WebAssembly kelių reikšmių ABI: funkcijų sąsajų optimizavimas našumui

WebAssembly (Wasm) tapo esmine technologija šiuolaikinėms žiniatinklio ir ne žiniatinklio programoms, siūlanti beveik prilygstantį našumą, saugumą ir perkeliamumą. Svarbus WebAssembly dizaino aspektas yra jo taikomosios programos dvejetainė sąsaja (ABI), kuri apibrėžia, kaip kviečiamos funkcijos ir keičiamasi duomenimis. Kelių reikšmių ABI įvedimas reiškia reikšmingą evoliuciją, leidžiančią funkcijoms tiesiogiai grąžinti kelias reikšmes, o tai lemia pastebimą našumo pagerėjimą ir supaprastintą kodo generavimą. Šiame straipsnyje pateikiama išsami WebAssembly kelių reikšmių ABI apžvalga, jo privalumai, naudojimo atvejai ir poveikis platesnei ekosistemai.

WebAssembly ABI supratimas

WebAssembly ABI apibrėžia funkcijų iškvietimo konvencijas, įskaitant tai, kaip perduodami argumentai, kaip tvarkomos grąžinamos reikšmės ir kaip valdoma atmintis. Iš pradžių WebAssembly funkcijos galėjo grąžinti tik vieną reikšmę. Šis apribojimas dažnai reikalavo ieškoti sprendimų, pavyzdžiui, grąžinti rodyklę į struktūrą, kurioje yra kelios reikšmės, arba naudoti išvesties parametrus, perduodamus per nuorodą. Šie metodai sukėlė papildomų išlaidų dėl atminties paskirstymo, netiesioginio adresavimo ir padidėjusio kodo generavimo sudėtingumo.

Vienos reikšmės apribojimas

Prieš kelių reikšmių pasiūlymą, apsvarstykite scenarijų, kai funkcija turi grąžinti ir rezultatą, ir klaidos kodą. Tokiose kalbose kaip C ar C++, tai galėtų būti sprendžiama grąžinant struktūrą:

            
struct Result {
  int value;
  int error_code;
};

struct Result my_function() {
  // ... computation ...
  struct Result result;
  result.value = ...;
  result.error_code = ...;
  return result;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Kompiliuojant į WebAssembly, tai virstų atminties skyrimu `Result` struktūrai Wasm linijinėje atmintyje, laukų užpildymu ir rodyklės grąžinimu į šią atminties vietą. Iškviečianti funkcija tada turėtų išreferentuoti šią rodyklę, kad pasiektų atskiras reikšmes. Šis procesas apima papildomas atminties operacijas ir rodyklių valdymą, didinant vykdymo laiką ir kodo dydį.

Kelių reikšmių revoliucija

Kelių reikšmių pasiūlymas pašalina šį apribojimą, leisdamas WebAssembly funkcijoms tiesiogiai grąžinti kelias reikšmes. Tai pašalina tarpinių atminties paskirstymų ir rodyklių manipuliacijų poreikį, todėl kodo generavimas tampa efektyvesnis, o vykdymas greitesnis.

Kelių reikšmių ABI privalumai

• Našumo pagerinimas: Pašalinus atminties paskirstymą ir rodyklių išreferentavimą, kelių reikšmių ABI sumažina papildomas išlaidas, todėl vykdymas tampa greitesnis, ypač funkcijoms, kurios dažnai grąžina kelias reikšmes.
• Supaprastintas kodo generavimas: Kompiliatoriai gali tiesiogiai susieti kelias grąžinamas reikšmes su WebAssembly kelių reikšmių instrukcijomis, supaprastindami kodo generavimo procesą ir sumažindami kompiliatoriaus sudėtingumą.
• Pagerintas kodo aiškumas: Kelių reikšmių funkcijos daro kodą lengviau skaitomą ir suprantamą, nes ketinimas grąžinti kelias susijusias reikšmes yra aiškesnis.
• Patobulintas sąveikumas: Kelių reikšmių ABI palengvina sklandų sąveikumą tarp WebAssembly modulių ir kitų kalbų, nes jis labiau atitinka kalbų, kurios natūraliai palaiko kelių reikšmių grąžinimą (pvz., Go, Rust, Python), semantiką.

Praktiniai pavyzdžiai ir naudojimo atvejai

Kelių reikšmių ABI yra naudingas įvairiose srityse. Panagrinėkime keletą praktinių pavyzdžių:

1. Klaidų apdorojimas

Kaip minėta anksčiau, rezultato ir klaidos kodo grąžinimas yra dažnas modelis. Su kelių reikšmių ABI tai galima išreikšti tiesiogiai:

            
;; WebAssembly function returning (result:i32, error_code:i32)
(func $my_function (result i32 i32)
  ;; ... computation ...
  (i32.const 42)
  (i32.const 0)  ;; 0 indicates success
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

Tai leidžia išvengti papildomų išlaidų, susijusių su struktūros paskirstymu ir rodyklės perdavimu. Iškviečianti funkcija gali tiesiogiai pasiekti rezultatą ir klaidos kodą:

            
(func $caller
  (local $result i32)
  (local $error_code i32)
  (call $my_function)
  (local.set $result (result 0))
  (local.set $error_code (result 1))
  ;; ... use $result and $error_code ...
)

            

              
                Copy
              
            
          

2. Sudėtingos duomenų struktūros ir rinkiniai (tuples)

Funkcijos, kurios turi grąžinti kelias susijusias reikšmes, pavyzdžiui, koordinates (x, y, z) arba statistines suvestines (vidurkį, standartinį nuokrypį), gali pasinaudoti kelių reikšmių ABI privalumais. Apsvarstykite funkciją, kuri apskaičiuoja taškų rinkinio ribojantįjį rėmelį (angl. bounding box):

            
;; WebAssembly function returning (min_x:f64, min_y:f64, max_x:f64, max_y:f64)
(func $bounding_box (param $points i32) (result f64 f64 f64 f64)
  ;; ... computation ...
  (f64.const 10.0)
  (f64.const 20.0)
  (f64.const 30.0)
  (f64.const 40.0)
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

Tai pašalina poreikį kurti pasirinktinę struktūrą, skirtą laikyti ribojančiojo rėmelio koordinates.

3. Kompiliatoriaus išvesties optimizavimas

Kompiliatoriai gali pasinaudoti kelių reikšmių ABI, kad sukurtų efektyvesnį WebAssembly kodą. Pavyzdžiui, apsvarstykite funkciją, kuri atlieka dalybą ir grąžina tiek dalmenį, tiek liekaną. Kalbos, tokios kaip C, dažnai tam naudoja vidines kompiliatoriaus funkcijas (intrinsics) arba bibliotekų funkcijas. Su kelių reikšmių ABI, kompiliatorius gali tiesiogiai susieti dalmenį ir liekaną su atskiromis grąžinamomis reikšmėmis:

            
;; WebAssembly function returning (quotient:i32, remainder:i32)
(func $div_rem (param $a i32) (param $b i32) (result i32 i32)
  (local $quotient i32)
  (local $remainder i32)
  ;; ... division and remainder calculation ...
  (i32.div_s (get_local $a) (get_local $b))
  (i32.rem_s (get_local $a) (get_local $b))
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

4. Žaidimų kūrimas ir multimedija

Žaidimų kūrime dažnai pasitaiko funkcijų, kurios grąžina kelias informacijos dalis, pavyzdžiui, žaidimo objektų poziciją, greitį ir pagreitį. Panašiai, multimedijos programoms gali prireikti funkcijų, kurios grąžina kelis garso ar vaizdo pavyzdžius. Kelių reikšmių ABI gali žymiai pagerinti šių funkcijų našumą.

Pavyzdžiui, funkcija, kuri apskaičiuoja spindulio ir trikampio susikirtimą, gali grąžinti loginę reikšmę, nurodančią, ar susikirtimas įvyko, kartu su susikirtimo taško koordinatėmis. Grąžinti šias reikšmes kaip atskirus vienetus yra efektyviau nei supakuoti jas į struktūrą.

Įgyvendinimas ir įrankių palaikymas

Kelių reikšmių ABI palaikymas buvo integruotas į pagrindines WebAssembly įrankių grandines ir vykdymo aplinkas, įskaitant:

• Kompiliatoriai: LLVM, Emscripten, Binaryen ir kiti kompiliatoriai buvo atnaujinti, kad palaikytų WebAssembly kodo, kuris naudoja kelių reikšmių ABI, generavimą.
• Vykdymo aplinkos: Pagrindinės interneto naršyklės (Chrome, Firefox, Safari, Edge) ir atskiros WebAssembly vykdymo aplinkos (Wasmtime, Wasmer) palaiko kelių reikšmių ABI.
• Kūrimo įrankiai: Derinimo programos, disassembleriai ir kiti kūrimo įrankiai buvo atnaujinti, kad galėtų apdoroti kelių reikšmių funkcijas.

Norėdami pasinaudoti kelių reikšmių ABI privalumais, kūrėjai turi užtikrinti, kad jų įrankių grandinė ir vykdymo aplinka jį palaiko. Paprastai tai reiškia naujausių kompiliatorių ir vykdymo aplinkų versijų naudojimą ir atitinkamų vėliavėlių ar nustatymų įjungimą.

Pavyzdys: Emscripten naudojimas

Kompiliuojant C/C++ kodą į WebAssembly naudojant Emscripten, galite įjungti kelių reikšmių ABI, perduodami `-s SUPPORT_MULTIVALUE=1` vėliavėlę `emcc` komandai:

            
emcc -s SUPPORT_MULTIVALUE=1 my_code.c -o my_module.js

            

              
                Copy
              
            
          

Tai nurodys Emscripten generuoti WebAssembly kodą, kuris, kai tik įmanoma, naudos kelių reikšmių ABI. Atkreipkite dėmesį, kad Emscripten sugeneruotas Javascript „klijų“ kodas taip pat turės būti atnaujintas, kad galėtų apdoroti kelių reikšmių grąžinimus. Paprastai tai skaidriai tvarko atnaujinta Emscripten įrankių grandinė.

Našumo aspektai ir lyginamoji analizė

Kelių reikšmių ABI našumo privalumai gali skirtis priklausomai nuo konkretaus naudojimo atvejo ir kodo savybių. Funkcijos, kurios dažnai grąžina kelias reikšmes, greičiausiai pamatys didžiausius patobulinimus. Svarbu atlikti lyginamąją kodo analizę su ir be kelių reikšmių ABI, kad būtų galima kiekybiškai įvertinti realų našumo padidėjimą.

Veiksniai, galintys paveikti našumą, apima:

• Kelių reikšmių grąžinimo dažnumas: Kuo dažniau funkcija grąžina kelias reikšmes, tuo didesnė galima nauda.
• Grąžinamų reikšmių dydis: Didelių duomenų struktūrų grąžinimas kaip kelių reikšmių gali turėti skirtingas našumo charakteristikas, palyginti su skaliarinių reikšmių grąžinimu.
• Kompiliatoriaus optimizavimas: Kompiliatoriaus kodo generavimo kokybė gali ženkliai paveikti našumą.
• Vykdymo aplinkos įgyvendinimas: WebAssembly vykdymo aplinkos kelių reikšmių apdorojimo efektyvumas taip pat gali turėti įtakos našumui.

Lyginamoji analizė turėtų būti atliekama su realistiškomis darbo apkrovomis ir skirtingose WebAssembly vykdymo aplinkose, siekiant gauti išsamų našumo poveikio supratimą.

Pavyzdys: našumo palyginimas

Apsvarstykite paprastą funkciją, kuri apskaičiuoja dviejų skaičių sumą ir sandaugą:

            
int calculate(int a, int b, int *sum, int *product) {
  *sum = a + b;
  *product = a * b;
  return 0; // Success
}

            

              
                Copy
              
            
          

Be kelių reikšmių, tai reikalautų perduoti rodykles į `sum` ir `product`. Su kelių reikšmių funkcija galėtų būti perrašyta, kad tiesiogiai grąžintų sumą ir sandaugą:

            
// C++ - Needs appropriate compiler flags to return two values from C++.
std::tuple<int, int> calculate(int a, int b) {
  return std::make_tuple(a + b, a * b);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Lyginant abi versijas, tikėtina, kad kelių reikšmių versija parodytų našumo pagerėjimą, ypač jei ši funkcija kviečiama dažnai.

Iššūkiai ir aspektai

Nors kelių reikšmių ABI siūlo didelių privalumų, yra keletas iššūkių ir aspektų, į kuriuos reikia atsižvelgti:

• Įrankių grandinės palaikymas: Įsitikinkite, kad jūsų kompiliatorius, vykdymo aplinka ir kūrimo įrankiai visiškai palaiko kelių reikšmių ABI.
• Sąveikumas su JavaScript: Sąveikaujant su WebAssembly moduliais iš JavaScript, reikia atidžiai tvarkyti kelių reikšmių grąžinimus. JavaScript API turi būti atnaujinta, kad tinkamai išgautų kelias reikšmes. Naujesnės WebAssembly sąsajų tipų (arba „wit“) versijos yra sukurtos spręsti sąveikumo ir tipų konvertavimo iššūkius.
• Kodo perkeliamumas: Nors WebAssembly yra sukurtas būti perkeliamu, kodo, kuris remiasi kelių reikšmių ABI, elgsena gali šiek tiek skirtis skirtingose vykdymo aplinkose. Rekomenduojama atlikti išsamų testavimą.
• Derinimas: Kelių reikšmių funkcijų derinimas gali būti sudėtingesnis nei vienos reikšmės funkcijų derinimas. Įsitikinkite, kad jūsų derinimo programa palaiko kelių grąžinamų reikšmių tikrinimą.

WebAssembly ABI ateitis

Kelių reikšmių ABI yra svarbus žingsnis WebAssembly evoliucijoje. Ateities pokyčiai gali apimti:

• Patobulintas sudėtingų duomenų tipų palaikymas: Kelių reikšmių ABI išplėtimas, kad palaikytų sudėtingesnius duomenų tipus, tokius kaip struktūros ir masyvai, galėtų dar labiau pagerinti našumą ir supaprastinti kodo generavimą.
• Standartizuoti sąveikumo mechanizmai: Standartizuotų mechanizmų kūrimas sąveikai su WebAssembly moduliais iš kitų kalbų galėtų sumažinti tarpkalbinio kūrimo sudėtingumą.
• Pažangios optimizavimo technikos: Pažangių optimizavimo technikų, kurios išnaudoja kelių reikšmių ABI, tyrimas galėtų lemti dar didesnį našumo padidėjimą.

Išvada

WebAssembly kelių reikšmių ABI yra galinga funkcija, leidžianti optimizuoti funkcijų sąsajas, o tai lemia našumo pagerėjimą, supaprastintą kodo generavimą ir patobulintą sąveikumą. Leisdama funkcijoms tiesiogiai grąžinti kelias reikšmes, ji pašalina papildomas išlaidas, susijusias su atminties paskirstymu ir rodyklių manipuliavimu. Kadangi WebAssembly ir toliau vystosi, kelių reikšmių ABI vaidins vis svarbesnį vaidmenį kuriant aukšto našumo žiniatinklio ir ne žiniatinklio programas. Kūrėjai skatinami ištirti kelių reikšmių ABI privalumus ir įtraukti jį į savo WebAssembly kūrimo darbo eigas.

Naudodamiesi kelių reikšmių ABI, kūrėjai visame pasaulyje gali kurti efektyvesnes, našesnes ir lengviau prižiūrimas WebAssembly programas, peržengdami galimybių ribas žiniatinklyje ir už jo ribų.