WebAssembly lentelių operacijos: dinaminis funkcijų lentelės valdymas

WebAssembly (Wasm) tapo galinga technologija, skirta kurti didelio našumo programas, kurios gali veikti įvairiose platformose, įskaitant žiniatinklio naršykles ir savarankiškas aplinkas. Vienas iš pagrindinių WebAssembly komponentų yra lentelė – dinamiškas nepermatomų verčių masyvas, paprastai funkcijų nuorodų. Šiame straipsnyje pateikiama išsami WebAssembly lentelių apžvalga, ypatingą dėmesį skiriant dinaminiam funkcijų lentelės valdymui, lentelių operacijoms ir jų poveikiui našumui bei saugumui.

Kas yra WebAssembly lentelė?

WebAssembly lentelė iš esmės yra nuorodų masyvas. Šios nuorodos gali rodyti į funkcijas, taip pat ir į kitas Wasm reikšmes, priklausomai nuo lentelės elementų tipo. Lentelės skiriasi nuo WebAssembly tiesinės atminties. Kol tiesinė atmintis saugo neapdorotus baitus ir yra naudojama duomenims, lentelės saugo tipizuotas nuorodas, kurios dažnai naudojamos dinaminiam iškvietimui ir netiesioginiams funkcijų iškvietimams. Lentelės elemento tipas, apibrėžtas kompiliavimo metu, nurodo, kokios rūšies reikšmės gali būti saugomos lentelėje (pvz., funcref funkcijų nuorodoms, externref išorinėms nuorodoms į JavaScript reikšmes arba konkretus Wasm tipas, jei naudojami „nuorodų tipai“).

Įsivaizduokite lentelę kaip funkcijų rinkinio rodyklę. Užuot tiesiogiai iškvietę funkciją pagal jos pavadinimą, ją iškviečiate pagal jos indeksą lentelėje. Tai suteikia netiesioginį lygį, kuris įgalina dinaminį susiejimą ir leidžia kūrėjams modifikuoti WebAssembly modulių elgseną vykdymo metu.

Pagrindinės WebAssembly lentelių savybės:

• Dinaminis dydis: Lentelių dydį galima keisti vykdymo metu, leidžiant dinamiškai paskirstyti funkcijų nuorodas. Tai yra labai svarbu dinaminiam susiejimui ir lanksčiam funkcijų rodyklių valdymui.
• Tipizuoti elementai: Kiekviena lentelė yra susieta su konkrečiu elemento tipu, ribojančiu, kokios rūšies nuorodos gali būti joje saugomos. Tai užtikrina tipų saugumą ir apsaugo nuo nenumatytų funkcijų iškvietimų.
• Prieiga pagal indeksą: Prieiga prie lentelės elementų vykdoma naudojant skaitinius indeksus, o tai suteikia greitą ir efektyvų būdą surasti funkcijų nuorodas.
• Keičiamos (Mutable): Lenteles galima modifikuoti vykdymo metu. Galite pridėti, pašalinti arba pakeisti elementus lentelėje.

Funkcijų lentelės ir netiesioginiai funkcijų iškvietimai

Dažniausias WebAssembly lentelių naudojimo atvejis yra funkcijų nuorodoms (funcref). WebAssembly netiesioginiai funkcijų iškvietimai (iškvietimai, kurių tikslinė funkcija nėra žinoma kompiliavimo metu) atliekami per lentelę. Taip Wasm pasiekia dinaminį iškvietimą, panašų į virtualias funkcijas objektinio programavimo kalbose arba funkcijų rodykles tokiose kalbose kaip C ir C++.

Štai kaip tai veikia:

1. WebAssembly modulis apibrėžia funkcijų lentelę ir užpildo ją funkcijų nuorodomis.
2. Modulyje yra call_indirect instrukcija, kuri nurodo lentelės indeksą ir funkcijos signatūrą.
3. Vykdymo metu call_indirect instrukcija gauna funkcijos nuorodą iš lentelės nurodytu indeksu.
4. Gauta funkcija tada iškviečiama su pateiktais argumentais.

Funkcijos signatūra, nurodyta call_indirect instrukcijoje, yra labai svarbi tipų saugumui. WebAssembly vykdymo aplinka patikrina, ar lentelėje nurodyta funkcija turi tikėtiną signatūrą, prieš vykdydama iškvietimą. Tai padeda išvengti klaidų ir užtikrina, kad programa veiks kaip tikėtasi.

Pavyzdys: paprasta funkcijų lentelė

Apsvarstykite scenarijų, kai norite sukurti paprastą skaičiuotuvą naudojant WebAssembly. Galite apibrėžti funkcijų lentelę, kurioje saugomos nuorodos į skirtingas aritmetines operacijas:

  
  (module
    (table $functions 10 funcref)
    (func $add (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.add)
    (func $subtract (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.sub)
    (func $multiply (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.mul)
    (func $divide (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.div_s)

    (elem (i32.const 0) $add $subtract $multiply $divide)

    (func (export "calculate") (param $op i32) (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $op
      local.get $p1
      local.get $p2
      call_indirect (type $return_i32_i32_i32))

    (type $return_i32_i32_i32 (func (param i32 i32) (result i32)))
  )
  

Šiame pavyzdyje elem segmentas inicializuoja pirmuosius keturis lentelės $functions elementus nuorodomis į $add, $subtract, $multiply ir $divide funkcijas. Eksportuota funkcija calculate kaip įvestį gauna operacijos kodą $op kartu su dviem sveikųjų skaičių parametrais. Tada ji naudoja call_indirect instrukciją, kad iškviestų atitinkamą funkciją iš lentelės pagal operacijos kodą. type $return_i32_i32_i32 nurodo tikėtiną funkcijos signatūrą.

Kvietėjas pateikia indeksą ($op) į lentelę. Lentelė patikrinama, siekiant įsitikinti, kad nurodytame indekse yra tikėtino tipo ($return_i32_i32_i32) funkcija. Jei abu šie patikrinimai sėkmingi, iškviečiama funkcija, esanti tame indekse.

Dinaminis funkcijų lentelės valdymas

Dinaminis funkcijų lentelės valdymas reiškia galimybę keisti funkcijų lentelės turinį vykdymo metu. Tai įgalina įvairias pažangias funkcijas, tokias kaip:

• Dinaminis susiejimas: Naujų WebAssembly modulių įkėlimas ir susiejimas su esama programa vykdymo metu.
• Įskiepių architektūros: Įskiepių sistemų diegimas, kai naujas funkcionalumas gali būti pridedamas prie programos neperkompiliuojant pagrindinio kodo.
• Karštasis keitimas (Hot Swapping): Esamų funkcijų pakeitimas atnaujintomis versijomis, nenutraukiant programos vykdymo.
• Funkcijų vėliavėlės (Feature Flags): Tam tikrų funkcijų įjungimas arba išjungimas atsižvelgiant į vykdymo metu esančias sąlygas.

WebAssembly pateikia keletą instrukcijų lentelės elementams valdyti:

• table.get: Nuskaito elementą iš lentelės nurodytu indeksu.
• table.set: Įrašo elementą į lentelę nurodytu indeksu.
• table.grow: Padidina lentelės dydį nurodytu dydžiu.
• table.size: Grąžina esamą lentelės dydį.
• table.copy: Kopijuoja elementų diapazoną iš vienos lentelės į kitą.
• table.fill: Užpildo elementų diapazoną lentelėje nurodyta reikšme.

Pavyzdys: dinaminis funkcijos pridėjimas į lentelę

Išplėskime ankstesnį skaičiuotuvo pavyzdį ir dinamiškai pridėkime naują funkciją į lentelę. Tarkime, norime pridėti kvadratinės šaknies funkciją:

  
  (module
    (table $functions 10 funcref)
    (import "js" "sqrt" (func $js_sqrt (param i32) (result i32)))
    (func $add (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.add)
    (func $subtract (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.sub)
    (func $multiply (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.mul)
    (func $divide (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.div_s)
    (func $sqrt (param $p1 i32) (result i32)
        local.get $p1
        call $js_sqrt
    )

    (elem (i32.const 0) $add $subtract $multiply $divide)

    (func (export "add_sqrt")
        i32.const 4  ;; Index where to insert the sqrt function
        ref.func $sqrt ;; Push a reference to the $sqrt function
        table.set $functions
    )

    (func (export "calculate") (param $op i32) (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $op
      local.get $p1
      local.get $p2
      call_indirect (type $return_i32_i32_i32))

    (type $return_i32_i32_i32 (func (param i32 i32) (result i32)))
  )
  

Šiame pavyzdyje mes importuojame sqrt funkciją iš JavaScript. Tada apibrėžiame WebAssembly funkciją $sqrt, kuri apgaubia JavaScript importą. Funkcija add_sqrt tada įdeda $sqrt funkciją į kitą laisvą vietą (indeksas 4) lentelėje. Dabar, jei kvietėjas perduos '4' kaip pirmąjį argumentą calculate funkcijai, ji iškvies kvadratinės šaknies funkciją.

Svarbi pastaba: Čia mes importuojame sqrt iš JavaScript kaip pavyzdį. Realiuose scenarijuose geresniam našumui idealiai būtų naudojama WebAssembly kvadratinės šaknies implementacija.

Saugumo aspektai

WebAssembly lentelės kelia tam tikrų saugumo klausimų, kuriuos kūrėjai turėtų žinoti:

• Tipų painiava: Jei funkcijos signatūra, nurodyta call_indirect instrukcijoje, neatitinka faktinės lentelėje esančios funkcijos signatūros, tai gali sukelti tipų painiavos pažeidžiamumą. Wasm vykdymo aplinka tai sušvelnina atlikdama signatūros patikrinimą prieš iškviečiant funkciją iš lentelės.
• Prieiga už ribų (Out-of-Bounds Access): Prieiga prie lentelės elementų už jos ribų gali sukelti programos strigtis arba netikėtą elgseną. Visada įsitikinkite, kad lentelės indeksas yra galiojančiame diapazone. WebAssembly implementacijos paprastai išmes klaidą, jei įvyksta prieiga už ribų.
• Neinicializuoti lentelės elementai: Iškviečiant neinicializuotą elementą lentelėje gali atsirasti neapibrėžta elgsena. Prieš naudodami įsitikinkite, kad visos svarbios jūsų lentelės dalys buvo inicializuotos.
• Keičiamos globalios lentelės: Jei lentelės apibrėžiamos kaip globalūs kintamieji, kuriuos gali keisti keli moduliai, tai gali sukelti potencialių saugumo rizikų. Atsargiai valdykite prieigą prie globalių lentelių, kad išvengtumėte nenumatytų pakeitimų.

Norėdami sušvelninti šias rizikas, laikykitės šių geriausių praktikų:

• Tikrinkite lentelės indeksus: Visada patikrinkite lentelės indeksus prieš prieidami prie lentelės elementų, kad išvengtumėte prieigos už ribų.
• Naudokite tipams saugius funkcijų iškvietimus: Užtikrinkite, kad funkcijos signatūra, nurodyta call_indirect instrukcijoje, atitiktų faktinę lentelėje esančios funkcijos signatūrą.
• Inicializuokite lentelės elementus: Visada inicializuokite lentelės elementus prieš juos iškviesdami, kad išvengtumėte neapibrėžtos elgsenos.
• Apribokite prieigą prie globalių lentelių: Atsargiai valdykite prieigą prie globalių lentelių, kad išvengtumėte nenumatytų pakeitimų. Kai tik įmanoma, apsvarstykite galimybę naudoti lokalias lenteles vietoje globalių.
• Naudokitės WebAssembly saugumo funkcijomis: Pasinaudokite integruotomis WebAssembly saugumo funkcijomis, tokiomis kaip atminties saugumas ir valdymo srauto vientisumas, kad dar labiau sumažintumėte potencialias saugumo rizikas.

Našumo aspektai

Nors WebAssembly lentelės suteikia lankstų ir galingą mechanizmą dinaminiam funkcijų iškvietimui, jos taip pat kelia tam tikrų našumo klausimų:

• Netiesioginio funkcijos iškvietimo pridėtinės išlaidos: Netiesioginiai funkcijų iškvietimai per lentelę gali būti šiek tiek lėtesni nei tiesioginiai funkcijų iškvietimai dėl papildomo netiesioginio lygio.
• Lentelės prieigos delsa: Prieiga prie lentelės elementų gali sukelti tam tikrą delsą, ypač jei lentelė yra didelė arba saugoma nuotolinėje vietoje.
• Lentelės dydžio keitimo pridėtinės išlaidos: Lentelės dydžio keitimas gali būti gana brangi operacija, ypač jei lentelė yra didelė.

Norėdami optimizuoti našumą, apsvarstykite šiuos patarimus:

• Minimizuokite netiesioginius funkcijų iškvietimus: Kai tik įmanoma, naudokite tiesioginius funkcijų iškvietimus, kad išvengtumėte netiesioginių iškvietimų pridėtinių išlaidų.
• Kaupkite lentelės elementus (Cache): Jei dažnai naudojate tuos pačius lentelės elementus, apsvarstykite galimybę juos išsaugoti lokalūs kintamuosiuose, kad sumažintumėte lentelės prieigos delsą.
• Iš anksto paskirkite lentelės dydį: Jei iš anksto žinote apytikslį lentelės dydį, paskirkite jį iš anksto, kad išvengtumėte dažno dydžio keitimo.
• Naudokite efektyvias lentelių duomenų struktūras: Pasirinkite tinkamą lentelės duomenų struktūrą atsižvelgiant į jūsų programos poreikius. Pavyzdžiui, jei reikia dažnai įterpti ir šalinti elementus iš lentelės, apsvarstykite galimybę naudoti maišos lentelę (hash table) vietoj paprasto masyvo.
• Profiluokite savo kodą: Naudokite profiliavimo įrankius, kad nustatytumėte našumo problemas, susijusias su lentelių operacijomis, ir atitinkamai optimizuotumėte savo kodą.

Pažangesnės lentelių operacijos

Be pagrindinių lentelių operacijų, WebAssembly siūlo pažangesnes funkcijas lentelėms valdyti:

• table.copy: Efektyviai kopijuoja elementų diapazoną iš vienos lentelės į kitą. Tai naudinga kuriant funkcijų lentelių momentines kopijas arba perkeliant funkcijų nuorodas tarp lentelių.
• table.fill: Nustato elementų diapazoną lentelėje į konkrečią reikšmę. Naudinga inicializuojant lentelę arba atstatant jos turinį.
• Kelios lentelės: Wasm modulis gali apibrėžti ir naudoti kelias lenteles. Tai leidžia atskirti skirtingas funkcijų ar duomenų nuorodų kategorijas, potencialiai gerinant našumą ir saugumą apribojant kiekvienos lentelės aprėptį.

Naudojimo atvejai ir pavyzdžiai

WebAssembly lentelės naudojamos įvairiose programose, įskaitant:

• Žaidimų kūrimas: Dinaminės žaidimų logikos, tokios kaip dirbtinio intelekto elgsenos ir įvykių apdorojimo, diegimas. Pavyzdžiui, lentelėje galėtų būti saugomos nuorodos į skirtingas priešo DI funkcijas, kurias galima dinamiškai keisti atsižvelgiant į žaidimo būseną.
• Žiniatinklio karkasai (Web Frameworks): Dinaminių žiniatinklio karkasų, kurie gali įkelti ir vykdyti komponentus vykdymo metu, kūrimas. Į React panašios komponentų bibliotekos galėtų naudoti Wasm lenteles komponentų gyvavimo ciklo metodams valdyti.
• Serverio pusės programos: Įskiepių architektūrų diegimas serverio pusės programoms, leidžiantis kūrėjams išplėsti serverio funkcionalumą neperkompiliuojant pagrindinio kodo. Pagalvokite apie serverio programas, kurios leidžia dinamiškai įkelti plėtinius, tokius kaip vaizdo kodekai ar autentifikavimo moduliai.
• Įterptinės sistemos: Funkcijų rodyklių valdymas įterptinėse sistemose, įgalinantis dinaminį sistemos elgsenos perkonfigūravimą. Dėl mažo WebAssembly pėdsako ir deterministinio vykdymo jis idealiai tinka ribotų išteklių aplinkoms. Įsivaizduokite mikrovaldiklį, kuris dinamiškai keičia savo elgseną įkeldamas skirtingus Wasm modulius.

Realūs pavyzdžiai:

• Unity WebGL: Unity plačiai naudoja WebAssembly savo WebGL versijoms. Nors didžioji dalis pagrindinio funkcionalumo yra sukompiliuota AOT (iš anksto), dinaminis susiejimas ir įskiepių architektūros dažnai įgyvendinamos per Wasm lenteles.
• FFmpeg.wasm: Populiarus FFmpeg daugialypės terpės karkasas buvo perkeltas į WebAssembly. Jis naudoja lenteles skirtingiems kodekams ir filtrams valdyti, įgalindamas dinaminį medijos apdorojimo komponentų pasirinkimą ir įkėlimą.
• Įvairūs emuliatoriai: RetroArch ir kiti emuliatoriai naudoja Wasm lenteles dinaminiam iškvietimui tarp skirtingų sistemos komponentų (CPU, GPU, atminties ir kt.), leidžiant emuliuoti įvairias platformas.

Ateities kryptys

WebAssembly ekosistema nuolat vystosi, ir yra keletas vykstančių pastangų toliau tobulinti lentelių operacijas:

• Nuorodų tipai (Reference Types): Pasiūlymas „Reference Types“ įveda galimybę lentelėse saugoti bet kokias nuorodas, o ne tik funkcijų nuorodas. Tai atveria naujas galimybes valdyti duomenis ir objektus WebAssembly.
• Šiukšlių surinkimas (Garbage Collection): Pasiūlymas „Garbage Collection“ siekia integruoti šiukšlių surinkimą į WebAssembly, palengvinant atminties ir objektų valdymą Wasm moduliuose. Tikėtina, kad tai turės didelį poveikį lentelių naudojimui ir valdymui.
• Po-MVP funkcijos: Ateities WebAssembly funkcijos tikriausiai apims pažangesnes lentelių operacijas, tokias kaip atominiai lentelių atnaujinimai ir didesnių lentelių palaikymas.

Išvada

WebAssembly lentelės yra galinga ir universali funkcija, kuri įgalina dinaminį funkcijų iškvietimą, dinaminį susiejimą ir kitas pažangias galimybes. Suprasdami, kaip veikia lentelės ir kaip jas efektyviai valdyti, kūrėjai gali kurti didelio našumo, saugias ir lanksčias WebAssembly programas.

WebAssembly ekosistemai toliau tobulėjant, lentelės atliks vis svarbesnį vaidmenį įgalinant naujus ir įdomius naudojimo atvejus įvairiose platformose ir programose. Sekdami naujausius pokyčius ir geriausias praktikas, kūrėjai gali išnaudoti visą WebAssembly lentelių potencialą kurdami inovatyvius ir paveikius sprendimus.