WebAssembly のマルチバリューリターン最適化: 関数インターフェースの強化

WebAssembly (Wasm) は、モダンウェブなどにおいて急速に不可欠な技術となっています。さまざまなプラットフォームでコードを効率的に実行できる能力は、世界中の開発者にとって新たな可能性を切り開きました。 Wasm の進化における重要な側面の 1 つは、関数インターフェースの最適化であり、この分野における大きな進歩はマルチバリューリターン機能です。 このブログ記事では、この機能について掘り下げ、より効率的で高性能なアプリケーションを作成することに焦点を当て、世界中の開発者への影響とメリットを探ります。

WebAssembly とその役割の理解

WebAssembly は、スタックベースの仮想マシン向けに設計されたバイナリ命令形式です。 ウェブやその他の環境へのデプロイを可能にする、移植可能なコンパイル対象として意図されています。 Wasm は、高速で効率的かつ安全な実行環境を提供し、ネイティブに近い速度で実行することを目的としています。 これにより、インタラクティブな Web アプリケーションからサーバー側のプログラム、さらには組み込みシステムまで、幅広いアプリケーションに最適です。 その幅広い採用は、その適応性と有効性を際立たせています。

Wasm のコア設計原則には、以下が含まれます:

• 移植性: さまざまなプラットフォームやブラウザで実行。
• 効率性: ネイティブコードに近いパフォーマンスを提供。
• 安全性: 安全な実行環境。
• オープンスタンダード: 継続的な進化を遂げるコミュニティによって維持されています。

Wasm における関数インターフェースの重要性

関数インターフェースは、プログラムのさまざまな部分が相互作用することを可能にするゲートウェイです。 データの関数への受け渡し方法と関数からの受け渡し方法を定義し、プログラムの効率と設計にとって重要です。 Wasm のコンテキストでは、関数インターフェースは全体的なパフォーマンスに直接影響するため、非常に重要です。 これらのインターフェースを最適化することは、より効率的なデータフローと最終的には、より応答性の高いアプリケーションを可能にする、パフォーマンス向上のための主要なターゲットです。

従来の制限を考慮してください。 マルチバリューリターンの前は、Wasm の関数は通常、単一の値を返していました。 関数が複数の値を返す必要があった場合、プログラマーは次のような回避策を使用せざるを得ませんでした:

• 構造体またはオブジェクトの返却: 複数の戻り値を保持するための複合データ構造を作成することが含まれ、割り当て、コピー、および割り当て解除操作が必要となり、オーバーヘッドが追加されます。
• アウトパラメータの使用: パラメータとして渡されたデータを変更するために、可変ポインタを関数に渡します。 これにより、関数シグネチャが複雑になり、潜在的なメモリ管理の問題が発生する可能性があります。

マルチバリューリターン: ゲームチェンジャー

Wasm のマルチバリューリターン機能は、関数インターフェースに革命を起こします。 回避策に頼ることなく、Wasm 関数が複数の値を直接返すことができます。 これにより、特に複数の値を計算の一部として返す必要がある場合に、Wasm モジュールの効率とパフォーマンスが大幅に向上します。 ネイティブコードの動作を反映し、複数の値がレジスタを介して効率的に返されます。

仕組み: マルチバリューリターンを使用すると、Wasm ランタイムは複数の値を直接返すことができ、多くの場合、レジスタまたはより効率的なスタックベースのメカニズムを使用します。 これにより、複合データ構造の作成と管理、または可変ポインタの使用に関連するオーバーヘッドが回避されます。

利点:

• パフォーマンスの向上: メモリの割り当てと割り当て解除操作が削減され、実行が高速化されます。
• コードの簡素化: よりクリーンな関数シグネチャと複雑さの軽減。
• より優れた相互運用性: 複雑なマーシャリング操作を必要とせずに複数の値を渡すことができるため、ホスト環境との統合が簡素化されます。
• 最適化されたコンパイラのサポート: Emscripten などのコンパイラは、マルチバリューリターンシナリオ向けに、より効果的に最適化されたコードを生成できます。

詳細: 技術的な側面と実装

Wasm レベルでの実装: Wasm バイナリ形式と仮想マシン設計には、マルチバリューリターンをサポートするための特定の機能が含まれています。 モジュールの型セクションの関数型シグネチャの構造により、複数の戻り型を定義できます。 これにより、Wasm インタープリタまたはコンパイラは、前述の回避策を必要とせずに、戻り値を効果的に直接管理できます。

コンパイラのサポート: Emscripten (C/C++ を Wasm にコンパイルするため)、Rust (Wasm ターゲット経由)、AssemblyScript (TypeScript に似た言語で、Wasm にコンパイルされます) などのコンパイラは、マルチバリューリターンのサポートを統合しています。 これらのコンパイラは、言語構造を最適化された Wasm 命令に自動的に変換します。

例: Emscripten を使用した C/C++

2 つの数値の合計と差を計算する C/C++ 関数を考えてみましょう:

            
#include <stdio.h>

//Function returning multiple values as a struct (before multi-value return)
struct SumDiff {
  int sum;
  int diff;
};

struct SumDiff calculate(int a, int b) {
  struct SumDiff result;
  result.sum = a + b;
  result.diff = a - b;
  return result;
}

//Function returning multiple values (with multi-value return, using Emscripten)
void calculateMV(int a, int b, int* sum, int* diff) {
  *sum = a + b;
  *diff = a - b;
}

// or, directly return from the multi-value function

// Example using multiple return from a function
int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

int subtract(int a, int b) {
  return a - b;
}

int main() {
  int a = 10, b = 5;
  int sum = 0, diff = 0;
  calculateMV(a, b, &sum, &diff);
  printf("Sum: %d, Difference: %d\n", sum, diff);

  int result_add = add(a,b);
  int result_sub = subtract(a,b);

  printf("add result: %d, subtract result: %d\n", result_add, result_sub);
  return 0;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Emscripten でコンパイルすると (マルチバリューリターンサポートを有効にする適切なフラグを使用)、コンパイラはマルチバリューリターンメカニズムを使用するようにコードを最適化し、より効率的な Wasm コードになります。

実践的な例とグローバルアプリケーション

マルチバリューリターンは、複数の関連値を返す必要があるシナリオで特に役立ちます。 次の例を考えてみましょう:

• 画像処理: 処理された画像データとメタデータ (たとえば、画像の幅、高さ、フォーマット) の両方を返す関数。 これは、高性能な Web ベースの画像編集ツールを作成する際に特に価値があります。
• ゲーム開発: 衝突後のゲームオブジェクトの新しい位置と速度の両方を返すなど、物理エンジンを含む計算。 この最適化は、世界中のプラットフォームでのスムーズで応答性の高いゲームプレイにとって重要です。
• 科学計算: 行列因数分解の結果や統計分析の出力など、複数の結果を返す数値アルゴリズム。 これにより、世界中の研究者が使用するアプリケーションのパフォーマンスが向上します。
• 解析: データ形式を解析するライブラリは、解析された値と解析の成功または失敗の表示を頻繁に返す必要があります。 これは、すべての大陸の開発者に影響を与えます。
• 財務モデリング: ロンドン、ニューヨーク、東京などの金融ハブの専門家が使用する、財務モデルで現在価値、将来価値、および内部収益率を同時に計算すること。

例: Rust と Wasm を使用した画像処理

Rust 関数が単純な画像フィルタを実行し、新しい画像データとその寸法を返す必要があるとしましょう。 マルチバリューリターンを使用すると、これを効率的に処理できます:

            
// Rust code using the image crate and multi-value return.
// The image crate is a popular choice among rust developers.
use image::{GenericImageView, DynamicImage};

// Define a struct (optional) to return the data
struct ImageResult {
    data: Vec<u8>,
    width: u32,
    height: u32,
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn apply_grayscale(image_data: *const u8, width: u32, height: u32) -> (*mut u8, u32, u32) {
    // Convert raw image data
    let image = image::load_from_memory_with_format(unsafe { std::slice::from_raw_parts(image_data, (width * height * 4) as usize)}, image::ImageFormat::Png).unwrap();

    // Apply grayscale
    let gray_image = image.to_luma8();

    // Get image data as bytes
    let mut data = gray_image.into_raw();

    // Return data as a raw pointer
    let ptr = data.as_mut_ptr();

    (ptr, width, height)
}

            

              
                Copy
              
            
          

この例では、`apply_grayscale` 関数は画像データと寸法を入力として受け取ります。 次に画像を処理し、グレースケールに変換し、処理されたデータ、幅、高さを直接返します。これにより、個別の割り当てや構造体を必要としないようになります。 このパフォーマンスの向上は、クライアント側 (ブラウザ) およびサーバー側 (Web サーバーが画像コンテンツを提供する場合) で注目に値します。

パフォーマンスベンチマークと実際のインパクト

マルチバリューリターンの利点は、ベンチマークを通じて最もよく定量化されます。 パフォーマンスの向上はアプリケーションによって異なりますが、テストでは通常、次の傾向が見られます:

• メモリ割り当ての削減: `malloc` または同様のメモリアロケータへの呼び出しが減少しました。
• 実行時間の高速化: 複数の値が返される関数の大幅な高速化。
• 応答性の向上: より高速な計算の恩恵を受けるユーザーインターフェースは、より機敏に感じられるでしょう。

ベンチマーク手法:

• 標準的なベンチマークツール: 実行時間を測定するには、`wasm-bench` などのツールまたはカスタムベンチマークスイートを使用します。
• 実装の比較: マルチバリューリターンを使用するコードのパフォーマンスを、構造体を返すか、アウトパラメータを使用するコードと比較します。
• 実際のシナリオ: 最適化の完全な影響を得るために、現実的な使用シナリオでアプリケーションをテストします。

実際の例: Google、Mozilla などの企業は、Wasm でマルチバリューリターンを活用することにより、Web アプリケーションの大幅な改善を実現しています。 これらのパフォーマンス向上は、特にインターネット接続が遅い地域にいるユーザーにとって、より良いユーザーエクスペリエンスにつながります。

課題と今後のトレンド

マルチバリューリターンは大幅な改善をもたらしますが、改善と今後の開発の余地がまだあります:

• コンパイラのサポート: Wasm にコンパイルされるすべての言語で、マルチバリューリターンのコンパイラの最適化とコード生成を改善します。
• デバッグツール: マルチバリューリターンコードをより適切にサポートするために、デバッグツールを強化します。 これには、デバッグ出力と、返された値を簡単に検査する機能が含まれます。
• 標準化と採用: さまざまな Wasm ランタイムとブラウザでマルチバリューリターンを標準化し、完全に実装するための継続的な作業を行い、すべての環境全体での互換性を確保します。

今後のトレンド:

• 他の Wasm 機能との統合: SIMD 命令など、Wasm のその他のパフォーマンス向上機能とのマルチバリューリターンの統合により、さらに効率を高めることができます。
• WebAssembly システムインターフェース (WASI): サーバー側のアプリケーションを容易にするために、WASI エコシステム内でのマルチバリューリターンの完全なサポート。
• ツールのアドバンス: 開発者がマルチバリューリターンコードを効果的に利用し、トラブルシューティングできるように、より洗練されたデバッガやプロファイラなど、より優れたツールの開発。

結論: グローバルな聴衆向けの関数インターフェースの強化

WebAssembly のマルチバリューリターン機能は、Web アプリケーションのパフォーマンスと効率を向上させるための重要なステップです。 関数が複数の値を直接返すことができるようにすることで、開発者は、より高速に実行される、よりクリーンで最適化されたコードを記述できます。 利点には、メモリ割り当ての削減、実行速度の向上、コードの簡素化が含まれます。 これは、世界中のデバイスとネットワークでの Web アプリの応答性とパフォーマンスを向上させるため、グローバルな聴衆にとって特に役立ちます。

コンパイラのサポート、標準化、およびその他の Wasm 機能との統合の継続的な進歩により、マルチバリューリターンは Wasm の進化において中心的な役割を果たし続けるでしょう。 開発者はこの機能を受け入れる必要があります。これにより、世界中のより良いユーザーエクスペリエンスを提供する、より高速で効率的なアプリケーションを作成するための道が開かれるからです。

マルチバリューリターンを理解し、採用することで、開発者は WebAssembly アプリケーションの新しいレベルのパフォーマンスを解き放ち、世界中のより良いユーザーエクスペリエンスにつなげることができます。

このテクノロジーは、次のような場所で世界中で採用されています:

• 北米、Google や Microsoft などの企業が多額の投資を行っています。
• ヨーロッパ、欧州連合が Wasm を使用したイニシアチブを支援しています。
• アジア、中国、インド、日本で、Web アプリケーションとモバイルアプリケーションの両方で急速な採用が見られます。
• 南米、Wasm を採用する開発者の数が増加しています。
• アフリカ、Wasm がモバイルファーストの開発に進出しています。
• オセアニア、オーストラリアとニュージーランドが Wasm コミュニティに積極的に参加しています。

このグローバルな採用は、WebAssembly の重要性、特に多様なデバイスとネットワークで高いパフォーマンスを提供できる能力を示しています。