Našumo atskleidimas: išsami WebAssembly masinių atminties operacijų analizė

WebAssembly (Wasm) sukėlė revoliuciją web programavime, suteikdama didelio našumo, izoliuotą vykdymo aplinką, kuri veikia greta JavaScript. Ji leidžia programuotojams iš viso pasaulio paleisti kodą, parašytą tokiomis kalbomis kaip C++, Rust ir Go, tiesiogiai naršyklėje beveik natūraliu greičiu. Wasm galios centre yra paprastas, tačiau efektyvus atminties modelis: didelis, vientisas atminties blokas, žinomas kaip tiesinė atmintis. Tačiau efektyvus šios atminties valdymas buvo kritinis našumo optimizavimo aspektas. Būtent čia pasirodo WebAssembly masinės atminties pasiūlymas.

Ši išsami analizė supažindins jus su masinių atminties operacijų subtilybėmis, paaiškins, kas jos yra, kokias problemas jos sprendžia ir kaip jos suteikia programuotojams galimybę kurti greitesnes, saugesnes ir efektyvesnes žiniatinklio programas pasaulinei auditorijai. Nesvarbu, ar esate patyręs sistemų programuotojas, ar web programuotojas, siekiantis peržengti našumo ribas, masinės atminties supratimas yra raktas į šiuolaikinio WebAssembly įvaldymą.

Prieš masinę atmintį: duomenų manipuliavimo iššūkis

Norėdami įvertinti masinės atminties pasiūlymo svarbą, pirmiausia turime suprasti situaciją prieš jį. WebAssembly tiesinė atmintis yra neapdorotų baitų masyvas, izoliuotas nuo pagrindinės aplinkos (pvz., JavaScript VM). Nors šis izoliavimas yra gyvybiškai svarbus saugumui, tai reiškė, kad visas atminties operacijas Wasm modulyje turėjo vykdyti pats Wasm kodas.

Rankinių ciklų neefektyvumas

Įsivaizduokite, kad jums reikia nukopijuoti didelį duomenų bloką – tarkime, 1 MB paveikslėlio buferį – iš vienos tiesinės atminties dalies į kitą. Prieš atsirandant masinei atminčiai, vienintelis būdas tai pasiekti buvo parašyti ciklą savo pradinėje kalboje (pvz., C++ ar Rust). Šis ciklas iteruotų per duomenis, kopijuodamas juos po vieną elementą (pvz., baitą po baito arba žodį po žodžio).

Apsvarstykite šį supaprastintą C++ pavyzdį:

void manual_memory_copy(char* dest, const char* src, size_t n) {
for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
dest[i] = src[i];
}
}

Sukompiliavus į WebAssembly, šis kodas būtų paverstas Wasm instrukcijų seka, kuri atlieka ciklą. Šis metodas turėjo keletą reikšmingų trūkumų:

• Našumo pridėtinės išlaidos: Kiekviena ciklo iteracija apima kelias instrukcijas: baito įkėlimą iš šaltinio, jo išsaugojimą paskirties vietoje, skaitiklio padidinimą ir ribų patikrinimą, ar ciklas turėtų tęstis. Dideliems duomenų blokams tai sudaro dideles našumo sąnaudas. Wasm variklis negalėjo „pamatyti“ aukšto lygio ketinimo; jis tiesiog matė seriją mažų, pasikartojančių operacijų.
• Kodo išsipūtimas: Pati ciklo logika – skaitiklis, patikrinimai, šakojimasis – didina galutinį Wasm dvejetainio failo dydį. Nors vienas ciklas gali neatrodyti daug, sudėtingose programose su daugeliu tokių operacijų šis išsipūtimas gali paveikti atsisiuntimo ir paleidimo laiką.
• Praleistos optimizavimo galimybės: Šiuolaikiniai procesoriai turi labai specializuotas, neįtikėtinai greitas instrukcijas didelių atminties blokų perkėlimui (pvz., memcpy ir memmove). Kadangi Wasm variklis vykdė bendrinį ciklą, jis negalėjo pasinaudoti šiomis galingomis natūraliosiomis instrukcijomis. Tai tarsi perkelti visos bibliotekos knygas po vieną puslapį, užuot naudojus vežimėlį.

Šis neefektyvumas buvo pagrindinis kliuvinys programoms, kurios labai priklausė nuo duomenų manipuliavimo, tokioms kaip žaidimų varikliai, vaizdo redaktoriai, moksliniai simuliatoriai ir bet kuri programa, dirbanti su didelėmis duomenų struktūromis.

Pasirodo masinės atminties pasiūlymas: paradigmos pokytis

WebAssembly masinės atminties pasiūlymas buvo sukurtas tiesiogiai spręsti šiuos iššūkius. Tai po-MVP (minimalaus gyvybingo produkto) funkcija, kuri išplečia Wasm instrukcijų rinkinį galingų, žemo lygio operacijų rinkiniu, skirtu tvarkyti atminties blokus ir lentelių duomenis iš karto.

Pagrindinė idėja yra paprasta, bet gili: deleguoti masines operacijas WebAssembly varikliui.

Užuot nurodęs varikliui, kaip kopijuoti atmintį su ciklu, programuotojas dabar gali naudoti vieną instrukciją, kad pasakytų: „Prašau nukopijuoti šį 1 MB bloką iš adreso A į adresą B.“ Wasm variklis, turintis gilių žinių apie pagrindinę aparatinę įrangą, gali įvykdyti šį prašymą naudodamas efektyviausią įmanomą metodą, dažnai paversdamas jį tiesiogiai į vieną, hiper-optimizuotą natūralią CPU instrukciją.

Šis pokytis lemia:

• Milžinišką našumo padidėjimą: Operacijos atliekamos per dalį laiko.
• Mažesnį kodo dydį: Viena Wasm instrukcija pakeičia visą ciklą.
• Padidintą saugumą: Šios naujos instrukcijos turi integruotą ribų tikrinimą. Jei programa bando kopijuoti duomenis į ar iš vietos, esančios už jai skirtos tiesinės atminties ribų, operacija saugiai nutrūks su spąstais (išmes vykdymo laiko klaidą), užkertant kelią pavojingam atminties pažeidimui ir buferio perpildymams.

Pagrindinių masinės atminties instrukcijų apžvalga

Pasiūlymas pristato kelias pagrindines instrukcijas. Išnagrinėkime svarbiausias iš jų, ką jos daro ir kodėl jos tokios paveikios.

memory.copy: didelės spartos duomenų perkėlėjas

Tai, be abejonės, yra šou žvaigždė. memory.copy yra Wasm atitikmuo galingai C kalbos funkcijai memmove.

• Signatūra (WAT, WebAssembly tekstiniame formate): (memory.copy (dest i32) (src i32) (size i32))
• Funkcionalumas: Ji kopijuoja size baitų iš šaltinio poslinkio src į paskirties poslinkį dest toje pačioje tiesinėje atmintyje.

Pagrindinės memory.copy savybės:

• Persidengimo tvarkymas: Svarbiausia, kad memory.copy teisingai tvarko atvejus, kai šaltinio ir paskirties atminties sritys persidengia. Štai kodėl ji yra analogiška memmove, o ne memcpy. Variklis užtikrina, kad kopijavimas vyktų neardomuoju būdu, o tai yra sudėtinga detalė, dėl kurios programuotojams nebereikia jaudintis.
• Natūralioji sparta: Kaip minėta, ši instrukcija paprastai sukompiliuojama į greičiausią įmanomą atminties kopijavimo realizaciją pagrindinio kompiuterio architektūroje.
• Integruotas saugumas: Variklis patikrina, ar visas diapazonas nuo src iki src + size ir nuo dest iki dest + size patenka į tiesinės atminties ribas. Bet kokia prieiga už ribų sukelia nedelsiant spąstus, todėl tai yra daug saugiau nei rankinis C stiliaus žymeklių kopijavimas.

Praktinis poveikis: Programai, kuri apdoroja vaizdo įrašus, tai reiškia, kad vaizdo kadro kopijavimas iš tinklo buferio į rodymo buferį gali būti atliktas viena, atomine ir itin greita instrukcija, o ne lėtu, baitas po baito ciklu.

memory.fill: efektyvus atminties inicijavimas

Dažnai reikia inicijuoti atminties bloką konkrečia reikšme, pavyzdžiui, nustatyti buferį į nulius prieš naudojimą.

• Signatūra (WAT): (memory.fill (dest i32) (val i32) (size i32))
• Funkcionalumas: Ji užpildo size baitų atminties bloką, pradedant nuo paskirties poslinkio dest, baito reikšme, nurodyta val.

Pagrindinės memory.fill savybės:

• Optimizuota pasikartojimui: Ši operacija yra Wasm atitikmuo C kalbos funkcijai memset. Ji yra labai optimizuota rašyti tą pačią reikšmę didelėje vientisoje srityje.
• Dažniausi naudojimo atvejai: Pagrindinis jos naudojimas yra atminties nulifikavimas (saugumo geriausia praktika, siekiant išvengti senų duomenų atskleidimo), tačiau ji taip pat naudinga nustatant atmintį į bet kokią pradinę būseną, pavyzdžiui, `0xFF` grafikos buferiui.
• Garantuotas saugumas: Kaip ir memory.copy, ji atlieka griežtą ribų tikrinimą, kad išvengtų atminties pažeidimo.

Praktinis poveikis: Kai C++ programa skiria didelį objektą steke ir inicijuoja jo narius nuliais, modernus Wasm kompiliatorius gali pakeisti individualių saugojimo instrukcijų seriją viena, efektyvia memory.fill operacija, sumažindamas kodo dydį ir pagerindamas inicijavimo greitį.

Pasyvūs segmentai: duomenys ir lentelės pagal pareikalavimą

Be tiesioginio atminties manipuliavimo, masinės atminties pasiūlymas revoliucionizavo, kaip Wasm moduliai tvarko savo pradinius duomenis. Anksčiau duomenų segmentai (tiesinei atminčiai) ir elementų segmentai (lentelėms, kuriose saugomos, pavyzdžiui, funkcijų nuorodos) buvo „aktyvūs“. Tai reiškė, kad jų turinys buvo automatiškai kopijuojamas į paskirties vietas, kai buvo inicijuojamas Wasm modulis.

Tai buvo neefektyvu dideliems, pasirenkamiems duomenims. Pavyzdžiui, modulyje gali būti lokalizacijos duomenys dešimčiai skirtingų kalbų. Naudojant aktyvius segmentus, visi dešimt kalbų paketų būtų įkeliami į atmintį paleidimo metu, net jei vartotojui kada nors prireiktų tik vieno. Masinė atmintis pristatė pasyvius segmentus.

Pasyvus segmentas yra duomenų dalis arba elementų sąrašas, kuris yra supakuotas su Wasm moduliu, bet nėra automatiškai įkeliamas paleidimo metu. Jis tiesiog laukia, kol bus panaudotas. Tai suteikia programuotojui smulkmenišką, programinę kontrolę, kada ir kur šie duomenys yra įkeliami, naudojant naują instrukcijų rinkinį.

memory.init, data.drop, table.init ir elem.drop

Ši instrukcijų šeima veikia su pasyviais segmentais:

• memory.init: Ši instrukcija kopijuoja duomenis iš pasyvaus duomenų segmento į tiesinę atmintį. Galite nurodyti, kurį segmentą naudoti, nuo kurios vietos segmente pradėti kopijuoti, į kurią vietą tiesinėje atmintyje kopijuoti ir kiek baitų kopijuoti.
• data.drop: Kai baigiate naudoti pasyvų duomenų segmentą (pvz., po to, kai jis buvo nukopijuotas į atmintį), galite naudoti data.drop, kad praneštumėte varikliui, jog jo išteklius galima atlaisvinti. Tai yra svarbi atminties optimizacija ilgai veikiančioms programoms.
• table.init: Tai yra memory.init atitikmuo lentelėms. Ji kopijuoja elementus (pvz., funkcijų nuorodas) iš pasyvaus elemento segmento į Wasm lentelę. Tai yra fundamentalu įgyvendinant tokias funkcijas kaip dinaminis susiejimas, kai funkcijos įkeliamos pagal pareikalavimą.
• elem.drop: Panašiai kaip data.drop, ši instrukcija atmeta pasyvų elemento segmentą, atlaisvindama su juo susijusius išteklius.

Praktinis poveikis: Mūsų daugiakalbė programa dabar gali būti sukurta daug efektyviau. Ji gali supakuoti visus dešimt kalbų paketų kaip pasyvius duomenų segmentus. Kai vartotojas pasirenka „ispanų“, kodas vykdo memory.init, kad nukopijuotų tik ispanų kalbos duomenis į aktyvią atmintį. Jei jie persijungia į „japonų“, seni duomenys gali būti perrašyti arba išvalyti, o naujas memory.init iškvietimas įkelia japonų kalbos duomenis. Šis „pačiu laiku“ duomenų įkėlimo modelis drastiškai sumažina programos pradinį atminties pėdsaką ir paleidimo laiką.

Poveikis realiame pasaulyje: kur masinė atmintis suspindi pasauliniu mastu

Šių instrukcijų nauda nėra tik teorinė. Jos turi apčiuopiamą poveikį įvairioms programoms, todėl jos tampa gyvybingesnės ir našesnės vartotojams visame pasaulyje, nepriklausomai nuo jų įrenginio apdorojimo galios.

1. Didelio našumo skaičiavimas ir duomenų analizė

Mokslinių skaičiavimų, finansinio modeliavimo ir didžiųjų duomenų analizės programos dažnai apima didžiulių matricų ir duomenų rinkinių manipuliavimą. Operacijos, tokios kaip matricos transponavimas, filtravimas ir agregavimas, reikalauja plataus atminties kopijavimo ir inicijavimo. Masinės atminties operacijos gali pagreitinti šias užduotis keliais dydžio laipsniais, paversdamos sudėtingus naršyklėje veikiančius duomenų analizės įrankius realybe.

2. Žaidimai ir grafika

Šiuolaikiniai žaidimų varikliai nuolat perkelia didelius duomenų kiekius: tekstūras, 3D modelius, garso buferius ir žaidimo būseną. Masinė atmintis leidžia tokiems varikliams kaip „Unity“ ir „Unreal“ (kompiliuojant į Wasm) valdyti šiuos resursus su daug mažesnėmis pridėtinėmis išlaidomis. Pavyzdžiui, tekstūros kopijavimas iš išskleisto resurso buferio į GPU įkėlimo buferį tampa viena, žaibiškai greita memory.copy operacija. Tai lemia sklandesnį kadrų dažnį ir greitesnį įkėlimo laiką žaidėjams visur.

3. Vaizdų, vaizdo įrašų ir garso redagavimas

Internete veikiantys kūrybiniai įrankiai, tokie kaip „Figma“ (UI dizainas), „Adobe Photoshop“ internetinė versija ir įvairūs internetiniai vaizdo konverteriai, remiasi didelės apimties duomenų manipuliavimu. Filtro taikymas paveikslėliui, vaizdo kadro kodavimas ar garso takelių maišymas apima begalę atminties kopijavimo ir užpildymo operacijų. Masinė atmintis leidžia šiems įrankiams jaustis labiau reaguojančiais ir panašesniais į natyvias programas, net dirbant su didelės raiškos medija.

4. Emuliacija ir virtualizacija

Visos operacinės sistemos ar senos programos paleidimas naršyklėje per emuliaciją yra atminties reikalaujantis žygdarbis. Emuliatoriai turi imituoti svečio sistemos atminties žemėlapį. Masinės atminties operacijos yra būtinos efektyviam ekrano buferio valymui, ROM duomenų kopijavimui ir emuliuojamos mašinos būsenos valdymui, leidžiančios tokiems projektams kaip naršyklėje veikiantys retro žaidimų emuliatoriai veikti stebėtinai gerai.

5. Dinaminis susiejimas ir įskiepių sistemos

Pasyvių segmentų ir table.init derinys suteikia pagrindinius statybinius blokus dinaminiam susiejimui WebAssembly. Tai leidžia pagrindinei programai vykdymo metu įkelti papildomus Wasm modulius (įskiepius). Įkėlus įskiepį, jo funkcijos gali būti dinamiškai pridėtos prie pagrindinės programos funkcijų lentelės, įgalinant išplečiamas, modulines architektūras, kurioms nereikia pateikti monolitinio dvejetainio failo. Tai yra labai svarbu didelio masto programoms, kurias kuria paskirstytos tarptautinės komandos.

Kaip šiandien išnaudoti masinę atmintį savo projektuose

Gera žinia ta, kad daugumai programuotojų, dirbančių su aukšto lygio kalbomis, masinių atminties operacijų naudojimas dažnai yra automatinis. Šiuolaikiniai kompiliatoriai yra pakankamai protingi, kad atpažintų šablonus, kuriuos galima optimizuoti.

Kompiliatoriaus palaikymas yra svarbiausia

Rust, C/C++ (per Emscripten/LLVM) ir AssemblyScript kompiliatoriai visi „žino apie masinę atmintį“. Kai rašote standartinės bibliotekos kodą, kuris atlieka atminties kopijavimą, kompiliatorius daugeliu atvejų išleis atitinkamą Wasm instrukciją.

Pavyzdžiui, paimkime šią paprastą Rust funkciją:

pub fn copy_slice(dest: &mut [u8], src: &[u8]) {
dest.copy_from_slice(src);
}

Kompiliuojant tai į wasm32-unknown-unknown tikslinę platformą, Rust kompiliatorius pamatys, kad copy_from_slice yra masinės atminties operacija. Užuot generavęs ciklą, jis protingai išleis vieną memory.copy instrukciją galutiniame Wasm modulyje. Tai reiškia, kad programuotojai gali rašyti saugų, idiomatinį aukšto lygio kodą ir nemokamai gauti žemo lygio Wasm instrukcijų grynąjį našumą.

Įjungimas ir funkcijų aptikimas

Masinės atminties funkcija dabar yra plačiai palaikoma visose pagrindinėse naršyklėse („Chrome“, „Firefox“, „Safari“, „Edge“) ir serverio pusės Wasm vykdymo aplinkose. Tai yra standartinio Wasm funkcijų rinkinio dalis, kurią programuotojai paprastai gali laikyti esama. Retais atvejais, kai reikia palaikyti labai seną aplinką, galite naudoti JavaScript, kad aptiktumėte jos prieinamumą prieš inicijuodami savo Wasm modulį, tačiau laikui bėgant tai tampa vis mažiau būtina.

Ateitis: pagrindas daugiau inovacijų

Masinė atmintis nėra tik galutinis taškas; tai yra pagrindinis sluoksnis, ant kurio kuriamos kitos pažangios WebAssembly funkcijos. Jos egzistavimas buvo būtina sąlyga keliems kitiems svarbiems pasiūlymams:

• WebAssembly gijos: Gijų pasiūlymas pristato bendrinamą tiesinę atmintį ir atomines operacijas. Efektyvus duomenų perkėlimas tarp gijų yra svarbiausias, o masinės atminties operacijos suteikia didelio našumo primityvus, reikalingus, kad bendrinamos atminties programavimas būtų gyvybingas.
• WebAssembly SIMD (viena instrukcija, daug duomenų): SIMD leidžia vienai instrukcijai veikti su keliais duomenų vienetais vienu metu (pvz., pridedant keturias poras skaičių vienu metu). Duomenų įkėlimas į SIMD registrus ir rezultatų saugojimas atgal į tiesinę atmintį yra užduotys, kurias žymiai pagreitina masinės atminties galimybės.
• Nuorodų tipai: Šis pasiūlymas leidžia Wasm tiesiogiai laikyti nuorodas į pagrindinės aplinkos objektus (pvz., JavaScript objektus). Šių nuorodų lentelių valdymo mechanizmai (table.init, elem.drop) yra tiesiogiai paimti iš masinės atminties specifikacijos.

Išvada: daugiau nei tik našumo padidinimas

WebAssembly masinės atminties pasiūlymas yra vienas svarbiausių po-MVP patobulinimų platformai. Jis sprendžia esminį našumo kliuvinį, pakeisdamas neefektyvius, ranka rašytus ciklus saugių, atominių ir hiper-optimizuotų instrukcijų rinkiniu.

Deleguodami sudėtingas atminties valdymo užduotis Wasm varikliui, programuotojai gauna tris svarbius pranašumus:

1. Neregėtą greitį: Drastiškai pagreitinant duomenimis intensyvias programas.
2. Padidintą saugumą: Pašalinant ištisas buferio perpildymo klaidų klases per integruotą, privalomą ribų tikrinimą.
3. Kodo paprastumą: Įgalinant mažesnius dvejetainius failų dydžius ir leidžiant aukšto lygio kalboms kompiliuoti į efektyvesnį ir lengviau prižiūrimą kodą.

Pasaulinei programuotojų bendruomenei masinės atminties operacijos yra galingas įrankis kuriant naujos kartos turtingas, našias ir patikimas žiniatinklio programas. Jos sumažina atotrūkį tarp internetinių ir natūralių programų našumo, suteikdamos programuotojams galimybę peržengti naršyklėje įmanomų dalykų ribas ir kuriant pajėgesnį bei prieinamesnį internetą visiems ir visur.