WebAssembly tiesinė atmintis: pasirinktinių atminties paskirstytojų kūrimas

WebAssembly (WASM) sukėlė revoliuciją žiniatinklio kūrime, leisdamas pasiekti beveik natūralų našumą naršyklėje. Vienas iš pagrindinių WASM aspektų yra jo tiesinės atminties modelis. Norint kurti didelio našumo WASM programas, labai svarbu suprasti, kaip veikia tiesinė atmintis ir kaip ją efektyviai valdyti. Šiame straipsnyje nagrinėjama WebAssembly tiesinės atminties koncepcija ir gilinamasi į pasirinktinių atminties paskirstytojų kūrimą, suteikiant kūrėjams didesnę kontrolę ir optimizavimo galimybes.

Suprasti WebAssembly tiesinę atmintį

WebAssembly tiesinė atmintis yra ištisinė, adresuojama atminties sritis, prie kurios gali prieiti WASM modulis. Iš esmės tai didelis baitų masyvas. Skirtingai nuo tradicinių aplinkų su šiukšlių surinkimu, WASM siūlo deterministinį atminties valdymą, todėl tinka našumui kritiškoms programoms.

Pagrindinės tiesinės atminties savybės

• Ištisinė: Atmintis paskirstoma kaip vienas, nenutrūkstamas blokas.
• Adresuojama: Kiekvienas baitas atmintyje turi unikalų adresą (sveikąjį skaičių).
• Keičiama: Atminties turinį galima skaityti ir rašyti.
• Dydis keičiamas: Tiesinės atminties dydį galima didinti vykdymo metu (su apribojimais).
• Nėra šiukšlių surinkimo: Atminties valdymas yra aiškus; jūs esate atsakingi už atminties paskirstymą ir atlaisvinimą.

Ši aiški atminties valdymo kontrolė yra ir stiprybė, ir iššūkis. Ji leidžia atlikti smulkiagrūdį optimizavimą, tačiau taip pat reikalauja atidumo, kad būtų išvengta atminties nutekėjimo ir kitų su atmintimi susijusių klaidų.

Prieiga prie tiesinės atminties

WASM instrukcijos suteikia tiesioginę prieigą prie tiesinės atminties. Instrukcijos, tokios kaip `i32.load`, `i64.load`, `i32.store` ir `i64.store`, naudojamos skaityti ir rašyti skirtingų duomenų tipų reikšmes iš/į konkrečius atminties adresus. Šios instrukcijos veikia su poslinkiais, santykiniais su tiesinės atminties baziniu adresu.

Pavyzdžiui, `i32.store offset=4` įrašys 32 bitų sveikąjį skaičių į atminties vietą, esančią 4 baitais toliau nuo bazinio adreso.

Atminties inicializavimas

Kai WASM modulis yra sukurtas, tiesinę atmintį galima inicializuoti duomenimis iš paties WASM modulio. Šie duomenys saugomi duomenų segmentuose modulyje ir kopijuojami į tiesinę atmintį diegimo metu. Alternatyviai, tiesinę atmintį galima inicializuoti dinamiškai naudojant JavaScript ar kitas priimančiąsias aplinkas.

Pasirinktinių atminties paskirstytojų poreikis

Nors WebAssembly specifikacija nenurodo konkrečios atminties paskirstymo schemos, dauguma WASM modulių remiasi numatytuoju paskirstytoju, kurį teikia kompiliatorius ar vykdymo aplinka. Tačiau šie numatytieji paskirstytojai dažnai yra bendrosios paskirties ir gali būti neoptimizuoti konkretiems naudojimo atvejams. Scenarijuose, kur našumas yra svarbiausias, pasirinktiniai atminties paskirstytojai gali suteikti reikšmingų pranašumų.

Numatytųjų paskirstytojų apribojimai

• Fragmentacija: Laikui bėgant, pasikartojantis paskirstymas ir atlaisvinimas gali sukelti atminties fragmentaciją, sumažinant turimą ištisinę atmintį ir potencialiai sulėtinant paskirstymo bei atlaisvinimo operacijas.
• Pridėtinės išlaidos: Bendrosios paskirties paskirstytojai dažnai sukelia pridėtines išlaidas, skirtas sekti paskirstytus blokus, valdyti metaduomenis ir atlikti saugumo patikras.
• Kontrolės trūkumas: Kūrėjai turi ribotą kontrolę ties paskirstymo strategija, o tai gali trukdyti optimizavimo pastangoms.

Pasirinktinių atminties paskirstytojų privalumai

• Našumo optimizavimas: Pritaikyti paskirstytojai gali būti optimizuoti konkretiems paskirstymo modeliams, todėl paskirstymas ir atlaisvinimas vyksta greičiau.
• Sumažinta fragmentacija: Pasirinktiniai paskirstytojai gali taikyti strategijas, skirtas sumažinti fragmentaciją, užtikrinant efektyvų atminties panaudojimą.
• Atminties naudojimo kontrolė: Kūrėjai gauna tikslią atminties naudojimo kontrolę, leidžiančią optimizuoti atminties pėdsaką ir išvengti atminties trūkumo klaidų.
• Deterministinis elgesys: Pasirinktiniai paskirstytojai gali užtikrinti labiau nuspėjamą ir deterministinį atminties valdymą, kuris yra labai svarbus realaus laiko programoms.

Įprastos atminties paskirstymo strategijos

Galima įdiegti keletą atminties paskirstymo strategijų pasirinktiniuose paskirstytojuose. Strategijos pasirinkimas priklauso nuo konkrečių programos reikalavimų ir paskirstymo modelių.

1. „Bump“ paskirstytojas

Paprasčiausia paskirstymo strategija yra „bump“ paskirstytojas. Jis palaiko rodyklę į paskirstytos srities pabaigą ir tiesiog padidina rodyklę, kad paskirstytų naują atmintį. Atlaisvinimas paprastai nepalaikomas (arba yra labai ribotas, pvz., atstatant rodyklę, kas iš esmės atlaisvina viską).

Privalumai:

• Labai greitas paskirstymas.
• Paprasta įdiegti.

Trūkumai:

• Nėra atlaisvinimo (arba jis labai ribotas).
• Netinkamas ilgai gyvuojantiems objektams.
• Gali sukelti atminties nutekėjimą, jei naudojamas neatsargiai.

Naudojimo atvejai:

Idealus scenarijams, kai atmintis paskirstoma trumpam laikui ir po to visa atmetama, pavyzdžiui, laikiniems buferiams ar kadrų pagrindu veikiančiam atvaizdavimui.

2. Laisvųjų blokų sąrašo paskirstytojas

Laisvųjų blokų sąrašo paskirstytojas palaiko laisvų atminties blokų sąrašą. Kai prašoma atminties, paskirstytojas ieško laisvųjų blokų sąraše bloko, kuris yra pakankamai didelis, kad patenkintų prašymą. Jei randamas tinkamas blokas, jis yra padalijamas (jei reikia), o paskirstyta dalis pašalinama iš laisvųjų blokų sąrašo. Kai atmintis atlaisvinama, ji grąžinama į laisvųjų blokų sąrašą.

Privalumai:

• Palaiko atlaisvinimą.
• Gali pakartotinai naudoti atlaisvintą atmintį.

Trūkumai:

• Sudėtingesnis nei „bump“ paskirstytojas.
• Fragmentacija vis dar gali pasireikšti.
• Paieška laisvųjų blokų sąraše gali būti lėta.

Naudojimo atvejai:

Tinkamas programoms su dinaminiu įvairių dydžių objektų paskirstymu ir atlaisvinimu.

3. Telkinio (Pool) paskirstytojas

Telkinio paskirstytojas skirsto atmintį iš iš anksto nustatyto fiksuoto dydžio blokų telkinio. Kai prašoma atminties, paskirstytojas tiesiog grąžina laisvą bloką iš telkinio. Kai atmintis atlaisvinama, blokas grąžinamas į telkinį.

Privalumai:

• Labai greitas paskirstymas ir atlaisvinimas.
• Minimali fragmentacija.
• Deterministinis elgesys.

Trūkumai:

• Tinkamas tik vienodo dydžio objektų paskirstymui.
• Reikia žinoti maksimalų objektų skaičių, kuris bus paskirstytas.

Naudojimo atvejai:

Idealus scenarijams, kai objektų dydis ir skaičius yra žinomi iš anksto, pavyzdžiui, valdant žaidimo objektus ar tinklo paketus.

4. Regionu pagrįstas paskirstytojas

Šis paskirstytojas padalija atmintį į regionus. Paskirstymas vyksta šiuose regionuose naudojant, pavyzdžiui, „bump“ paskirstytoją. Privalumas yra tas, kad galite efektyviai atlaisvinti visą regioną iš karto, atgaunant visą tame regione panaudotą atmintį. Tai panašu į „bump“ paskirstymą, tačiau su papildomu privalumu – viso regiono atlaisvinimu.

Privalumai:

• Efektyvus masinis atlaisvinimas
• Santykinai paprastas įdiegimas

Trūkumai:

• Netinkamas atskirų objektų atlaisvinimui
• Reikalingas atidus regionų valdymas

Naudojimo atvejai:

Naudingas scenarijuose, kur duomenys yra susiję su tam tikra apimtimi ar kadru ir gali būti atlaisvinti pasibaigus tai apimčiai (pvz., atvaizduojant kadrus ar apdorojant tinklo paketus).

Pasirinktinio atminties paskirstytojo įdiegimas WebAssembly

Panagrinėkime pagrindinį „bump“ paskirstytojo įdiegimo pavyzdį WebAssembly aplinkoje, naudojant AssemblyScript kaip kalbą. AssemblyScript leidžia rašyti TypeScript panašų kodą, kuris kompiliuojamas į WASM.

Pavyzdys: „Bump“ paskirstytojas su AssemblyScript

            // bump_allocator.ts

let memory: Uint8Array;
let bumpPointer: i32 = 0;
let memorySize: i32 = 1024 * 1024; // 1MB initial memory

export function initMemory(): void {
  memory = new Uint8Array(memorySize);
  bumpPointer = 0;
}

export function allocate(size: i32): i32 {
  if (bumpPointer + size > memorySize) {
    return 0; // Out of memory
  }

  const ptr = bumpPointer;
  bumpPointer += size;
  return ptr;
}

export function deallocate(ptr: i32): void {
  // Not implemented in this simple bump allocator
  // In a real-world scenario, you would likely only reset the bump pointer
  // for full resets, or use a different allocation strategy.
}

export function writeString(ptr: i32, str: string): void {
    for (let i = 0; i < str.length; i++) {
        memory[ptr + i] = str.charCodeAt(i);
    }
    memory[ptr + str.length] = 0; // Null-terminate the string
}

export function readString(ptr: i32): string {
    let result = "";
    let i = 0;
    while (memory[ptr + i] !== 0) {
        result += String.fromCharCode(memory[ptr + i]);
        i++;
    }
    return result;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Paaiškinimas:

• `memory`: `Uint8Array`, atstovaujantis WebAssembly tiesinę atmintį.
• `bumpPointer`: Sveikasis skaičius, rodantis į kitą laisvą atminties vietą.
• `initMemory()`: Inicializuoja `memory` masyvą ir nustato `bumpPointer` į 0.
• `allocate(size)`: Paskirsto `size` baitų atminties, padidindamas `bumpPointer` ir grąžina paskirstyto bloko pradžios adresą.
• `deallocate(ptr)`: (Čia neįdiegta) Tvarkytų atlaisvinimą, tačiau šiame supaprastintame „bump“ paskirstytojuje tai dažnai praleidžiama arba apima `bumpPointer` atstatymą.
• `writeString(ptr, str)`: Įrašo eilutę į paskirstytą atmintį, užbaigdamas ją nuliniu simboliu.
• `readString(ptr)`: Nuskaito nuliu užbaigtą eilutę iš paskirstytos atminties.

Kompiliavimas į WASM

Kompiliuokite AssemblyScript kodą į WebAssembly naudodami AssemblyScript kompiliatorių:

            asc bump_allocator.ts -b bump_allocator.wasm -t bump_allocator.wat
            

              
                Copy
              
            
          

Ši komanda sugeneruoja tiek WASM dvejetainį failą (`bump_allocator.wasm`), tiek WAT (WebAssembly Text format) failą (`bump_allocator.wat`).

Paskirstytojo naudojimas su JavaScript

            // index.js

async function loadWasm() {
  const response = await fetch('bump_allocator.wasm');
  const buffer = await response.arrayBuffer();
  const module = await WebAssembly.compile(buffer);
  const instance = await WebAssembly.instantiate(module);

  const { initMemory, allocate, writeString, readString } = instance.exports;

  initMemory();

  // Allocate memory for a string
  const strPtr = allocate(20); // Allocate 20 bytes (enough for the string + null terminator)
  writeString(strPtr, "Hello, WASM!");

  // Read the string back
  const str = readString(strPtr);
  console.log(str); // Output: Hello, WASM!
}

loadWasm();

            

              
                Copy
              
            
          

Paaiškinimas:

• JavaScript kodas nuskaito WASM modulį, jį kompiliuoja ir sukuria egzempliorių.
• Jis gauna eksportuotas funkcijas (`initMemory`, `allocate`, `writeString`, `readString`) iš WASM egzemplioriaus.
• Jis iškviečia `initMemory()`, kad inicializuotų paskirstytoją.
• Jis paskirsto atmintį naudodamas `allocate()`, įrašo eilutę į paskirstytą atmintį naudodamas `writeString()` ir nuskaito eilutę atgal naudodamas `readString()`.

Pažangios technikos ir svarstymai

Atminties valdymo strategijos

Apsvarstykite šias strategijas efektyviam atminties valdymui WASM:

• Objektų telkiniai (Object Pooling): Pakartotinai naudokite objektus, užuot nuolat juos skirstę ir atlaisvinę.
• Arenos paskirstymas (Arena Allocation): Paskirstykite didelį atminties bloką ir tada iš jo sub-paskirstykite. Baigę atlaisvinkite visą bloką iš karto.
• Duomenų struktūros: Naudokite duomenų struktūras, kurios sumažina atminties paskirstymą, pvz., susietuosius sąrašus su iš anksto paskirstytais mazgais.
• Išankstinis paskirstymas (Pre-allocation): Iš anksto paskirstykite atmintį numatomam naudojimui.

Sąveika su priimančiąja aplinka

WASM moduliai dažnai turi sąveikauti su priimančiąja aplinka (pvz., JavaScript naršyklėje). Ši sąveika gali apimti duomenų perdavimą tarp WASM tiesinės atminties ir priimančiosios aplinkos atminties. Apsvarstykite šiuos punktus:

• Atminties kopijavimas: Efektyviai kopijuokite duomenis tarp WASM tiesinės atminties ir JavaScript masyvų ar kitų priimančiosios pusės duomenų struktūrų, naudodami `Uint8Array.set()` ir panašius metodus.
• Eilučių kodavimas: Perduodami eilutes tarp WASM ir priimančiosios aplinkos, atkreipkite dėmesį į eilučių kodavimą (pvz., UTF-8).
• Venkite perteklinių kopijų: Sumažinkite atminties kopijų skaičių, kad sumažintumėte pridėtines išlaidas. Ištirkite technikas, tokias kaip rodyklių perdavimas į bendrai naudojamas atminties sritis, kai tai įmanoma.

Atminties problemų derinimas

Atminties problemų derinimas WASM gali būti sudėtingas. Štai keletas patarimų:

• Žurnalizavimas (Logging): Pridėkite žurnalizavimo teiginius į savo WASM kodą, kad sektumėte atminties paskirstymus, atlaisvinimus ir rodyklių reikšmes.
• Atminties profiliuotojai: Naudokite naršyklės kūrėjų įrankius ar specializuotus WASM atminties profiliuotojus, kad analizuotumėte atminties naudojimą ir nustatytumėte nutekėjimus ar fragmentaciją.
• Tvirtinimai (Assertions): Naudokite tvirtinimus, kad patikrintumėte neteisingas rodyklių reikšmes, prieigą už ribų ir kitas su atmintimi susijusias klaidas.
• Valgrind (nativiam WASM): Jei naudojate WASM ne naršyklėje, o vykdymo aplinkoje, tokioje kaip WASI, įrankiai kaip Valgrind gali būti naudojami atminties klaidoms aptikti.

Tinkamos paskirstymo strategijos pasirinkimas

Geriausia atminties paskirstymo strategija priklauso nuo jūsų programos specifinių poreikių. Apsvarstykite šiuos veiksnius:

• Paskirstymo dažnumas: Kaip dažnai objektai yra skirstomi ir atlaisvinami?
• Objekto dydis: Ar objektai yra fiksuoto, ar kintamo dydžio?
• Objekto gyvavimo trukmė: Kaip ilgai objektai paprastai egzistuoja?
• Atminties apribojimai: Kokie yra tikslinės platformos atminties apribojimai?
• Našumo reikalavimai: Kiek kritiškas yra atminties paskirstymo našumas?

Specifiniai kalbos aspektai

Programavimo kalbos pasirinkimas WASM kūrimui taip pat daro įtaką atminties valdymui:

• Rust: Rust suteikia puikią atminties valdymo kontrolę su savo nuosavybės ir skolinimosi sistema, todėl puikiai tinka rašyti efektyvius ir saugius WASM modulius.
• AssemblyScript: AssemblyScript supaprastina WASM kūrimą su savo TypeScript panašia sintakse ir automatiniu atminties valdymu (nors vis dar galite įdiegti pasirinktinius paskirstytojus).
• C/C++: C/C++ siūlo žemo lygio atminties valdymo kontrolę, bet reikalauja atidumo, kad būtų išvengta atminties nutekėjimo ir kitų klaidų. Emscripten dažnai naudojamas C/C++ kodui kompiliuoti į WASM.

Realaus pasaulio pavyzdžiai ir naudojimo atvejai

Pasirinktiniai atminties paskirstytojai yra naudingi įvairiose WASM programose:

• Žaidimų kūrimas: Optimizuojant atminties paskirstymą žaidimo objektams, tekstūroms ir kitiems žaidimo turtams, galima žymiai pagerinti našumą.
• Vaizdų ir vaizdo įrašų apdorojimas: Efektyvus atminties valdymas vaizdų ir vaizdo įrašų buferiams yra labai svarbus realaus laiko apdorojimui.
• Moksliniai skaičiavimai: Pasirinktiniai paskirstytojai gali optimizuoti atminties naudojimą dideliems skaitiniams skaičiavimams ir simuliacijoms.
• Įterptinės sistemos: WASM vis dažniau naudojamas įterptinėse sistemose, kur atminties ištekliai dažnai yra riboti. Pasirinktiniai paskirstytojai gali padėti optimizuoti atminties pėdsaką.
• Didelio našumo skaičiavimas: Intensyvioms skaičiavimo užduotims atminties paskirstymo optimizavimas gali lemti didelį našumo padidėjimą.

Išvada

WebAssembly tiesinė atmintis suteikia galingą pagrindą kuriant didelio našumo žiniatinklio programas. Nors numatytieji atminties paskirstytojai tinka daugeliui naudojimo atvejų, pasirinktinių atminties paskirstytojų kūrimas atveria dar didesnį optimizavimo potencialą. Suprasdami tiesinės atminties savybes ir tyrinėdami skirtingas paskirstymo strategijas, kūrėjai gali pritaikyti atminties valdymą prie savo specifinių programos reikalavimų, pasiekdami geresnį našumą, sumažintą fragmentaciją ir didesnę atminties naudojimo kontrolę. WASM toliau tobulėjant, galimybė tiksliai suderinti atminties valdymą taps vis svarbesnė kuriant pažangiausias žiniatinklio patirtis.