدون نیاز به ساختارهای داده میانی یا پارامترهای خروجی. این امر با تعریف امضای توابع که چندین نوع بازگشتی را مستقیماً لیست می‌کنند، محقق می‌شود.

یک امضای تابع را در قالب متنی WebAssembly (WAT) در نظر بگیرید که دو عدد صحیح را بازمی‌گرداند:

            (func (result i32 i64) ...)

            

              
                Copy
              
            
          

این نشان می‌دهد که تابع یک i32 و سپس یک i64 را تولید خواهد کرد. هنگامی که این تابع از جاوا اسکریپت یا محیط میزبان دیگری فراخوانی می‌شود، می‌تواند هر دو مقدار را مستقیماً، اغلب به صورت یک تاپل یا آرایه، بسته به لایه اتصال محیط میزبان، بازگرداند.

مزایا برای توسعه‌دهندگان جهانی

پیامدهای توابع چندمقداری، به ویژه برای مخاطبان جهانی، گسترده است:

• خوانایی و گویایی بهبود یافته: کد شهودی‌تر می‌شود. امضای یک تابع به وضوح تمام خروجی‌های خود را اعلام می‌کند و بار شناختی را برای توسعه‌دهندگانی که سعی در درک رفتار آن دارند کاهش می‌دهد. این برای تیم‌های بین‌المللی که ارتباطات و درک در آنها حیاتی است، بسیار ارزشمند است.
• عملکرد بهبود یافته: با حذف سربار مرتبط با ایجاد و انتقال ساختارهای داده موقت (مانند ساختارها یا آرایه‌ها) برای مقادیر بازگشتی، توابع چندمقداری می‌توانند منجر به افزایش قابل توجهی در عملکرد شوند. این امر به ویژه در برنامه‌های حساس به عملکرد، بازی‌ها، شبیه‌سازی‌ها و وظایف پردازش داده که در صنایع مختلف جهانی رایج هستند، مفید است.
• قابلیت همکاری ساده‌تر: در حالی که نمایش دقیق مقادیر بازگشتی چندگانه در محیط میزبان (مثلاً جاوا اسکریپت) ممکن است متفاوت باشد (اغلب به صورت آرایه یا تاپل)، ویژگی اصلی WebAssembly تولید این داده‌ها را ساده می‌کند. زنجیره ابزارهای زبانی که WASM را هدف قرار می‌دهند می‌توانند به طور بومی از این ویژگی استفاده کنند که منجر به اتصالات کارآمدتر و مرسوم‌تر می‌شود.
• تولید کد تمیزتر: کامپایلرهای زبان‌هایی مانند Rust، Go و C++ می‌توانند زمانی که یک تابع نیاز به بازگرداندن چندین مقدار دارد، کد WASM مستقیم‌تر و کارآمدتری تولید کنند. به جای تبدیل‌های دستی پیچیده، آنها می‌توانند ساختارهای زبان را مستقیماً به قابلیت‌های چندمقداری WASM نگاشت کنند.
• کاهش پیچیدگی در طراحی الگوریتم: الگوریتم‌های خاصی به طور طبیعی چندین نتیجه مستقل تولید می‌کنند. توابع چندمقداری پیاده‌سازی این الگوریتم‌ها را در WASM ساده‌تر و کمتر مستعد خطا می‌کنند.

مثال‌های عملی در زبان‌های مختلف

بیایید با مثال‌هایی از زبان‌های محبوبی که به WebAssembly کامپایل می‌شوند، نحوه استفاده از توابع چندمقداری را نشان دهیم.

1. راست (Rust)

Rust پشتیبانی عالی از تاپل‌ها دارد که به طور بسیار طبیعی به نوع بازگشتی چندمقداری WebAssembly نگاشت می‌شود.

            #[no_mangle]
pub extern "C" fn calculate_stats(a: i32, b: i32) -> (i32, i32, i32) {
    let sum = a + b;
    let difference = a - b;
    let product = a * b;
    (sum, difference, product)
}

            

              
                Copy
              
            
          

هنگامی که این کد Rust به WebAssembly کامپایل می‌شود، تابع calculate_stats با امضایی که می‌تواند سه مقدار i32 را بازگرداند، صادر (export) خواهد شد. یک فراخواننده جاوا اسکریپت ممکن است این مقادیر را به صورت یک آرایه دریافت کند:

            // Assuming 'wasmInstance.exports.calculate_stats' is available
const result = wasmInstance.exports.calculate_stats(10, 5);
// result might be [15, 5, 50]
console.log(`Sum: ${result[0]}, Difference: ${result[1]}, Product: ${result[2]}`);

            

              
                Copy
              
            
          

این کار از نیاز Rust به ایجاد یک ساختار موقت فقط برای بازگرداندن این مقادیر به ماژول WASM جلوگیری می‌کند.

2. گو (Go)

Go نیز به طور بومی از بازگرداندن چندین مقدار پشتیبانی می‌کند، که ادغام آن با ویژگی چندمقداری WebAssembly را یکپارچه می‌سازد.

            
package main

import "fmt"

//export process_data
func process_data(input int) (int, int, error) {
	if input < 0 {
		return 0, 0, fmt.Errorf("input cannot be negative")
	}
	return input * 2, input / 2, nil
}

func main() {
	// This main function is typically not exported directly to WASM for host interaction
}

            

              
                Copy
              
            
          

تابع process_data یک عدد صحیح، یک عدد صحیح دیگر و یک خطا را بازمی‌گرداند. هنگام کامپایل به WASM، زنجیره ابزار Go می‌تواند از ویژگی چندمقداری WASM برای نمایش این سه مقدار بازگشتی استفاده کند. محیط میزبان احتمالاً این مقادیر را، احتمالاً به صورت یک آرایه که در آن عنصر آخر می‌تواند یک شیء خطا یا یک مقدار نگهبان برای نشان دادن موفقیت/شکست باشد، دریافت خواهد کرد.

3. C/C++ (از طریق Emscripten/LLVM)

در حالی که C و C++ خودشان سینتکس بازگشت چندمقداری مستقیم مانند Rust یا Go ندارند، کامپایلرهایی مانند Clang (از طریق Emscripten یا اهداف مستقیم WASM) می‌توانند توابعی را که چندین مقدار بازمی‌گردانند به WASM کارآمد ترجمه کنند. این اغلب شامل استفاده داخلی کامپایلر از تکنیک‌هایی است که از قابلیت‌های چندمقداری WASM بهره می‌برند، حتی اگر کد منبع C/C++ به نظر برسد که از پارامترهای خروجی یا بازگرداندن یک ساختار استفاده می‌کند.

به عنوان مثال، یک تابع C که قصد بازگرداندن چندین مقدار را دارد، ممکن است به صورت مفهومی اینگونه ساختار یابد:

            
// Conceptually, though actual C would use output parameters
typedef struct {
    int first;
    long second;
} MultiResult;

// A function designed to return multiple values (e.g., using a struct)
// The compiler targeting WASM with multi-value support can optimize this.
MultiResult complex_calculation(int input) {
    MultiResult res;
    res.first = input * 2;
    res.second = (long)input * input;
    return res;
}

            

              
                Copy
              
            
          

یک کامپایلر مدرن WASM می‌تواند این را تجزیه و تحلیل کند و، اگر هدف از چندمقداری پشتیبانی کند، به طور بالقوه WASMی تولید کند که دو مقدار (یک i32 و یک i64) را مستقیماً بازمی‌گرداند، به جای ایجاد و بازگرداندن یک ساختار روی پشته. این بهینه‌سازی توسط قابلیت زیربنایی WASM هدایت می‌شود.

4. AssemblyScript

AssemblyScript، یک زبان شبیه به TypeScript برای WebAssembly، نیز از بازگشت چندمقداری پشتیبانی می‌کند، که اغلب قابلیت‌های بازگشت شبه-تاپل جاوا اسکریپت را منعکس می‌کند.

            
export function get_coordinates(): [f64, f64] {
    let x: f64 = Math.random() * 100.0;
    let y: f64 = Math.random() * 100.0;
    return [x, y];
}

            

              
                Copy
              
            
          

این تابع AssemblyScript یک تاپل از دو مقدار f64 را بازمی‌گرداند. هنگام کامپایل، به یک امضای تابع WASM که دو f64 را بازمی‌گرداند نگاشت خواهد شد. میزبان جاوا اسکریپت این را به صورت یک آرایه `[x_value, y_value]` دریافت خواهد کرد.

ملاحظات فنی و جزئیات پیاده‌سازی

مشخصات WebAssembly توابع چندمقداری را به عنوان بخشی از پیشنهاد Function و Control Flow تعریف می‌کند. مهم است توجه داشته باشید که نمایش دقیق مقادیر بازگشتی چندگانه در زبان میزبان (مانند جاوا اسکریپت) توسط لایه اتصال یا زنجیره ابزار خاصی که برای تعامل با ماژول WASM استفاده می‌شود، مدیریت می‌شود. به طور معمول:

• جاوا اسکریپت: هنگام فراخوانی یک تابع WASM با چندین مقدار بازگشتی، جاوا اسکریپت اغلب آنها را به صورت یک آرایه دریافت می‌کند. به عنوان مثال، یک تابع WASM که (i32, i64) را بازمی‌گرداند ممکن است فراخوانی شود و فراخواننده جاوا اسکریپت یک آرایه مانند [intValue, longValue] دریافت کند.
• اتصالات زبان: برای زبان‌هایی مانند پایتون، روبی یا نود.جی‌اس، کتابخانه‌ها یا فریمورک‌های خاصی که برای بارگذاری و تعامل با ماژول‌های WebAssembly استفاده می‌شوند، نحوه ارائه این مقادیر بازگشتی چندگانه به توسعه‌دهنده را تعیین می‌کنند.

پشتیبانی کامپایلر

پذیرش گسترده توابع چندمقداری به پشتیبانی قوی کامپایلرها متکی است. کامپایلرهای اصلی هدف‌گیری WASM و زنجیره‌های ابزار آنها برای بهره‌برداری از این ویژگی به‌روز شده‌اند:

• LLVM: موتور اصلی پشت بسیاری از کامپایلرهای WASM (از جمله Clang، Rustc و غیره) برای پشتیبانی از دستورالعمل‌های چندمقداری به‌روز شده است.
• Rustc: همانطور که در مثال مشاهده شد، ویژگی‌های زبان Rust به خوبی نگاشت می‌شوند و کامپایلر WASM کارآمدی تولید می‌کند.
• زنجیره ابزار Go: پشتیبانی داخلی Go از مقادیر بازگشتی چندگانه مستقیماً ترجمه می‌شود.
• AssemblyScript: با در نظر گرفتن WASM طراحی شده است و پشتیبانی مستقیمی ارائه می‌دهد.

توسعه‌دهندگان باید اطمینان حاصل کنند که از نسخه‌های اخیر زنجیره‌های ابزار مربوطه خود برای بهره‌مندی کامل از این ویژگی استفاده می‌کنند.

اشتباهات احتمالی و بهترین شیوه‌ها

در حالی که این ویژگی قدرتمند است، عاقلانه است که هنگام پیاده‌سازی توابع چندمقداری، بهترین شیوه‌ها را در نظر بگیرید:

• از استفاده بیش از حد خودداری کنید: توابع چندمقداری برای بازگرداندن مجموعه‌ای کوچک و منسجم از نتایج که به طور منطقی به هم مرتبط هستند، عالی هستند. اگر یک تابع نیاز به بازگرداندن مقادیر متفاوت زیادی داشته باشد، ممکن است نشان‌دهنده نیاز به بازسازی منطق یا تجدید نظر در مسئولیت تابع باشد. بازگرداندن ۲-۳ مقدار معمولاً ایده‌آل است.
• وضوح در نام‌گذاری: اطمینان حاصل کنید که نام تابع به وضوح کاری را که انجام می‌دهد، بیان می‌کند. امضا، همراه با یک نام توصیفی، باید هدف و خروجی‌ها را آشکار سازد.
• مدیریت محیط میزبان: از نحوه ارائه مقادیر بازگشتی چندگانه توسط محیط میزبان انتخابی خود (مثلاً جاوا اسکریپت مرورگر، نود.جی‌اس و غیره) آگاه باشید. مدیریت سازگار در پروژه یا تیم شما کلیدی است.
• مدیریت خطا: اگر یکی از مقادیر بازگشتی برای نشان دادن خطا در نظر گرفته شده است، اطمینان حاصل کنید که از یک الگوی سازگار استفاده می‌شود، چه بازگرداندن یک نوع خطای صریح (مانند Go) باشد یا یک مقدار خاص که نشان‌دهنده شکست است.
• نسخه‌های زنجیره ابزار: همیشه از کامپایلرها و زمان‌های اجرای WASM به‌روز برای اطمینان از سازگاری و مزایای عملکردی استفاده کنید.

تأثیر جهانی بهبودهای WebAssembly

تکامل مداوم WebAssembly، که با ویژگی‌هایی مانند توابع چندمقداری مشخص می‌شود، برای پذیرش جهانی آن حیاتی است. همانطور که WASM فراتر از مرورگر به حوزه‌هایی مانند محاسبات بدون سرور، توابع لبه‌ای و سیستم‌های افزونه‌ای حرکت می‌کند، ویژگی‌های استاندارد، کارآمد و گویا اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.

• کاهش اصطکاک برای قابلیت همکاری زبان‌ها: برای شرکت‌ها و پروژه‌های منبع‌بازی که از رویکرد چندزبانه استفاده می‌کنند، WASM به عنوان یک زمینه مشترک عمل می‌کند. توابع چندمقداری رابط بین ماژول‌های نوشته شده به زبان‌های مختلف را ساده می‌کنند و ادغام را روان‌تر می‌سازند. این یک مزیت قابل توجه برای تیم‌های توسعه جهانی است.
• دموکراتیزه کردن محاسبات با عملکرد بالا: با فراهم آوردن عملکرد نزدیک به بومی برای زبان‌هایی که قبلاً استقرار کارآمد آنها در وب یا در محیط‌های متنوع دشوار بود، WASM مانع ورود به برنامه‌های پیچیده را کاهش می‌دهد. توابع چندمقداری با بهینه‌سازی الگوهای کدنویسی رایج به این امر کمک می‌کنند.
• آینده‌نگری برنامه‌ها: با بلوغ WASM، برنامه‌های ساخته شده با این ویژگی‌ها در موقعیت بهتری برای بهره‌برداری از بهینه‌سازی‌های آینده و قابلیت‌های جدید زمان اجرای WASM قرار خواهند گرفت.

نتیجه‌گیری

ویژگی توابع چندمقداری WebAssembly چیزی بیش از یک جزئیات فنی است؛ این یک توانمندساز برای کد تمیزتر، با عملکرد بهتر و گویاتر است. برای جامعه جهانی توسعه‌دهندگان، این ویژگی وظایف برنامه‌نویسی رایج را ساده می‌کند، سربار را کاهش می‌دهد و خوانایی کد را افزایش می‌دهد. با پشتیبانی مستقیم از بازگرداندن چندین مقدار، WASM به گویایی طبیعی زبان‌های سطح بالا نزدیک‌تر می‌شود در حالی که مزایای عملکردی و قابلیت حمل خود را حفظ می‌کند.

همانطور که WebAssembly را در پروژه‌های خود ادغام می‌کنید، در نظر بگیرید که چگونه می‌توانید از توابع چندمقداری برای ساده‌سازی کدبیس خود و افزایش عملکرد استفاده کنید. این ویژگی، همراه با نوآوری مداوم در اکوسیستم WebAssembly، جایگاه آن را به عنوان یک فناوری بنیادی برای آینده توسعه نرم‌افزار در سراسر جهان مستحکم می‌کند.