Išsamus vadovas po WebAssembly GC struktūras. Sužinokite, kaip WasmGC keičia valdomas kalbas su našiais, šiukšlių surinkimu pagrįstais duomenų tipais.
WebAssembly GC struktūrų analizė: gilus pasinėrimas į valdomų struktūrų tipus
WebAssembly (Wasm) iš esmės pakeitė žiniatinklio ir serverių programavimo aplinką, pasiūlydama nešiojamą, didelio našumo kompiliavimo tikslą. Iš pradžių jos galia buvo labiausiai prieinama sisteminėms kalboms, tokioms kaip C, C++ ir Rust, kurios puikiai veikia su rankiniu atminties valdymu Wasm linijinės atminties modelyje. Tačiau šis modelis sukūrė didelę kliūtį plačiai valdomų kalbų ekosistemai, pavyzdžiui, Java, C#, Kotlin, Dart ir Python. Norint jas perkelti, reikėjo pridėti visą šiukšlių surinkiklį (GC) ir vykdymo aplinką, o tai lėmė didesnius dvejetainius failus ir lėtesnį paleidimo laiką. WebAssembly šiukšlių surinkimo (WasmGC) pasiūlymas yra sprendimas, keičiantis žaidimo taisykles, o jo pagrindas – galingas naujas primityvas: valdomos struktūros tipas.
Šiame straipsnyje pateikiamas išsamus WasmGC struktūrų tyrimas. Pradėsime nuo pagrindinių sąvokų, gilinsimės į jų apibrėžimą ir manipuliavimą naudojant WebAssembly tekstinį formatą (WAT) ir išnagrinėsime jų didžiulį poveikį aukšto lygio kalbų ateičiai Wasm ekosistemoje. Nesvarbu, ar esate kalbos diegėjas, sistemų programuotojas, ar žiniatinklio kūrėjas, besidomintis kita našumo riba, šis vadovas suteiks jums tvirtą supratimą apie šią transformuojančią funkciją.
Nuo rankinės atminties iki valdomos krūvos: Wasm evoliucija
Norėdami iš tiesų įvertinti WasmGC struktūras, pirmiausia turime suprasti pasaulį, kurį jos siekia pagerinti. Pradinės WebAssembly versijos suteikė vieną pagrindinį įrankį atminties valdymui: linijinę atmintį.
Linijinės atminties era
Įsivaizduokite linijinę atmintį kaip didžiulį, vientisą baitų masyvą – `ArrayBuffer` JavaScript terminais. Wasm modulis gali skaityti iš šio masyvo ir rašyti į jį, tačiau variklio požiūriu jis yra iš esmės nestruktūrizuotas. Tai tik neapdoroti baitai. Atsakomybė už šios erdvės valdymą – objektų paskirstymą, naudojimo stebėjimą ir atminties atlaisvinimą – visiškai teko į Wasm modulį sukompiliuotam kodui.
Tai buvo idealu tokioms kalboms kaip Rust, kurios turi sudėtingą kompiliavimo laiko atminties valdymą (nuosavybę ir skolinimąsi), ir C/C++, kurios naudoja rankinį `malloc` ir `free`. Jos galėjo įgyvendinti savo atminties skirstytuvus šioje linijinės atminties erdvėje. Tačiau tokioms kalboms kaip Kotlin ar Java tai reiškė sunkų pasirinkimą:
- Pridėti visą GC: Pačios kalbos šiukšlių surinkiklis turėjo būti sukompiliuotas į Wasm. Šis GC valdytų dalį linijinės atminties, laikydamas ją savo krūva. Tai ženkliai padidino `.wasm` failo dydį ir sukėlė našumo pridėtines išlaidas, nes GC buvo tik dar viena Wasm kodo dalis, negalinti pasinaudoti itin optimizuotu, natūraliu priimančiosios aplinkos variklio (pvz., V8 ar SpiderMonkey) GC.
- Sudėtinga sąveika su priimančiąja aplinka: Sudėtingų duomenų struktūrų (pvz., objektų ar medžių) dalijimasis su priimančiąja aplinka (pvz., JavaScript) buvo sudėtingas. Tai reikalavo serializacijos – objekto pavertimo baitais, įrašymo į linijinę atmintį, o tada kita pusė turėjo jį nuskaityti ir deserializuoti. Šis procesas buvo lėtas, linkęs į klaidas ir kūrė pasikartojančius duomenis.
WasmGC paradigmos pokytis
WasmGC pasiūlymas įveda antrą, atskirą atminties erdvę: valdomą krūvą. Skirtingai nuo nestruktūrizuotos baitų jūros linijinėje atmintyje, šią krūvą tiesiogiai valdo Wasm variklis. Variklio integruotas, itin optimizuotas šiukšlių surinkiklis dabar yra atsakingas už objektų paskirstymą ir, kas svarbiausia, atlaisvinimą.
Tai suteikia didžiulę naudą:
- Mažesni dvejetainiai failai: Kalboms nebereikia pridėti savo GC, o tai drastiškai sumažina failų dydžius.
- Greitesnis vykdymas: Wasm modulis naudojasi priimančiosios aplinkos natūraliu, laiko patikrintu GC, kuris yra daug efektyvesnis nei į Wasm sukompiliuotas GC.
- Sklandi sąveika su priimančiąja aplinka: Nuorodos į valdomus objektus gali būti perduodamos tiesiogiai tarp Wasm ir JavaScript be jokios serializacijos. Tai yra milžiniškas našumo ir kūrėjo patirties pagerinimas.
Norint užpildyti šią valdomą krūvą, WasmGC įveda naujų nuorodų tipų rinkinį, o `struct` yra vienas iš pagrindinių statybinių blokų.
Išsami `struct` tipo apibrėžties analizė
WasmGC `struct` yra valdomas, krūvoje paskirstytas objektas su fiksuotu pavadintų ir statiškai tipizuotų laukų rinkiniu. Galvokite apie jį kaip apie lengvą klasę Java/C#, struktūrą Go/C# arba tipizuotą JavaScript objektą, bet integruotą tiesiai į Wasm virtualią mašiną.
Struktūros apibrėžimas WAT
Aiškiausias būdas suprasti `struct` yra pažvelgti į jo apibrėžimą WebAssembly tekstiniame formate (WAT). Tipai apibrėžiami specialioje Wasm modulio tipų sekcijoje.
Štai pagrindinis 2D taško struktūros pavyzdys:
(module
;; Define a new type named '$point'.
;; It is a struct with two fields: '$x' and '$y', both of type i32.
(type $point (struct (field $x i32) (field $y i32)))
;; ... functions that use this type would go here ...
)
Išnagrinėkime šią sintaksę:
(type $point ...): Tai deklaruoja naują tipą ir suteikia jam pavadinimą `$point`. Pavadinimai yra WAT patogumas; dvejetainiame formate tipai nurodomi pagal indeksą.(struct ...): Tai nurodo, kad naujasis tipas yra struktūra.(field $x i32): Tai apibrėžia lauką. Jis turi pavadinimą (`$x`) ir tipą (`i32`). Laukai gali būti bet kokio Wasm reikšmės tipo (`i32`, `i64`, `f32`, `f64`) arba nuorodos tipo.
Struktūros taip pat gali turėti nuorodas į kitus valdomus tipus, leidžiančias kurti sudėtingas duomenų struktūras, tokias kaip susietieji sąrašai ar medžiai.
(module
;; Forward-declare the node type so it can be referenced within itself.
(rec
(type $list_node (struct
(field $value i32)
;; A field that holds a reference to another node, or null.
(field $next (ref null $list_node))
))
)
)
Čia `$next` laukas yra tipo `(ref null $list_node)`, o tai reiškia, kad jis gali laikyti nuorodą į kitą `$list_node` objektą arba būti `null` nuoroda. `(rec ...)` blokas naudojamas rekursyviems arba abipusiai susijusiems tipams apibrėžti.
Laukai: kintamumas ir nekintamumas
Pagal nutylėjimą struktūros laukai yra nekintami. Tai reiškia, kad jų reikšmę galima nustatyti tik vieną kartą, kuriant objektą. Tai galinga funkcija, skatinanti saugesnius programavimo modelius ir galinti būti panaudota kompiliatorių optimizavimui.
Norėdami deklaruoti lauką kaip kintamą, jo apibrėžimą reikia apgaubti `(mut ...)`.
(module
(type $user_profile (struct
;; This ID is immutable and can only be set at creation.
(field $id i64)
;; This username is mutable and can be changed later.
(field (mut $username) (ref string))
))
)
Bandymai modifikuoti nekintamą lauką po jo sukūrimo sukels patvirtinimo klaidą kompiliuojant Wasm modulį. Ši statinė garantija apsaugo nuo visos klasės vykdymo laiko klaidų.
Paveldėjimas ir struktūrinis potipis
WasmGC palaiko pavienį paveldėjimą, įgalinantį polimorfizmą. Struktūra gali būti deklaruota kaip kitos struktūros potipis naudojant `sub` raktinį žodį. Tai sukuria „yra-a“ (is-a) ryšį.
Panagrinėkime mūsų `$point` struktūrą. Galime sukurti specializuotesnę `$colored_point`, kuri ją paveldi:
(module
(type $point (struct (field $x i32) (field $y i32)))
;; '$colored_point' is a subtype of '$point'.
(type $colored_point (sub $point (struct
;; It inherits fields '$x' and '$y' from '$point'.
;; It adds a new field '$color'.
(field $color i32) ;; e.g., an RGBA value
)))
)
Potipio taisyklės yra paprastos ir struktūrinės:
- Potipis privalo deklaruoti supertipą.
- Potipis netiesiogiai apima visus savo supertipo laukus, ta pačia tvarka ir su tais pačiais tipais.
- Tada potipis gali apibrėžti papildomus laukus.
Tai reiškia, kad funkcijai ar instrukcijai, kuri tikisi nuorodos į `$point`, galima saugiai perduoti nuorodą į `$colored_point`. Tai vadinama pakėlimu (upcasting) ir visada yra saugu. Atvirkštinis veiksmas, nuleidimas (downcasting), reikalauja vykdymo laiko patikrinimų, kuriuos išnagrinėsime vėliau.
Darbas su struktūromis: pagrindinės instrukcijos
Tipų apibrėžimas yra tik pusė darbo. WasmGC įveda naują instrukcijų rinkinį, skirtą kurti, pasiekti ir manipuliuoti struktūrų egzemplioriais steke.
Egzempliorių kūrimas: `struct.new`
Pagrindinė instrukcija naujam struktūros egzemplioriui sukurti yra `struct.new`. Ji veikia paimdama reikalingas pradines reikšmes visiems laukams iš steko ir į steką įstumdama vieną nuorodą į naujai sukurtą, krūvoje paskirstytą objektą.
Sukurkime mūsų `$point` struktūros egzempliorių koordinatėse (10, 20).
(func $create_point (result (ref $point))
;; Push the value for the '$x' field onto the stack.
i32.const 10
;; Push the value for the '$y' field onto the stack.
i32.const 20
;; Pop 10 and 20, create a new '$point' on the managed heap,
;; and push a reference to it onto the stack.
struct.new $point
;; The reference is now the return value of the function.
return
)
Į steką įstumtų reikšmių tvarka turi tiksliai atitikti laukų, apibrėžtų struktūros tipe, tvarką, nuo aukščiausio supertipo iki specifiškiausio potipio.
Taip pat yra variantas, struct.new_default, kuris sukuria egzempliorių, kurio visi laukai inicializuoti numatytosiomis reikšmėmis (nulis skaičiams, `null` nuorodoms), nepriimdamas jokių argumentų iš steko.
Laukų pasiekimas: `struct.get` ir `struct.set`
Kai turite nuorodą į struktūrą, turite gebėti skaityti ir rašyti jos laukus.
`struct.get` nuskaito lauko reikšmę. Ji paima struktūros nuorodą iš steko, nuskaito nurodytą lauką ir įstumia to lauko reikšmę atgal į steką.
(func $get_x_coordinate (param $p (ref $point)) (result i32)
;; Push the struct reference from the local variable '$p'.
local.get $p
;; Pop the reference, get the value of the '$x' field from the '$point' struct,
;; and push it onto the stack.
struct.get $point $x
;; The i32 value of 'x' is now the return value.
return
)
`struct.set` rašo į kintamą lauką. Ji paima naują reikšmę ir struktūros nuorodą iš steko ir atnaujina nurodytą lauką. Ši instrukcija gali būti naudojama tik su `(mut ...)` deklaruotiems laukams.
;; Assuming a user profile with a mutable username field.
(type $user_profile (struct (field $id i64) (field (mut $username) (ref string))))
(func $update_username (param $profile (ref $user_profile)) (param $new_name (ref string))
;; Push the reference to the profile to update.
local.get $profile
;; Push the new value for the username field.
local.get $new_name
;; Pop the reference and new value, and update the '$username' field.
struct.set $user_profile $username
)
Svarbi potipio savybė yra ta, kad galite naudoti `struct.get` laukui, apibrėžtam supertipe, net jei turite nuorodą į potipį. Pavyzdžiui, galite naudoti `struct.get $point $x` su nuoroda į `$colored_point`.
Navigacija paveldėjimo hierarchijoje: tipų tikrinimas ir keitimas
Dirbant su paveldėjimo hierarchijomis, reikalingas būdas saugiai tikrinti ir keisti objekto tipą vykdymo metu. WasmGC tam suteikia galingą instrukcijų rinkinį.
- `ref.test`: Ši instrukcija atlieka tipų patikrinimą be klaidų išmetimo. Ji paima nuorodą, patikrina, ar ją galima saugiai pakeisti į tikslinį tipą, ir į steką įstumia `1` (tiesa) arba `0` (melas). Tai atitinka `instanceof` patikrinimą.
- `ref.cast`: Ši instrukcija atlieka tipų keitimą su klaidų išmetimu. Ji paima nuorodą ir patikrina, ar ji yra tikslinio tipo egzempliorius. Jei patikrinimas sėkmingas, ji atgal įstumia tą pačią nuorodą (bet dabar su konkretesniu tipu, žinomu validatoriui). Jei patikrinimas nepavyksta, ji sukelia vykdymo laiko klaidą, sustabdydama vykdymą.
- `br_on_cast`: Tai optimizuota, kombinuota instrukcija, kuri atlieka tipų patikrinimą ir sąlyginį šuolį vienoje operacijoje. Ji yra labai efektyvi įgyvendinant `if (x instanceof y) { ... }` modelius.
Štai praktinis pavyzdys, rodantis, kaip saugiai atlikti tipo nuleidimą (downcast) ir dirbti su `$colored_point`, kuris buvo perduotas kaip bendrinis `$point`.
(func $get_color_or_default (param $p (ref $point)) (result i32)
;; Default color is black (0)
i32.const 0
;; Get the reference to the point object
local.get $p
;; Check if '$p' is actually a '$colored_point' and branch if it is not.
;; The instruction has two branch targets: one for failure, one for success.
;; On success, it also pushes the casted reference to the stack.
br_on_cast_fail $is_not_colored $is_colored (ref $colored_point)
block $is_colored (param (ref $colored_point))
;; If we are here, the cast succeeded.
;; The casted reference is now on top of the stack.
struct.get $colored_point $color
return ;; Return the actual color
end
block $is_not_colored
;; If we are here, it was just a plain point.
;; The default value (0) is still on the stack.
return
end
)
Platesnis poveikis: WasmGC, struktūros ir programavimo ateitis
WasmGC struktūros yra daugiau nei tik žemo lygio funkcija; jos yra pagrindinis ramstis naujai poliglotiškos plėtros erai žiniatinklyje ir už jo ribų.
Sklandi integracija su priimančiosiomis aplinkomis
Vienas iš reikšmingiausių WasmGC privalumų yra galimybė tiesiogiai perduoti nuorodas į valdomus objektus, tokius kaip struktūros, per Wasm-JavaScript ribą. Wasm funkcija gali grąžinti `(ref $point)`, o JavaScript gaus nepermatomą nuorodą į tą objektą. Šią nuorodą galima saugoti, perduoti ir siųsti atgal į kitą Wasm funkciją, kuri žino, kaip dirbti su `$point`.
Tai visiškai pašalina brangų serializacijos mokestį, būdingą linijinės atminties modeliui. Tai leidžia kurti labai dinamiškas programas, kuriose sudėtingos duomenų struktūros gyvena Wasm valdomoje krūvoje, bet yra valdomos JavaScript, pasiekiant geriausią iš abiejų pasaulių: didelio našumo logiką Wasm ir lankstų vartotojo sąsajos manipuliavimą JS.
Vartai valdomoms kalboms
Pagrindinė WasmGC motyvacija buvo paversti WebAssembly pirmos klasės piliečiu valdomoms kalboms. Struktūros yra mechanizmas, kuris tai įgalina.
- Kotlin/Wasm: Kotlin komanda intensyviai investuoja į naują Wasm posistemę (backend), kuri naudoja WasmGC. Kotlin `class` beveik tiesiogiai atitinka Wasm `struct`. Tai leidžia Kotlin kodą kompiliuoti į mažus, efektyvius Wasm modulius, kurie gali veikti naršyklėje, serveriuose ar bet kur, kur yra Wasm vykdymo aplinka.
- Dart ir Flutter: Google įgalina Dart kompiliavimą į WasmGC. Tai leis populiariai vartotojo sąsajos priemonių rinkiniui Flutter paleisti žiniatinklio programas, nepasikliaujant tradiciniu JavaScript pagrįstu žiniatinklio varikliu, potencialiai suteikiant reikšmingų našumo pagerinimų.
- Java, C# ir kiti: Vykdomi projektai, skirti kompiliuoti JVM ir .NET baitkodą į Wasm. WasmGC struktūros ir masyvai suteikia būtinus primityvus Java ir C# objektams atvaizduoti, todėl tampa įmanoma paleisti šias verslo lygio ekosistemas natūraliai naršyklėje.
Našumas ir gerosios praktikos
WasmGC sukurta našumui. Integruodamasis su variklio GC, Wasm gali pasinaudoti dešimtmečių optimizavimu šiukšlių surinkimo algoritmuose, tokiuose kaip kartų GC (generational GCs), lygiagretus žymėjimas (concurrent marking) ir tankinantys surinkikliai (compacting collectors).
Dirbdami su struktūromis, atsižvelkite į šias gerąsias praktikas:
- Pirmenybę teikite nekintamumui: Kai tik įmanoma, naudokite nekintamus laukus. Tai padaro jūsų kodą lengviau suprantamą ir gali atverti optimizavimo galimybes Wasm varikliui.
- Supraskite struktūrinį potipį: Naudokite potipį polimorfiniam kodui, tačiau atsižvelkite į vykdymo laiko tipų tikrinimų (`ref.cast` ar `br_on_cast`) našumo kainą kritiniuose cikluose.
- Profiluokite savo programą: Sąveika tarp linijinės atminties ir valdomos krūvos gali būti sudėtinga. Naudokite naršyklės ir vykdymo aplinkos profiliavimo įrankius, kad suprastumėte, kur praleidžiamas laikas, ir nustatytumėte galimus paskirstymo ar GC spaudimo butelio kaklelius.
Išvada: tvirtas pagrindas poliglotiškai ateičiai
WebAssembly GC `struct` yra daug daugiau nei paprastas duomenų tipas. Tai reiškia fundamentalų pokytį, kas yra WebAssembly ir kuo jis gali tapti. Suteikdamas didelio našumo, statiškai tipizuotą ir šiukšlių surinkimu pagrįstą būdą atvaizduoti sudėtingus duomenis, jis atveria visą potencialą plačiam programavimo kalbų spektrui, kuris suformavo šiuolaikinę programinės įrangos kūrimą.
WasmGC palaikymui bręstant visose pagrindinėse naršyklėse ir serverių vykdymo aplinkose, jis nuties kelią naujos kartos žiniatinklio programoms, kurios bus greitesnės, efektyvesnės ir sukurtos naudojant įvairesnį įrankių rinkinį nei bet kada anksčiau. Kukli `struct` yra ne tik funkcija; tai tiltas į tikrai universalią, poliglotišką skaičiavimo platformą.