Sujungiant pasaulius: išsami WebAssembly „host“ sąsajų ir kalbos vykdymo aplinkos integracijos analizė

WebAssembly (Wasm) tapo revoliucine technologija, žadančia nešiojamo, didelio našumo ir saugaus kodo ateitį, kuris sklandžiai veikia įvairiose aplinkose – nuo žiniatinklio naršyklių iki debesijos serverių ir krašto įrenginių. Iš esmės Wasm yra dvejetainis instrukcijų formatas, skirtas dėklo (angl. stack) principu veikiančiai virtualiai mašinai. Tačiau tikroji Wasm galia slypi ne tik jo skaičiavimo greityje, bet ir gebėjime sąveikauti su aplinkiniu pasauliu. Ši sąveika, vis dėlto, nėra tiesioginė. Ji yra kruopščiai valdoma per esminį mechanizmą, žinomą kaip „host“ sąsajos.

Pagal savo dizainą, Wasm modulis yra kalinys saugioje smėlio dėžėje (angl. sandbox). Jis pats negali prisijungti prie tinklo, nuskaityti failo ar manipuliuoti tinklalapio dokumento objektų modeliu (DOM). Jis gali atlikti skaičiavimus tik su duomenimis savo izoliuotoje atminties erdvėje. „Host“ sąsajos yra saugūs vartai, aiškiai apibrėžta API sutartis, leidžianti izoliuotam Wasm kodui („svečiui“) bendrauti su aplinka, kurioje jis veikia („šeimininku“ arba „host“).

Šiame straipsnyje pateikiama išsami WebAssembly „host“ sąsajų apžvalga. Mes išanalizuosime jų pagrindinius mechanizmus, ištirsime, kaip šiuolaikinės kalbų įrankių grandinės abstrahuoja jų sudėtingumą, ir pažvelgsime į ateitį su revoliuciniu WebAssembly komponentų modeliu. Nesvarbu, ar esate sistemų programuotojas, žiniatinklio kūrėjas, ar debesijos architektas, „host“ sąsajų supratimas yra raktas į pilno Wasm potencialo atskleidimą.

Smėlio dėžės supratimas: kodėl „host“ sąsajos yra būtinos

Norint įvertinti „host“ sąsajas, pirmiausia reikia suprasti Wasm saugumo modelį. Pagrindinis tikslas yra saugiai vykdyti nepatikimą kodą. Wasm tai pasiekia keliais pagrindiniais principais:

• Atminties izoliacija: Kiekvienas Wasm modulis veikia su specialiai jam skirtu atminties bloku, vadinamu linijine atmintimi. Iš esmės tai yra didelis, vientisas baitų masyvas. Wasm kodas gali laisvai skaityti ir rašyti šiame masyve, tačiau architektūriškai jis negali pasiekti jokios atminties už jo ribų. Bet koks bandymas tai padaryti sukelia spąstus (angl. trap) (modulio veikimo nutraukimą).
• Galimybėmis pagrįstas saugumas: Wasm modulis pats savaime neturi jokių įgimtų galimybių. Jis negali sukelti jokių šalutinių poveikių, nebent „host“ aplinka aiškiai suteikia jam leidimą tai daryti. „Host“ suteikia šias galimybes, atverdamas funkcijas, kurias Wasm modulis gali importuoti ir iškviesti. Pavyzdžiui, „host“ gali suteikti `log_message` funkciją, skirtą spausdinti į konsolę, arba `fetch_data` funkciją, skirtą atlikti tinklo užklausą.

Šis dizainas yra galingas. Wasm moduliui, kuris atlieka tik matematinius skaičiavimus, nereikia jokių importuojamų funkcijų ir jis nekelia jokios įvesties/išvesties (I/O) rizikos. Moduliui, kuriam reikia sąveikauti su duomenų baze, gali būti suteiktos tik konkrečios funkcijos, reikalingos šiam veiksmui atlikti, laikantis mažiausių privilegijų principo.

„Host“ sąsajos yra konkretus šio galimybėmis pagrįsto modelio įgyvendinimas. Tai yra importuojamų ir eksportuojamų funkcijų rinkinys, kuris sudaro komunikacijos kanalą per smėlio dėžės ribą.

Pagrindiniai „host“ sąsajų mechanizmai

Žemiausiame lygmenyje WebAssembly specifikacija apibrėžia paprastą ir elegantišką komunikacijos mechanizmą: funkcijų, kurios gali perduoti tik kelis paprastus skaitinius tipus, importavimą ir eksportavimą.

Importai ir eksportai: funkcinis susitarimas

Komunikacijos sutartis nustatoma dviem mechanizmais:

• Importai: Wasm modulis deklaruoja funkcijų rinkinį, kurio jam reikia iš „host“ aplinkos. Kai „host“ sukuria modulio egzempliorių, jis privalo pateikti šių importuojamų funkcijų įgyvendinimus. Jei reikalaujamas importas nepateikiamas, egzemplioriaus sukūrimas nepavyks.
• Eksportai: Wasm modulis deklaruoja funkcijų, atminties blokų ar globalių kintamųjų rinkinį, kurį jis pateikia „host“ aplinkai. Sukūrus egzempliorių, „host“ gali pasiekti šiuos eksportus, kad iškviestų Wasm funkcijas ar manipuliuotų jo atmintimi.

WebAssembly tekstiniame formate (WAT) tai atrodo paprastai. Modulis gali importuoti registravimo funkciją iš „host“:

Pavyzdys: „host“ funkcijos importavimas WAT formatu

(module (import "env" "log_number" (func $log (param i32))) ... )

Ir jis gali eksportuoti funkciją, kurią „host“ galėtų iškviesti:

Pavyzdys: „svečio“ funkcijos eksportavimas WAT formatu

(module ... (func $add (param $a i32) (param $b i32) (result i32) local.get $a local.get $b i32.add ) (export "add" (func $add)) )

„Host“ aplinka, dažniausiai parašyta JavaScript naršyklės kontekste, pateiktų `log_number` funkciją ir iškviestų `add` funkciją taip:

Pavyzdys: JavaScript „host“ sąveikauja su Wasm moduliu

const importObject = { env: { log_number: (num) => { console.log("Wasm modulis užregistravo:", num); } } }; const response = await fetch('module.wasm'); const { instance } = await WebAssembly.instantiateStreaming(response, importObject); const result = instance.exports.add(40, 2); // rezultatas yra 42

Duomenų praraja: linijinės atminties ribos kirtimas

Aukščiau pateiktas pavyzdys veikia puikiai, nes perduodame tik paprastus skaičius (i32, i64, f32, f64), kurie yra vieninteliai tipai, kuriuos Wasm funkcijos gali tiesiogiai priimti ar grąžinti. Bet kaip dėl sudėtingų duomenų, tokių kaip eilutės, masyvai, struktūros ar JSON objektai?

Tai yra pagrindinis „host“ sąsajų iššūkis: kaip pavaizduoti sudėtingas duomenų struktūras naudojant tik skaičius. Sprendimas yra modelis, kuris bus pažįstamas bet kuriam C ar C++ programuotojui: rodyklės ir ilgiai.

Procesas veikia taip:

1. Iš „svečio“ į „host“ (pvz., perduodant eilutę):
   • Wasm „svečias“ įrašo sudėtingus duomenis (pvz., UTF-8 koduotą eilutę) į savo linijinę atmintį.
   • „Svečias“ iškviečia importuotą „host“ funkciją, perduodamas du skaičius: pradinį atminties adresą („rodyklę“) ir duomenų ilgį baitais.
   • „Host“ gauna šiuos du skaičius. Tada jis pasiekia Wasm modulio linijinę atmintį (kuri „host“ aplinkai JavaScript'e yra prieinama kaip `ArrayBuffer`), nuskaito nurodytą baitų skaičių nuo nurodytos pozicijos ir atkuria duomenis (pvz., dekoduoja baitus į JavaScript eilutę).
2. Iš „host“ į „svečią“ (pvz., gaunant eilutę):
   • Tai sudėtingiau, nes „host“ negali tiesiogiai ir savavališkai rašyti į Wasm modulio atmintį. „Svečias“ turi pats valdyti savo atmintį.
   • „Svečias“ paprastai eksportuoja atminties paskirstymo funkciją (pvz., `allocate_memory`).
   • „Host“ pirmiausia iškviečia `allocate_memory`, kad paprašytų „svečio“ rezervuoti tam tikro dydžio buferį. „Svečias“ grąžina rodyklę į naujai paskirtą bloką.
   • Tada „host“ užkoduoja savo duomenis (pvz., JavaScript eilutę į UTF-8 baitus) ir įrašo juos tiesiai į „svečio“ linijinę atmintį gautu rodyklės adresu.
   • Galiausiai, „host“ iškviečia tikrąją Wasm funkciją, perduodamas rodyklę ir ką tik įrašytų duomenų ilgį.
   • „Svečias“ taip pat turi eksportuoti `deallocate_memory` funkciją, kad „host“ galėtų pranešti, kai atmintis nebėra reikalinga.

Šis rankinis atminties valdymo, kodavimo ir dekodavimo procesas yra varginantis ir linkęs į klaidas. Paprasta klaida apskaičiuojant ilgį ar valdant rodyklę gali sukelti duomenų sugadinimą ar saugumo pažeidžiamumą. Būtent čia kalbos vykdymo aplinkos ir įrankių grandinės tampa nepakeičiamos.

Kalbos vykdymo aplinkos integracija: nuo aukšto lygio kodo iki žemo lygio sąsajų

Rankinis rodyklių ir ilgių logikos rašymas nėra nei mastelio, nei produktyvumo požiūriu tinkamas. Laimei, kalbų, kurios kompiliuojamos į WebAssembly, įrankių grandinės atlieka šį sudėtingą šokį už mus, generuodamos „klijų kodą“ (angl. glue code). Šis klijų kodas veikia kaip vertimo sluoksnis, leidžiantis kūrėjams dirbti su aukšto lygio, idiomatiniais tipais pasirinktoje kalboje, kol įrankių grandinė tvarko žemo lygio atminties maršalizavimą.

1 Atvejo analizė: Rust ir `wasm-bindgen`

Rust ekosistema turi aukščiausios klasės palaikymą WebAssembly, kurio centre yra `wasm-bindgen` įrankis. Jis leidžia sklandžiai ir ergonomiškai sąveikauti tarp Rust ir JavaScript.

Apsvarstykite paprastą Rust funkciją, kuri priima eilutę, prideda priešdėlį ir grąžina naują eilutę:

Pavyzdys: aukšto lygio Rust kodas

use wasm_bindgen::prelude::*; #[wasm_bindgen] pub fn greet(name: &str) -> String { format!("Hello, {}!", name) }

Atributas `#[wasm_bindgen]` nurodo įrankių grandinei atlikti savo magiją. Štai supaprastinta apžvalga, kas vyksta užkulisiuose:

1. Rust kompiliavimas į Wasm: Rust kompiliatorius kompiliuoja `greet` į žemo lygio Wasm funkciją, kuri nesupranta Rust `&str` ar `String` tipų. Jos tikrasis parašas bus panašus į `greet(pointer: i32, length: i32) -> i32`. Ji grąžina rodyklę į naują eilutę Wasm atmintyje.
2. Klijų kodas „svečio“ pusėje: `wasm-bindgen` įterpia pagalbinį kodą į Wasm modulį. Tai apima atminties paskirstymo/atlaisvinimo funkcijas ir logiką, skirtą atkurti Rust `&str` iš rodyklės ir ilgio.
3. Klijų kodas „host“ pusėje (JavaScript): Įrankis taip pat sugeneruoja JavaScript failą. Šiame faile yra apgaubianti `greet` funkcija, kuri pateikia aukšto lygio sąsają JavaScript kūrėjui. Iškviesta, ši JS funkcija:
   1. Priima JavaScript eilutę (`'World'`).
   2. Užkoduoja ją į UTF-8 baitus.
   3. Iškviečia eksportuotą Wasm atminties paskirstymo funkciją, kad gautų buferį.
   4. Įrašo užkoduotus baitus į Wasm modulio linijinę atmintį.
   5. Iškviečia žemo lygio Wasm `greet` funkciją su rodykle ir ilgiu.
   6. Gauna rodyklę į rezultato eilutę atgal iš Wasm.
   7. Nuskaito rezultato eilutę iš Wasm atminties, dekoduoja ją atgal į JavaScript eilutę ir grąžina.
   8. Galiausiai, ji iškviečia Wasm atminties atlaisvinimo funkciją, kad atlaisvintų įvesties eilutei naudotą atmintį.

Iš kūrėjo perspektyvos, jūs tiesiog iškviečiate `greet('World')` JavaScript'e ir gaunate `'Hello, World!'` atgal. Visas sudėtingas atminties valdymas yra visiškai automatizuotas.

2 Atvejo analizė: C/C++ ir Emscripten

Emscripten yra brandi ir galinga kompiliatoriaus įrankių grandinė, kuri paima C arba C++ kodą ir kompiliuoja jį į WebAssembly. Ji neapsiriboja paprastomis sąsajomis ir suteikia išsamią POSIX tipo aplinką, emuliuodama failų sistemas, tinklų posistemę ir grafikos bibliotekas, tokias kaip SDL ir OpenGL.

Emscripten požiūris į „host“ sąsajas taip pat pagrįstas klijų kodu. Jis suteikia kelis sąveikumo mechanizmus:

• `ccall` ir `cwrap`: Tai yra JavaScript pagalbinės funkcijos, kurias pateikia Emscripten klijų kodas, skirtos kviesti sukompiliuotas C/C++ funkcijas. Jos automatiškai tvarko JavaScript skaičių ir eilučių konvertavimą į jų C atitikmenis.
• `EM_JS` ir `EM_ASM`: Tai yra makrokomandos, leidžiančios įterpti JavaScript kodą tiesiai į C/C++ šaltinio kodą. Tai naudinga, kai C++ reikia iškviesti „host“ API. Kompiliatorius pasirūpina reikalingos importavimo logikos generavimu.
• WebIDL Binder ir Embind: Sudėtingesniam C++ kodui, apimančiam klases ir objektus, Embind leidžia atverti C++ klases, metodus ir funkcijas JavaScript'ui, sukuriant daug labiau į objektus orientuotą sąsajų sluoksnį nei paprasti funkcijų iškvietimai.

Pagrindinis Emscripten tikslas dažnai yra perkelti ištisas esamas programas į žiniatinklį, o jo „host“ sąsajų strategijos yra sukurtos tai palaikyti, emuliuojant pažįstamą operacinės sistemos aplinką.

3 Atvejo analizė: Go ir TinyGo

Go suteikia oficialų palaikymą kompiliavimui į WebAssembly (`GOOS=js GOARCH=wasm`). Standartinis Go kompiliatorius į galutinį `.wasm` dvejetainį failą įtraukia visą Go vykdymo aplinką (planuoklį, šiukšlių surinkėją ir kt.). Dėl to dvejetainiai failai yra gana dideli, tačiau tai leidžia idiomatiniam Go kodui, įskaitant goroutines, veikti Wasm smėlio dėžėje. Komunikacija su „host“ tvarkoma per `syscall/js` paketą, kuris suteikia Go kalbai natūralų būdą sąveikauti su JavaScript API.

Scenarijams, kur dvejetainio failo dydis yra kritinis ir pilna vykdymo aplinka nereikalinga, TinyGo siūlo patrauklią alternatyvą. Tai kitoks Go kompiliatorius, pagrįstas LLVM, kuris sukuria daug mažesnius Wasm modulius. TinyGo dažnai geriau tinka rašyti mažoms, tikslinėms Wasm bibliotekoms, kurioms reikia efektyviai sąveikauti su „host“, nes išvengiama didelės Go vykdymo aplinkos pridėtinių išlaidų.

4 Atvejo analizė: Interpretuojamos kalbos (pvz., Python su Pyodide)

Interpretuojamos kalbos, tokios kaip Python ar Ruby, vykdymas WebAssembly aplinkoje kelia kitokį iššūkį. Pirmiausia reikia sukompiliuoti visą kalbos interpretatorių (pvz., CPython interpretatorių Python'ui) į WebAssembly. Šis Wasm modulis tampa vartotojo Python kodo „host“ aplinka.

Projektai, tokie kaip Pyodide, daro būtent tai. „Host“ sąsajos veikia dviem lygiais:

1. JavaScript „Host“ <=> Python interpretatorius (Wasm): Yra sąsajos, leidžiančios JavaScript'ui vykdyti Python kodą Wasm modulyje ir gauti rezultatus atgal.
2. Python kodas (Wasm viduje) <=> JavaScript „Host“: Pyodide atveria išorinių funkcijų sąsają (FFI), kuri leidžia Wasm viduje veikiančiam Python kodui importuoti ir manipuliuoti JavaScript objektais bei kviesti „host“ funkcijas. Ji skaidriai konvertuoja duomenų tipus tarp šių dviejų pasaulių.

Ši galinga kompozicija leidžia paleisti populiarias Python bibliotekas, tokias kaip NumPy ir Pandas, tiesiogiai naršyklėje, o „host“ sąsajos valdo sudėtingą duomenų mainų procesą.

Ateitis: WebAssembly komponentų modelis

Dabartinė „host“ sąsajų būklė, nors ir funkcionali, turi apribojimų. Ji daugiausia orientuota į JavaScript „host“ aplinką, reikalauja specifinio kalbai klijų kodo ir remiasi žemo lygio skaitiniu ABI. Tai apsunkina skirtingomis kalbomis parašytų Wasm modulių tiesioginį bendravimą tarpusavyje ne JavaScript aplinkoje.

WebAssembly komponentų modelis yra į ateitį orientuotas pasiūlymas, skirtas išspręsti šias problemas ir paversti Wasm tikrai universalia, nuo kalbos nepriklausoma programinės įrangos komponentų ekosistema. Jo tikslai yra ambicingi ir transformuojantys:

• Tikras kalbų sąveikumas: Komponentų modelis apibrėžia aukšto lygio, kanoninį ABI (angl. Application Binary Interface), kuris apima ne tik paprastus skaičius. Jis standartizuoja sudėtingų tipų, tokių kaip eilutės, įrašai, sąrašai, variantai ir rankenėlės (angl. handles), vaizdavimą. Tai reiškia, kad Rust kalba parašytas komponentas, eksportuojantis funkciją, priimančią eilučių sąrašą, gali būti sklandžiai iškviestas Python kalba parašyto komponento, nė vienai kalbai nereikia žinoti apie kitos vidinę atminties struktūrą.
• Sąsajų apibrėžimo kalba (IDL): Sąsajos tarp komponentų apibrėžiamos naudojant kalbą, vadinamą WIT (WebAssembly Interface Type). WIT failai aprašo funkcijas ir tipus, kuriuos komponentas importuoja ir eksportuoja. Tai sukuria formalią, mašininio skaitymo sutartį, kurią įrankių grandinės gali naudoti, kad automatiškai sugeneruotų visą reikiamą sąsajų kodą.
• Statinis ir dinaminis susiejimas: Tai leidžia Wasm komponentus susieti tarpusavyje, panašiai kaip tradicines programinės įrangos bibliotekas, kuriant didesnes programas iš mažesnių, nepriklausomų ir daugiakalbių dalių.
• API virtualizacija: Komponentas gali deklaruoti, kad jam reikia bendrinės galimybės, pvz., `wasi:keyvalue/readwrite` arba `wasi:http/outgoing-handler`, nebūdamas susietas su konkrečia „host“ implementacija. „Host“ aplinka pateikia konkretų įgyvendinimą, leidžiantį tam pačiam Wasm komponentui veikti be pakeitimų, nesvarbu, ar jis pasiekia naršyklės vietinę saugyklą, Redis egzempliorių debesyje, ar atmintyje esančią maišos lentelę (angl. hash map). Tai yra pagrindinė idėja, slypinti už WASI (WebAssembly System Interface) evoliucijos.

Pagal Komponentų modelį, klijų kodo vaidmuo neišnyksta, bet jis tampa standartizuotas. Kalbos įrankių grandinei tereikia žinoti, kaip versti tarp savo natūralių tipų ir kanoninių komponentų modelio tipų (procesas, vadinamas „pakėlimu“ (angl. lifting) ir „nuleidimu“ (angl. lowering)). Tada vykdymo aplinka pasirūpina komponentų sujungimu. Tai pašalina N-į-N problemą, kuriant sąsajas tarp kiekvienos kalbų poros, pakeičiant ją į lengviau valdomą N-į-1 problemą, kur kiekvienai kalbai tereikia orientuotis į Komponentų modelį.

Praktiniai iššūkiai ir gerosios praktikos

Dirbant su „host“ sąsajomis, ypač naudojant šiuolaikines įrankių grandines, išlieka keletas praktinių aspektų.

Našumo pridėtinės išlaidos: stambūs ir smulkūs API

Kiekvienas iškvietimas per Wasm-„host“ ribą turi savo kainą. Šios pridėtinės išlaidos kyla dėl funkcijos iškvietimo mechanikos, duomenų serializavimo, deserializavimo ir atminties kopijavimo. Tūkstančių mažų, dažnų iškvietimų (angl. „chatty“ API) darymas gali greitai tapti našumo butelio kakliuku.

Geroji praktika: Kurkite „stambius“ (angl. „chunky“) API. Užuot kvietę funkciją apdoroti kiekvieną elementą dideliame duomenų rinkinyje, perduokite visą duomenų rinkinį vienu iškvietimu. Leiskite Wasm moduliui atlikti iteraciją glaudžiame cikle, kuris bus vykdomas beveik natūraliu greičiu, ir tada grąžinti galutinį rezultatą. Sumažinkite ribos kirtimo kartų skaičių.

Atminties valdymas

Atmintis turi būti kruopščiai valdoma. Jei „host“ paskiria atmintį „svečio“ aplinkoje kai kuriems duomenims, jis turi nepamiršti vėliau nurodyti „svečiui“ ją atlaisvinti, kad būtų išvengta atminties nutekėjimo. Šiuolaikiniai sąsajų generatoriai tai gerai tvarko, tačiau svarbu suprasti pagrindinį nuosavybės modelį.

Geroji praktika: Pasikliaukite savo įrankių grandinės (`wasm-bindgen`, Emscripten ir kt.) teikiamomis abstrakcijomis, nes jos yra sukurtos teisingai tvarkyti šias nuosavybės semantikas. Rašydami rankines sąsajas, visada suporuokite `allocate` funkciją su `deallocate` funkcija ir užtikrinkite, kad ji būtų iškviesta.

Derinimas

Derinti kodą, kuris apima dvi skirtingas kalbų aplinkas ir atminties erdves, gali būti sudėtinga. Klaida gali būti aukšto lygio logikoje, klijų kode arba pačioje sąveikoje per ribą.

Geroji praktika: Pasinaudokite naršyklės kūrėjų įrankiais, kurie nuolat tobulina savo Wasm derinimo galimybes, įskaitant šaltinio žemėlapių (angl. source maps) palaikymą (iš kalbų, tokių kaip C++ ir Rust). Naudokite išsamų registravimą abiejose ribos pusėse, kad atsektumėte duomenis, kai jie ją kerta. Prieš integruodami su „host“, išbandykite Wasm modulio pagrindinę logiką atskirai.

Išvada: besivystantis tiltas tarp sistemų

WebAssembly „host“ sąsajos yra daugiau nei tik techninė detalė; jos yra pats mechanizmas, kuris daro Wasm naudingą. Jos yra tiltas, jungiantis saugų, didelio našumo Wasm skaičiavimų pasaulį su turtingomis, interaktyviomis „host“ aplinkų galimybėmis. Nuo jų žemo lygio pagrindo, sudaryto iš skaitinių importų ir atminties rodyklių, mes matėme sudėtingų kalbų įrankių grandinių iškilimą, kurios suteikia kūrėjams ergonomiškas, aukšto lygio abstrakcijas.

Šiandien šis tiltas yra tvirtas ir gerai palaikomas, leidžiantis kurti naujos klasės žiniatinklio ir serverio programas. Rytoj, atsiradus WebAssembly komponentų modeliui, šis tiltas išsivystys į universalų mainų mechanizmą, skatinantį tikrai daugiakalbę ekosistemą, kurioje komponentai iš bet kurios kalbos galės sklandžiai ir saugiai bendradarbiauti.

Suprasti šį besivystantį tiltą yra būtina kiekvienam kūrėjui, siekiančiam kurti naujos kartos programinę įrangą. Įvaldę „host“ sąsajų principus, galime kurti programas, kurios yra ne tik greitesnės ir saugesnės, bet ir labiau modulinės, nešiojamos ir pasirengusios skaičiavimo ateičiai.