WebAssembly 다중 값 반환 최적화: 함수 인터페이스 개선

WebAssembly(Wasm)는 현대 웹과 그 이상을 위한 중요한 기술로 빠르게 자리 잡았습니다. 다양한 플랫폼에서 효율적으로 코드를 실행할 수 있는 기능은 전 세계 개발자들에게 새로운 가능성을 열어주었습니다. Wasm 진화의 핵심 측면 중 하나는 함수 인터페이스의 최적화이며, 이 분야에서 중요한 발전은 다중 값 반환 기능입니다. 이 블로그 게시물에서는 이 기능에 대해 자세히 알아보고, 전 세계 개발자에게 미치는 영향과 이점을 살펴보고, 보다 효율적이고 성능이 뛰어난 애플리케이션을 만드는 데 중점을 둘 것입니다.

WebAssembly 및 그 역할 이해

WebAssembly는 스택 기반 가상 머신을 위해 설계된 바이너리 명령어 형식입니다. 컴파일을 위한 휴대용 대상으로 의도되어 웹 및 기타 환경에 배포할 수 있습니다. Wasm은 빠르고 효율적이며 안전한 실행 환경을 제공하여 기본 속도에 가깝게 실행하는 것을 목표로 합니다. 따라서 대화형 웹 애플리케이션에서 서버 측 프로그램, 심지어 임베디드 시스템에 이르기까지 광범위한 애플리케이션에 이상적입니다. 광범위한 채택은 적응성과 효율성을 강조합니다.

Wasm의 핵심 설계 원칙은 다음과 같습니다.

• 이식성: 다양한 플랫폼 및 브라우저에서 실행합니다.
• 효율성: 기본 코드에 가까운 성능을 제공합니다.
• 보안: 안전하고 안전한 실행 환경.
• 개방형 표준: 지속적인 발전을 통해 커뮤니티에서 유지 관리합니다.

Wasm에서 함수 인터페이스의 중요성

함수 인터페이스는 프로그램의 여러 부분이 상호 작용할 수 있도록 하는 게이트웨이입니다. 프로그램 효율성과 설계에 중요한 데이터가 함수 안팎으로 전달되는 방식을 정의합니다. Wasm의 컨텍스트에서 함수 인터페이스는 전체 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다. 이러한 인터페이스를 최적화하는 것은 성능 향상을 위한 주요 목표이며, 보다 효율적인 데이터 흐름과 궁극적으로 보다 응답성이 뛰어난 애플리케이션을 가능하게 합니다.

기존의 제한 사항을 고려하십시오. 다중 값 반환 이전에는 Wasm의 함수가 일반적으로 단일 값을 반환했습니다. 함수가 여러 값을 반환해야 하는 경우 프로그래머는 다음과 같은 해결 방법을 사용해야 했습니다.

• 구조체 또는 객체 반환: 여기에는 여러 반환 값을 보유하기 위해 복합 데이터 구조를 생성하는 작업이 포함되며, 오버헤드를 추가하는 할당, 복사 및 할당 해제 작업이 필요합니다.
• out 매개변수 사용: 매개변수로 전달된 데이터를 수정하기 위해 가변 포인터를 함수에 전달합니다. 이렇게 하면 함수 서명이 복잡해지고 잠재적인 메모리 관리 문제가 발생할 수 있습니다.

다중 값 반환: 게임 체인저

Wasm의 다중 값 반환 기능은 함수 인터페이스에 혁명을 일으킵니다. Wasm 함수가 해결 방법에 의존하지 않고 여러 값을 직접 반환할 수 있습니다. 따라서 특히 여러 값을 계산의 일부로 반환해야 하는 경우 Wasm 모듈의 효율성과 성능이 크게 향상됩니다. 여러 값이 레지스터를 통해 효율적으로 반환되는 기본 코드 동작을 반영합니다.

작동 방식: 다중 값 반환을 사용하면 Wasm 런타임이 레지스터 또는 보다 효율적인 스택 기반 메커니즘을 사용하여 여러 값을 직접 반환할 수 있습니다. 이렇게 하면 복합 데이터 구조를 만들고 관리하거나 가변 포인터를 사용하는 것과 관련된 오버헤드가 방지됩니다.

이점:

• 향상된 성능: 메모리 할당 및 할당 해제 작업이 줄어들어 실행 속도가 빨라집니다.
• 간소화된 코드: 더 깔끔한 함수 서명과 복잡성 감소.
• 더 나은 상호 운용성: 복잡한 마샬링 작업 없이도 여러 값을 다시 전달할 수 있으므로 호스트 환경과의 통합이 간소화됩니다.
• 최적화된 컴파일러 지원: Emscripten 등과 같은 컴파일러는 다중 값 반환 시나리오에 대해 최적화된 코드를 보다 효과적으로 생성할 수 있습니다.

심층 분석: 기술적 측면 및 구현

Wasm 수준에서의 구현: Wasm 바이너리 형식과 가상 머신 설계에는 다중 값 반환을 지원하는 특정 기능이 포함되어 있습니다. 모듈의 유형 섹션에 있는 함수 유형 서명의 구조를 통해 여러 반환 유형을 정의할 수 있습니다. 따라서 Wasm 인터프리터 또는 컴파일러는 이전에 설명한 해결 방법 없이도 반환 값을 직접 효과적으로 관리할 수 있습니다.

컴파일러 지원: Emscripten(C/C++을 Wasm으로 컴파일하기 위한), Rust(Wasm 대상을 통해) 및 AssemblyScript(Wasm으로 컴파일되는 TypeScript와 유사한 언어)와 같은 컴파일러는 다중 값 반환에 대한 통합 지원을 제공합니다. 이러한 컴파일러는 언어 구문을 최적화된 Wasm 명령어로 자동 변환합니다.

예: Emscripten을 사용하는 C/C++

두 숫자의 합과 차를 계산하는 C/C++ 함수를 생각해 보십시오.

            
#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
              
            
          

(다중 값 반환 지원을 활성화하기 위해 적절한 플래그를 사용하여) Emscripten으로 컴파일하면 컴파일러는 코드를 최적화하여 다중 값 반환 메커니즘을 사용하여 보다 효율적인 Wasm 코드를 생성합니다.

실제 예제 및 글로벌 애플리케이션

다중 값 반환은 여러 관련 값을 반환해야 하는 시나리오에서 특히 유용합니다. 다음 예를 고려하십시오.

• 이미지 처리: 처리된 이미지 데이터와 메타데이터(예: 이미지 너비, 높이 및 형식)를 모두 반환하는 함수. 이는 매우 효율적인 웹 기반 이미지 편집 도구를 만드는 데 특히 유용합니다.
• 게임 개발: 충돌 후 게임 객체의 새로운 위치와 속도를 모두 반환하는 것과 같은 물리 엔진과 관련된 계산. 이 최적화는 전 세계 플랫폼에서 부드럽고 반응성이 뛰어난 게임플레이에 매우 중요합니다.
• 과학 컴퓨팅: 행렬 인수 분해 결과 또는 통계 분석 결과와 같이 여러 결과를 반환하는 숫자 알고리즘. 이는 전 세계 연구자들이 사용하는 애플리케이션의 성능을 향상시킵니다.
• 구문 분석: 데이터 형식을 구문 분석하는 라이브러리는 구문 분석 성공 또는 실패에 대한 표시와 함께 구문 분석된 값을 반환해야 하는 경우가 많습니다. 이는 모든 대륙의 개발자에게 영향을 미칩니다.
• 재무 모델링: 런던, 뉴욕, 도쿄와 같은 금융 허브의 전문가들이 사용하는 재무 모델에서 현재 가치, 미래 가치 및 내부 수익률을 동시에 계산합니다.

예: Rust 및 Wasm을 사용한 이미지 처리

Rust 함수가 간단한 이미지 필터를 수행하고 새 이미지 데이터와 해당 차원을 반환해야 한다고 가정해 보겠습니다. 다중 값 반환을 사용하면 이를 효율적으로 처리할 수 있습니다.

            
// 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
              
            
          

이 예에서 `apply_grayscale` 함수는 이미지 데이터와 차원을 입력으로 사용합니다. 그런 다음 이미지를 처리하고 회색조로 변환한 다음 처리된 데이터, 너비 및 높이를 직접 반환하여 별도의 할당이나 구조체가 필요하지 않습니다. 이러한 개선된 성능은 클라이언트 측(브라우저)과 서버 측(이미지 콘텐츠를 제공하는 웹 서버에 사용되는 경우)에서 두드러집니다.

성능 벤치마킹 및 실제 영향

다중 값 반환의 이점은 벤치마크를 통해 가장 잘 정량화됩니다. 성능 향상은 애플리케이션에 따라 다르지만 테스트에서는 일반적으로 다음과 같은 추세를 보여줍니다.

• 메모리 할당 감소: `malloc` 또는 유사한 메모리 할당자에 대한 호출 횟수가 줄어듭니다.
• 더 빠른 실행 시간: 여러 값이 반환되는 함수에서 상당한 속도 향상.
• 향상된 응답성: 더 빠른 계산의 이점을 누리는 사용자 인터페이스가 더 빨라질 것입니다.

벤치마킹 기술:

• 표준 벤치마킹 도구: `wasm-bench` 또는 사용자 지정 벤치마킹 도구와 같은 도구를 사용하여 실행 시간을 측정합니다.
• 구현 비교: 다중 값 반환을 사용하는 코드의 성능과 구조체를 반환하거나 out 매개변수를 사용하는 코드의 성능을 비교합니다.
• 실제 시나리오: 최적화의 전체 영향을 얻기 위해 실제 사용 시나리오에서 애플리케이션을 테스트합니다.

실제 예제: Google, Mozilla 등과 같은 회사는 Wasm에서 다중 값 반환을 활용하여 웹 애플리케이션에서 상당한 개선을 보았습니다. 이러한 성능 향상은 특히 인터넷 연결 속도가 느린 지역의 사용자에게 더 나은 사용자 경험을 제공합니다.

과제와 미래 동향

다중 값 반환은 상당한 개선을 제공하지만 개선 및 미래 개발을 위한 영역이 여전히 있습니다.

• 컴파일러 지원: Wasm으로 컴파일되는 모든 언어에서 다중 값 반환을 위한 컴파일러 최적화 및 코드 생성 개선.
• 디버깅 도구: 다중 값 반환 코드를 더 잘 지원하도록 디버깅 도구를 강화합니다. 여기에는 디버깅 출력과 반환된 값을 쉽게 검사하는 기능이 포함됩니다.
• 표준화 및 채택: 모든 환경에서 전역적으로 호환성을 보장하기 위해 다양한 Wasm 런타임 및 브라우저에서 다중 값 반환을 표준화하고 완전히 구현하기 위한 지속적인 작업.

미래 동향:

• 다른 Wasm 기능과의 통합: SIMD 명령과 같은 Wasm의 다른 성능 향상 기능과 다중 값 반환을 통합하면 훨씬 더 큰 효율성을 얻을 수 있습니다.
• WebAssembly System Interface (WASI): 서버 측 애플리케이션을 용이하게 하기 위해 WASI 에코시스템 내에서 다중 값 반환에 대한 완전한 지원.
• 도구 발전: 개발자가 다중 값 반환 코드를 효과적으로 활용하고 문제를 해결하는 데 도움이 되는 보다 정교한 디버거 및 프로파일러와 같은 더 나은 도구 개발.

결론: 글로벌 청중을 위한 함수 인터페이스 개선

WebAssembly의 다중 값 반환 기능은 웹 애플리케이션의 성능과 효율성을 향상시키는 데 중요한 단계입니다. 함수가 여러 값을 직접 반환할 수 있도록 함으로써 개발자는 더 빠르고 실행되는 더 깔끔하고 최적화된 코드를 작성할 수 있습니다. 이점으로는 메모리 할당 감소, 실행 속도 향상 및 코드 간소화가 있습니다. 이는 전 세계 장치 및 네트워크에서 웹 앱 응답성과 성능을 향상시키기 때문에 글로벌 청중에게 특히 유용합니다.

컴파일러 지원, 표준화 및 다른 Wasm 기능과의 통합이 지속적으로 발전함에 따라 다중 값 반환은 Wasm 진화에서 계속 중요한 역할을 할 것입니다. 개발자는 이 기능을 채택해야 합니다. 이 기능은 글로벌 청중에게 더 나은 사용자 경험을 제공하는 더 빠르고 효율적인 애플리케이션을 만드는 경로를 제공하기 때문입니다.

다중 값 반환을 이해하고 채택함으로써 개발자는 WebAssembly 애플리케이션의 새로운 수준의 성능을 잠금 해제하여 전 세계적으로 더 나은 사용자 경험을 제공할 수 있습니다.

이 기술은 다음과 같은 곳에서 전 세계적으로 채택되고 있습니다.

• 북미, Google 및 Microsoft와 같은 회사가 막대한 투자를 하고 있습니다.
• 유럽, 유럽 연합은 Wasm을 사용하는 이니셔티브를 지원합니다.
• 아시아, 중국, 인도, 일본에서 웹 및 모바일 애플리케이션 모두에 대해 빠르게 채택되고 있습니다.
• 남미, Wasm을 채택하는 개발자 수가 증가하고 있습니다.
• 아프리카, Wasm은 모바일 우선 개발로 진출하고 있습니다.
• 오세아니아, 호주와 뉴질랜드는 Wasm 커뮤니티에 적극적으로 참여하고 있습니다.

이러한 전 세계적인 채택은 WebAssembly의 중요성, 특히 다양한 장치 및 네트워크에서 고성능을 제공하는 능력을 보여줍니다.