WebAssembly Derinimas: Šaltinio Atvaizdžiai ir Derinimo Įrankiai

WebAssembly (Wasm) sukėlė revoliuciją žiniatinklio kūrime, leisdama naršyklėje veikiančioms programoms pasiekti beveik prigimtinį našumą. Kadangi Wasm tampa vis labiau paplitęs, efektyvios derinimo technikos yra būtinos kūrėjams, norint greitai nustatyti ir išspręsti problemas. Šis vadovas pateikia išsamią WebAssembly derinimo apžvalgą, daugiausia dėmesio skiriant šaltinio atvaizdžiams ir galingiems įrankiams, prieinamiems kūrėjams. Aptarsime viską nuo pagrindinės sąrankos iki pažangių metodų, užtikrindami, kad būsite gerai pasirengę įveikti bet kokį Wasm derinimo iššūkį.

Kas yra WebAssembly (Wasm)?

WebAssembly yra dvejetainis instrukcijų formatas, skirtas stekinė virtualiai mašinai. Jis sukurtas kaip nešiojamas kompiliavimo tikslas aukšto lygio kalboms, tokioms kaip C, C++ ir Rust, leidžiantis kūrėjams paleisti šiomis kalbomis parašytą kodą beveik prigimtiniu greičiu žiniatinklio naršyklėse. Wasm suteikia reikšmingų našumo pranašumų, palyginti su tradiciniu JavaScript, todėl tinka daug skaičiavimų reikalaujančioms užduotims, tokioms kaip:

• Žaidimų kūrimas
• Vaizdų ir vaizdo įrašų apdorojimas
• Mokslinės simuliacijos
• Kriptografija
• Mašininis mokymasis

Be naršyklės, WebAssembly taip pat pritaikomas beserverėse kompiuterijos sistemose, įterptinėse sistemose ir kitose aplinkose, kur našumas ir nešiojamumas yra itin svarbūs.

Derinimo Svarba WebAssembly

WebAssembly kodo derinimas gali būti sudėtingesnis nei JavaScript derinimas dėl jo dvejetainio formato. Tiesioginis Wasm dvejetainio failo tikrinimas dažnai yra nepraktiškas, todėl derinimo įrankiai ir technikos yra būtinos. Pagrindinės priežastys, kodėl derinimas yra labai svarbus Wasm kūrimui, yra šios:

• Našumo Trūkumų Nustatymas: Derinimas padeda nustatyti sritis, kuriose Wasm kodas veikia neoptimaliai.
• Logikos Klaidų Sprendimas: Klaidų suradimas ir taisymas kompiliuotame kode, siekiant užtikrinti, kad programa veiktų kaip tikėtasi.
• Teisingumo Patikrinimas: Užtikrinimas, kad Wasm kodas duoda teisingus rezultatus įvairiomis sąlygomis.
• Kodo Elgsenos Supratimas: Derinimas padeda kūrėjams giliau suprasti, kaip jų kodas vykdomas Wasm aplinkoje.

Šaltinio Atvaizdžiai: Tiltas tarp Wasm ir Pradinio Kodo

Šaltinio atvaizdžiai (angl. source maps) yra labai svarbūs derinant WebAssembly, nes jie susieja kompiliuotą Wasm kodą su pradiniu kodu (pvz., C++, Rust). Tai leidžia kūrėjams derinti savo kodą naudojant pradinę kalbą, o ne dirbti tiesiogiai su Wasm dvejetainiu formatu ar jo išrinktu pavidalu.

Kaip Veikia Šaltinio Atvaizdžiai

Šaltinio atvaizdis yra JSON failas, kuriame yra informacija apie sugeneruoto kodo (Wasm) ir pradinio kodo susiejimą. Ši informacija apima:

• Failų Pavadinimus: Pradinių šaltinio failų pavadinimai.
• Eilučių ir Stulpelių Atitikmenis: Sugeneruoto kodo eilučių ir stulpelių atitikimas pradiniam kodui.
• Simbolių Pavadinimus: Kintamųjų ir funkcijų pavadinimai pradiniame kode.

Kai derintuvas susiduria su Wasm kodu, jis naudoja šaltinio atvaizdį, kad nustatytų atitinkamą vietą pradiniame kode. Tai leidžia derintuvui rodyti pradinį kodą, nustatyti pertraukos taškus ir žingsniuoti per kodą labiau įprastu ir intuityviu būdu.

Šaltinio Atvaizdžių Generavimas

Šaltinio atvaizdžiai paprastai generuojami kompiliavimo proceso metu. Dauguma kompiliatorių ir kūrimo įrankių, palaikančių WebAssembly, suteikia galimybę generuoti šaltinio atvaizdžius. Štai keletas pavyzdžių:

Emscripten (C/C++)

Emscripten yra populiari įrankių grandinė, skirta C ir C++ kodui kompiliuoti į WebAssembly. Norėdami generuoti šaltinio atvaizdžius su Emscripten, kompiliavimo metu naudokite -g vėliavėlę:

            emcc -g input.c -o output.js
            

              
                Copy
              
            
          

Ši komanda sugeneruoja output.js (JavaScript klijų kodą) ir output.wasm (WebAssembly dvejetainį failą), taip pat output.wasm.map (šaltinio atvaizdžio failą).

Rust

Rust taip pat palaiko šaltinio atvaizdžių generavimą kompiliuojant į WebAssembly. Norėdami įjungti šaltinio atvaizdžius, pridėkite šias eilutes į savo Cargo.toml failą:

            [profile.release]
debug = true
            

              
                Copy
              
            
          

Tada sukurkite savo projektą išleidimo režimu:

            cargo build --target wasm32-unknown-unknown --release
            

              
                Copy
              
            
          

Tai sugeneruos Wasm failą ir atitinkamą šaltinio atvaizdį target/wasm32-unknown-unknown/release/ kataloge.

AssemblyScript

AssemblyScript, TypeScript panaši kalba, kuri tiesiogiai kompiliuojama į WebAssembly, taip pat palaiko šaltinio atvaizdžius. Šaltinio atvaizdžiai yra įjungti pagal nutylėjimą naudojant asc kompiliatorių.

            asc input.ts -o output.wasm -t output.wat -m output.wasm.map
            

              
                Copy
              
            
          

Šaltinio Atvaizdžių Įkėlimas Naršyklėje

Šiuolaikinės naršyklės automatiškai aptinka ir įkelia šaltinio atvaizdžius, jei jie yra prieinami. Naršyklė nuskaito sourceMappingURL komentarą sugeneruotame JavaScript arba Wasm faile, kuris nurodo šaltinio atvaizdžio failo vietą. Pavyzdžiui, sugeneruotame JavaScript faile gali būti:

            //# sourceMappingURL=output.wasm.map
            

              
                Copy
              
            
          

Įsitikinkite, kad šaltinio atvaizdžio failas yra pasiekiamas naršyklei (pvz., jis yra teikiamas iš to paties domeno arba turi tinkamas CORS antraštes). Jei šaltinio atvaizdis neįkeliamas automatiškai, gali tekti jį įkelti rankiniu būdu naršyklės kūrėjų įrankiuose.

WebAssembly Derinimo Įrankiai

Yra keletas galingų derinimo įrankių, skirtų WebAssembly kūrimui. Šie įrankiai suteikia tokias funkcijas kaip:

• Pertraukos taškų nustatymas
• Žingsniavimas per kodą
• Kintamųjų tikrinimas
• Iškvietimų dėklo (call stack) peržiūra
• Našumo profiliavimas

Naršyklės Kūrėjų Įrankiai („Chrome DevTools“, „Firefox Developer Tools“)

Šiuolaikinėse naršyklėse yra integruoti kūrėjų įrankiai, kurie palaiko WebAssembly derinimą. Šie įrankiai suteikia išsamų funkcijų rinkinį Wasm kodo tikrinimui ir derinimui.

Chrome DevTools

„Chrome DevTools“ siūlo puikų palaikymą WebAssembly derinimui. Norėdami derinti Wasm kodą „Chrome DevTools“:

1. Atidarykite „Chrome DevTools“ (dažniausiai paspaudus F12 arba dešiniuoju pelės mygtuku ir pasirinkus „Inspect“).
2. Eikite į skydelį „Sources“.
3. Įkelkite puslapį su WebAssembly kodu.
4. Jei šaltinio atvaizdžiai tinkamai sukonfigūruoti, „Sources“ skydelyje turėtumėte matyti pradinius šaltinio failus.
5. Nustatykite pertraukos taškus spustelėdami paraštėje šalia kodo eilučių numerių.
6. Paleiskite WebAssembly kodą. Kai pasiekiamas pertraukos taškas, derintuvas sustabdys vykdymą ir leis jums tikrinti kintamuosius, žingsniuoti per kodą ir peržiūrėti iškvietimų dėklą.

„Chrome DevTools“ taip pat turi „WebAssembly“ skydelį, kuris leidžia tikrinti neapdorotą Wasm kodą, nustatyti pertraukos taškus Wasm kode ir žingsniuoti per Wasm instrukcijas. Tai gali būti naudinga derinant našumui kritiškas kodo dalis arba norint suprasti žemo lygio Wasm vykdymo detales.

Firefox Developer Tools

„Firefox Developer Tools“ taip pat teikia patikimą WebAssembly derinimo palaikymą. Procesas panašus į „Chrome DevTools“:

1. Atidarykite „Firefox Developer Tools“ (dažniausiai paspaudus F12 arba dešiniuoju pelės mygtuku ir pasirinkus „Inspect“).
2. Eikite į skydelį „Debugger“.
3. Įkelkite puslapį su WebAssembly kodu.
4. Jei šaltinio atvaizdžiai tinkamai sukonfigūruoti, „Debugger“ skydelyje turėtumėte matyti pradinius šaltinio failus.
5. Nustatykite pertraukos taškus spustelėdami paraštėje šalia kodo eilučių numerių.
6. Paleiskite WebAssembly kodą. Kai pasiekiamas pertraukos taškas, derintuvas sustabdys vykdymą ir leis jums tikrinti kintamuosius, žingsniuoti per kodą ir peržiūrėti iškvietimų dėklą.

„Firefox Developer Tools“ taip pat turi „WebAssembly“ skydelį, kuris suteikia panašias funkcijas kaip „Chrome DevTools“ neapdoroto Wasm kodo tikrinimui ir pertraukos taškų nustatymui.

WebAssembly Studio

WebAssembly Studio yra internetinė IDE, skirta rašyti, kurti ir derinti WebAssembly kodą. Ji suteikia patogią aplinką eksperimentuoti su WebAssembly, nereikalaujant konfigūruoti vietinės kūrimo aplinkos.

WebAssembly Studio palaiko šaltinio atvaizdžius ir turi vizualų derintuvą, kuris leidžia nustatyti pertraukos taškus, žingsniuoti per kodą ir tikrinti kintamuosius. Ji taip pat turi integruotą išrinkiklį (disassembler), kuris leidžia peržiūrėti neapdorotą Wasm kodą.

VS Code su WebAssembly Plėtiniais

Visual Studio Code (VS Code) yra populiarus kodo redaktorius, kurį galima išplėsti įvairiais plėtiniais, palaikančiais WebAssembly kūrimą. Yra keletas plėtinių, kurie suteikia tokias funkcijas kaip:

• Sintaksės paryškinimas WebAssembly tekstinio formato (WAT) failams
• WebAssembly derinimo palaikymas
• Integracija su WebAssembly įrankių grandinėmis

Kai kurie populiarūs VS Code plėtiniai, skirti WebAssembly kūrimui, yra:

• WebAssembly (autorius dtsvetkov): Suteikia sintaksės paryškinimą, kodo užbaigimą ir kitas funkcijas WAT failams.
• Wasm Language Support (autorius Hai Nguyen): Siūlo patobulintą kalbos palaikymą ir derinimo galimybes.

Norint derinti WebAssembly kodą VS Code, paprastai reikia sukonfigūruoti paleidimo konfigūraciją, kuri nurodo, kaip paleisti derintuvą ir prisijungti prie Wasm vykdymo aplinkos. Tam gali prireikti naudoti derintuvo adapterį, pavyzdžiui, tą, kurį teikia „Chrome“ arba „Firefox DevTools“.

Binaryen

Binaryen yra kompiliatorius ir įrankių grandinės infrastruktūros biblioteka, skirta WebAssembly. Ji teikia įrankius WebAssembly kodo optimizavimui, patvirtinimui ir transformavimui. Nors tai nėra derintuvas pats savaime, Binaryen apima įrankius, kurie gali padėti derinti, pavyzdžiui:

• wasm-opt: Optimizatorius, kuris gali supaprastinti Wasm kodą, padarydamas jį lengviau suprantamą ir derinamą.
• wasm-validate: Tikrintuvas, kuris tikrina Wasm kodą dėl klaidų.
• wasm-dis: Išrinkiklis, kuris konvertuoja Wasm kodą į žmogui skaitomą tekstinį formatą (WAT).

Binaryen dažnai naudojamas kaip didesnės WebAssembly įrankių grandinės dalis ir gali būti integruotas su kitais derinimo įrankiais.

Pažangios Derinimo Technikos

Be pagrindinių derinimo funkcijų, kurias teikia aukščiau minėti įrankiai, galima naudoti keletą pažangių derinimo technikų, skirtų sudėtingesniems WebAssembly derinimo iššūkiams spręsti.

Registravimas ir Instrumentavimas

Registravimo (logging) teiginių pridėjimas į jūsų WebAssembly kodą gali būti naudingas būdas sekti vykdymo eigą ir tikrinti kintamųjų vertes. Tai galima padaryti iškviečiant JavaScript funkcijas iš jūsų Wasm kodo, kad pranešimai būtų registruojami konsolėje. Pavyzdžiui, C/C++ kalba:

            #include 

extern "C" {
  void logMessage(const char* message);
}

int main() {
  int x = 10;
  logMessage("Value of x: %d\n");
  return 0;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Ir JavaScript kalba:

            Module.logMessage = function(messagePtr) {
  const message = UTF8ToString(messagePtr);
  console.log(message);
};

            

              
                Copy
              
            
          

Instrumentavimas apima kodo pridėjimą, siekiant išmatuoti skirtingų jūsų WebAssembly kodo dalių našumą. Tai galima padaryti sekant funkcijų vykdymo laiką arba skaičiuojant, kiek kartų vykdomi tam tikri kodo keliai. Šie rodikliai gali padėti nustatyti našumo trūkumus ir optimizuoti jūsų kodą.

Atminties Tikrinimas

WebAssembly suteikia prieigą prie tiesinės atminties erdvės, kurią galima tikrinti naudojant derinimo įrankius. Tai leidžia jums ištirti atminties turinį, įskaitant kintamuosius, duomenų struktūras ir kitus duomenis. Naršyklės, tokios kaip „Chrome“ ir „Firefox“, atveria WebAssembly tiesinę atmintį per savo kūrėjų įrankius, dažnai pasiekiamus per „Memory“ skydelį arba specializuotus WebAssembly skydelius.

Supratimas, kaip jūsų duomenys išdėstyti atmintyje, yra labai svarbus derinant su atmintimi susijusias problemas, tokias kaip buferio perpildymai ar atminties nutekėjimai.

Optimizuoto Kodo Derinimas

Kompiliuojant WebAssembly kodą su įjungtais optimizavimais, gautas kodas gali žymiai skirtis nuo pradinio kodo. Tai gali apsunkinti derinimą, nes ryšys tarp Wasm kodo ir pradinio kodo gali būti ne toks aiškus. Šaltinio atvaizdžiai padeda sušvelninti šią problemą, tačiau optimizuotas kodas vis tiek gali elgtis netikėtai dėl įterpimo (inlining), ciklų išvyniojimo (loop unrolling) ir kitų optimizacijų.

Norint efektyviai derinti optimizuotą kodą, svarbu suprasti, kokios optimizacijos buvo pritaikytos ir kaip jos galėjo paveikti kodo elgseną. Gali tekti ištirti neapdorotą Wasm kodą arba išrinktą kodą, kad suprastumėte optimizacijų poveikį.

Nuotolinis Derinimas

Kai kuriais atvejais gali tekti derinti WebAssembly kodą, veikiantį nuotoliniame įrenginyje arba kitoje aplinkoje. Nuotolinis derinimas leidžia prisijungti prie Wasm vykdymo aplinkos iš derintuvo, veikiančio jūsų vietiniame kompiuteryje, ir derinti kodą taip, lyg jis veiktų vietoje.

Kai kurie įrankiai, pavyzdžiui, „Chrome DevTools“, palaiko nuotolinį derinimą per „Chrome Remote Debugging Protocol“. Tai leidžia prisijungti prie „Chrome“ egzemplioriaus, veikiančio nuotoliniame įrenginyje, ir derinti jame veikiantį WebAssembly kodą. Kiti derinimo įrankiai gali turėti savo nuotolinio derinimo mechanizmus.

Geriausios WebAssembly Derinimo Praktikos

Siekiant užtikrinti efektyvų ir veiksmingą WebAssembly derinimą, apsvarstykite šias geriausias praktikas:

• Visada Generuokite Šaltinio Atvaizdžius: Užtikrinkite, kad kompiliavimo metu būtų generuojami šaltinio atvaizdžiai, kad būtų galima derinti naudojant pradinį kodą.
• Naudokite Patikimą Derinimo Įrankį: Pasirinkite derinimo įrankį, kuris teikia funkcijas ir galimybes, reikalingas jūsų konkrečioms derinimo užduotims.
• Supraskite Wasm Vykdymo Modelį: Gerai išmanykite, kaip vykdomas WebAssembly kodas, įskaitant stekinę architektūrą, atminties modelį ir instrukcijų rinkinį.
• Rašykite Testuojamą Kodą: Kurkite savo WebAssembly kodą taip, kad jį būtų lengva testuoti, su aiškiais įvesties ir išvesties duomenimis. Rašykite vienetinius testus (unit tests), kad patikrintumėte savo kodo teisingumą.
• Pradėkite nuo Paprastų Pavyzdžių: Mokydamiesi WebAssembly derinimo, pradėkite nuo paprastų pavyzdžių ir palaipsniui didinkite sudėtingumą, kai susipažinsite su įrankiais ir technikomis.
• Skaitykite Dokumentaciją: Peržiūrėkite savo kompiliatoriaus, kūrimo įrankių ir derinimo įrankių dokumentaciją, kad suprastumėte jų funkcijas ir naudojimą.
• Būkite Atnaujinę: WebAssembly ir su juo susiję įrankiai nuolat tobulėja. Sekite naujausius pokyčius ir geriausias praktikas, kad užtikrintumėte, jog naudojate efektyviausias derinimo technikas.

Realaus Pasaulio Pavyzdžiai

Panagrinėkime keletą realaus pasaulio pavyzdžių, kur WebAssembly derinimas yra labai svarbus.

Žaidimų Kūrimas

Žaidimų kūrime Wasm naudojamas kuriant didelio našumo žaidimus, veikiančius naršyklėje. Derinimas yra būtinas norint nustatyti ir ištaisyti klaidas, kurios gali paveikti žaidimo eigą, pavyzdžiui, neteisingus fizikos skaičiavimus, atvaizdavimo problemas ar tinklo sinchronizacijos problemas. Pavyzdžiui, žaidimų kūrėjas gali naudoti šaltinio atvaizdžius ir „Chrome DevTools“ derinti susidūrimų aptikimo algoritmą, parašytą C++ kalba ir sukompiliuotą į WebAssembly.

Vaizdų ir Vaizdo Įrašų Apdorojimas

WebAssembly taip pat naudojamas vaizdų ir vaizdo įrašų apdorojimo užduotims, tokioms kaip vaizdų filtravimas, vaizdo kodavimas ir realaus laiko vaizdo efektai. Derinimas yra labai svarbus siekiant užtikrinti, kad šios užduotys būtų atliekamos teisingai ir efektyviai. Pavyzdžiui, kūrėjas gali naudoti „Firefox Developer Tools“ derinti vaizdo kodavimo biblioteką, parašytą Rust kalba ir sukompiliuotą į WebAssembly, nustatydamas ir taisydamas našumo trūkumus, kurie veikia vaizdo atkūrimą.

Mokslinės Simuliacijos

WebAssembly puikiai tinka mokslinėms simuliacijoms vykdyti naršyklėje, pavyzdžiui, molekulinės dinamikos ar skysčių dinamikos simuliacijoms. Derinimas yra būtinas norint užtikrinti, kad šios simuliacijos duotų tikslius rezultatus. Mokslininkas gali naudoti WebAssembly Studio derinti simuliacijos algoritmą, parašytą Fortran kalba ir sukompiliuotą į WebAssembly, tikrindamas, ar simuliacija konverguoja į teisingą sprendimą.

Tarp-platforminis Mobiliųjų Įrenginių Kūrimas

Karkasai, tokie kaip Flutter, dabar palaiko programų kompiliavimą į WebAssembly. Derinimas tampa būtinas, kai netikėta elgsena pasireiškia būtent WebAssembly tikslinėje platformoje. Tai apima sukompiliuoto Wasm kodo tikrinimą ir šaltinio atvaizdžių naudojimą, norint atsekti problemas iki Dart pradinio kodo.

Išvada

Efektyvus WebAssembly kodo derinimas yra būtinas kuriant didelio našumo ir patikimas žiniatinklio programas. Suprasdami šaltinio atvaizdžių vaidmenį ir naudodami galingus prieinamus derinimo įrankius, kūrėjai gali efektyviai nustatyti ir išspręsti problemas. Šiame vadove pateikta išsami WebAssembly derinimo apžvalga, apimanti viską nuo pagrindinės sąrankos iki pažangių metodų. Laikydamiesi šiame vadove aprašytų geriausių praktikų, galite užtikrinti, kad jūsų WebAssembly kodas bus tvirtas, našus ir be klaidų. Kadangi WebAssembly toliau tobulėja ir tampa vis labiau paplitęs, šių derinimo technikų įvaldymas bus neįkainojamas įgūdis bet kuriam žiniatinklio kūrėjui.