WebAssembly WASI gijų modelis: išsami daugiagijės sąsajos dizaino analizė

WebAssembly (Wasm) sukėlė revoliuciją žiniatinklio kūrime, suteikdama nešiojamą, efektyvią ir saugią vykdymo aplinką. Jos gebėjimas vykdyti kodą beveik prilygstančiu greičiu naršyklėje ir kitose aplinkose padarė ją populiariu pasirinkimu įvairioms programoms. Tačiau iki šiol WebAssembly trūko standartizuoto gijų modelio, kuris ribojo jos galimybes pilnai išnaudoti šiuolaikinių daugiabranduolių procesorių potencialą. WebAssembly sistemos sąsaja (WASI) sprendžia šį apribojimą, pristatydama standartizuotą būdą pasiekti sistemos išteklius, įskaitant gijas, iš WebAssembly modulių. Šiame straipsnyje nagrinėjamas WASI gijų modelis, jo daugiagijės sąsajos dizainas, jo teikiami privalumai, keliami iššūkiai ir poveikis kelių platformų kūrimui.

WebAssembly ir WASI supratimas

Prieš gilinantis į WASI gijų modelio specifiką, svarbu suprasti pagrindines WebAssembly ir WASI sąvokas.

Kas yra WebAssembly?

WebAssembly (Wasm) yra dvejetainis instrukcijų formatas, sukurtas kaip nešiojamas kompiliavimo tikslas programavimo kalboms, leidžiantis diegti žiniatinklyje klientų ir serverių programas. Jis sukurtas veikti beveik prilygstančiu greičiu, pasinaudojant bendromis aparatinės įrangos galimybėmis, prieinamomis įvairiose platformose. Pagrindinės WebAssembly savybės apima:

• Nešiojamumas: WebAssembly moduliai gali veikti bet kurioje aplinkoje, kuri palaiko WebAssembly standartą, įskaitant interneto naršykles, serverio pusės vykdymo aplinkas ir įterptąsias sistemas.
• Našumas: WebAssembly sukurta dideliam našumui, leidžiančiam programoms veikti greičiu, prilygstančiu natyviam kodui.
• Saugumas: WebAssembly suteikia izoliuotą vykdymo aplinką (angl. sandboxed), neleidžiančią kenkėjiškam kodui pasiekti sistemos išteklių be aiškaus leidimo.
• Efektyvumas: WebAssembly moduliai paprastai yra mažesni nei lygiavertis JavaScript kodas, todėl greičiau atsisiunčiami ir paleidžiami.

Kas yra WASI?

WebAssembly sistemos sąsaja (WASI) yra modulinė sistemos sąsaja, skirta WebAssembly. Ji suteikia standartizuotą būdą WebAssembly moduliams pasiekti sistemos išteklius, tokius kaip failai, tinklo lizdai ir dabar – gijos. WASI siekia išspręsti WebAssembly ribotos prieigos prie pagrindinės aplinkos problemą, apibrėždama sistemos iškvietimų rinkinį, kurį WebAssembly moduliai gali naudoti sąveikai su išoriniu pasauliu. Pagrindiniai WASI aspektai apima:

• Standartizavimas: WASI suteikia standartizuotą sąsają sistemos ištekliams pasiekti, užtikrinant, kad WebAssembly moduliai galėtų nuosekliai veikti skirtingose platformose.
• Saugumas: WASI taiko galimybėmis pagrįstą saugumo modelį (angl. capability-based security model), leidžiantį programoms pasiekti tik tuos išteklius, kurių joms aiškiai reikia.
• Moduliškumas: WASI sukurta būti modulinė, leidžianti kūrėjams pasirinkti, kurių sistemos sąsajų reikia jų programoms, taip sumažinant bendrą WebAssembly modulio dydį ir sudėtingumą.
• Suderinamumas su įvairiomis platformomis: WASI siekia suteikti nuoseklią sąsają įvairiose operacinėse sistemose, palengvinant kelių platformų kūrimą.

Gijų modelio poreikis WebAssembly

Tradiciškai WebAssembly veikė vienos gijos aplinkoje. Nors šis modelis užtikrino paprastumą ir saugumą, jis ribojo galimybę pilnai išnaudoti šiuolaikinius daugiabranduolius procesorius. Daugelis programų, tokių kaip vaizdų apdorojimas, mokslinės simuliacijos ir žaidimų kūrimas, gali gauti didelės naudos iš lygiagretaus apdorojimo naudojant kelias gijas. Be standartizuoto gijų modelio, kūrėjai turėjo pasikliauti aplinkiniais sprendimais, tokiais kaip:

• Web Workers: Interneto naršyklėse „Web Workers“ gali būti naudojami užduotims perkelti į atskiras gijas. Tačiau šis metodas turi apribojimų, susijusių su komunikacija ir duomenų dalijimusi tarp pagrindinės gijos ir darbininkų.
• Asinchroninės operacijos: Asinchroninės operacijos gali pagerinti reakcijos laiką, tačiau jos nesuteikia tikro lygiagretaus apdorojimo.
• Individualūs sprendimai: Kūrėjai sukūrė individualius sprendimus konkrečioms platformoms, tačiau jiems trūksta standartizavimo ir nešiojamumo.

WASI gijų modelio pristatymas sprendžia šiuos apribojimus, suteikdamas standartizuotą ir efektyvų būdą kurti ir valdyti gijas WebAssembly moduliuose. Tai leidžia kūrėjams rašyti programas, kurios gali pilnai išnaudoti turimus aparatinės įrangos išteklius, todėl pagerėja našumas ir mastelio keitimas.

WASI gijų modelis: dizainas ir įgyvendinimas

WASI gijų modelis sukurtas suteikti žemo lygio sąsają gijoms kurti ir valdyti WebAssembly moduliuose. Jis remiasi esamu WASI API ir pristato naujus sistemos iškvietimus gijų kūrimui, sinchronizavimui ir komunikacijai. Pagrindiniai WASI gijų modelio komponentai apima:

Dalijamoji atmintis

Dalijamoji atmintis yra pagrindinė daugiagijio programavimo sąvoka. Ji leidžia kelioms gijoms pasiekti tą pačią atminties sritį, užtikrinant efektyvų duomenų dalijimąsi ir komunikaciją. WASI gijų modelis remiasi dalijamąja atmintimi, kad palengvintų komunikaciją tarp gijų. Tai reiškia, kad keli WebAssembly egzemplioriai gali pasiekti tą pačią linijinę atmintį, o tai leidžia gijoms šiuose egzemplioriuose dalytis duomenimis.

Dalijamosios atminties funkcija įgalinama per memory.atomic.enable pasiūlymą, kuris pristato naujas instrukcijas atominėms atminties operacijoms. Atominės operacijos užtikrina, kad atminties prieigos būtų sinchronizuotos, taip išvengiant lenktynių sąlygų ir duomenų sugadinimo. Atominių operacijų pavyzdžiai:

• Atominiai nuskaitymai ir įrašymai: Šios operacijos leidžia gijoms atomiškai nuskaityti ir įrašyti atminties vietas.
• Atominis palyginimas ir pakeitimas: Ši operacija leidžia gijai atomiškai palyginti atminties vietą su nurodyta reikšme ir, jei jos lygios, pakeisti reikšmę nauja.
• Atominis sudėjimas, atėmimas, And, Or, Xor: Šios operacijos leidžia gijoms atomiškai atlikti aritmetines ir bitų operacijas su atminties vietomis.

Atominių operacijų naudojimas yra labai svarbus siekiant užtikrinti daugiagijų programų teisingumą ir patikimumą.

Gijų kūrimas ir valdymas

WASI gijų modelis suteikia sistemos iškvietimus gijoms kurti ir valdyti. Šie sistemos iškvietimai leidžia WebAssembly moduliams kurti naujas gijas, nustatyti jų dėklo dydį ir pradėti jų vykdymą. Pagrindiniai sistemos iškvietimai gijų kūrimui ir valdymui apima:

• thread.spawn: Šis sistemos iškvietimas sukuria naują giją. Jis priima funkcijos rodyklę kaip argumentą, kuris nurodo naujos gijos įėjimo tašką.
• thread.exit: Šis sistemos iškvietimas nutraukia dabartinę giją.
• thread.join: Šis sistemos iškvietimas laukia, kol gija bus nutraukta. Jis priima gijos ID kaip argumentą ir blokuoja, kol nurodyta gija baigs darbą.
• thread.id: Šis sistemos iškvietimas grąžina dabartinės gijos ID.

Šie sistemos iškvietimai suteikia pagrindinį, bet būtiną įrankių rinkinį gijoms valdyti WebAssembly moduliuose.

Sinchronizavimo primityvai

Sinchronizavimo primityvai yra būtini norint koordinuoti kelių gijų vykdymą ir išvengti lenktynių sąlygų. WASI gijų modelis apima keletą sinchronizavimo primityvų, tokių kaip:

• Miuteksai: Miuteksai (abipusės išimties užraktai) naudojami apsaugoti bendrus išteklius nuo vienalaikės prieigos. Gija turi įgyti miuteksą prieš pasiekdama apsaugotą išteklių ir atleisti miuteksą, kai baigia. WASI gijų modelis suteikia sistemos iškvietimus miuteksams kurti, užrakinti ir atrakinti.
• Sąlygos kintamieji: Sąlygos kintamieji naudojami pranešti gijoms, kai tam tikra sąlyga tampa teisinga. Gija gali laukti sąlygos kintamojo, kol kita gija jį signalizuos. WASI gijų modelis suteikia sistemos iškvietimus sąlygos kintamiesiems kurti, laukti ir signalizuoti.
• Semaforai: Semaforai naudojami valdyti prieigą prie riboto skaičiaus išteklių. Semaforas palaiko skaitiklį, kuris atspindi galimų išteklių skaičių. Gijos gali sumažinti skaitiklį, kad įgytų išteklių, ir padidinti skaitiklį, kad atleistų išteklių. WASI gijų modelis suteikia sistemos iškvietimus semaforams kurti, laukti ir skelbti.

Šie sinchronizavimo primityvai leidžia kūrėjams rašyti sudėtingas daugiagijes programas, kurios gali saugiai ir efektyviai dalytis ištekliais.

Atominės operacijos

Kaip minėta anksčiau, atominės operacijos yra labai svarbios siekiant užtikrinti daugiagijų programų teisingumą. WASI gijų modelis remiasi memory.atomic.enable pasiūlymu, kad suteiktų atomines atminties operacijas. Šios operacijos leidžia gijoms atomiškai nuskaityti ir įrašyti atminties vietas, taip išvengiant lenktynių sąlygų ir duomenų sugadinimo.

WASI gijų modelio privalumai

WASI gijų modelis siūlo keletą reikšmingų privalumų WebAssembly kūrėjams:

• Pagerintas našumas: Įgalinant lygiagretų apdorojimą, WASI gijų modelis leidžia programoms pilnai išnaudoti šiuolaikinius daugiabranduolius procesorius, todėl pagerėja našumas ir mastelio keitimas.
• Standartizavimas: WASI gijų modelis suteikia standartizuotą būdą kurti ir valdyti gijas, užtikrinant, kad programos galėtų nuosekliai veikti skirtingose platformose.
• Nešiojamumas: WebAssembly moduliai, naudojantys WASI gijų modelį, gali būti lengvai perkeliami į skirtingas aplinkas, įskaitant interneto naršykles, serverio pusės vykdymo aplinkas ir įterptąsias sistemas.
• Supaprastintas kūrimas: WASI gijų modelis suteikia žemo lygio sąsają gijų valdymui, supaprastindamas daugiagijų programų kūrimą.
• Padidintas saugumas: WASI gijų modelis sukurtas atsižvelgiant į saugumą, taikant galimybėmis pagrįstą saugumo modelį ir suteikiant atomines operacijas, kad būtų išvengta lenktynių sąlygų.

WASI gijų modelio iššūkiai

Nors WASI gijų modelis siūlo daug privalumų, jis taip pat kelia keletą iššūkių:

• Sudėtingumas: Daugiagijis programavimas yra iš prigimties sudėtingas, reikalaujantis atidaus dėmesio sinchronizavimui ir duomenų dalijimuisi. Kūrėjai turi suprasti WASI gijų modelio subtilybes, kad galėtų rašyti teisingas ir efektyvias daugiagijes programas.
• Derinimas: Daugiagijų programų derinimas gali būti sudėtingas, nes lenktynių sąlygas ir aklavietes gali būti sunku atkurti ir diagnozuoti. Kūrėjai turi naudoti specializuotus derinimo įrankius, kad nustatytų ir ištaisytų šias problemas.
• Našumo pridėtinės išlaidos: Gijų kūrimas ir sinchronizavimas gali sukelti našumo pridėtines išlaidas, ypač jei nenaudojami protingai. Kūrėjai turi atidžiai optimizuoti savo daugiagijes programas, kad sumažintų šias išlaidas.
• Saugumo rizikos: Netinkamas dalijamosios atminties ir sinchronizavimo primityvų naudojimas gali sukelti saugumo rizikas, tokias kaip lenktynių sąlygos ir duomenų sugadinimas. Kūrėjai turi laikytis geriausių saugaus daugiagijio programavimo praktikų, kad sumažintų šias rizikas.
• Suderinamumas: WASI gijų modelis vis dar yra palyginti naujas, ir ne visos WebAssembly vykdymo aplinkos jį pilnai palaiko. Kūrėjai turi užtikrinti, kad jų tikslinė vykdymo aplinka palaiko WASI gijų modelį, prieš jį naudodami savo programose.

WASI gijų modelio naudojimo atvejai

WASI gijų modelis atveria naujas galimybes WebAssembly programoms įvairiose srityse. Kai kurie galimi naudojimo atvejai apima:

• Vaizdo ir vaizdo įrašų apdorojimas: Vaizdo ir vaizdo įrašų apdorojimo užduotys, tokios kaip kodavimas, dekodavimas ir filtravimas, gali būti lygiagretinamos naudojant kelias gijas, todėl pasiekiami reikšmingi našumo pagerėjimai.
• Mokslinės simuliacijos: Mokslinės simuliacijos, tokios kaip orų prognozavimas ir molekulinė dinamika, dažnai apima skaičiavimams intensyvias operacijas, kurias galima lygiagretinti naudojant kelias gijas.
• Žaidimų kūrimas: Žaidimų kūrimo užduotys, tokios kaip fizikos simuliacija, dirbtinio intelekto apdorojimas ir atvaizdavimas, gali gauti naudos iš lygiagretaus apdorojimo naudojant kelias gijas.
• Duomenų analizė: Duomenų analizės užduotys, tokios kaip duomenų gavyba ir mašininis mokymasis, gali būti paspartintos naudojant lygiagretų apdorojimą su keliomis gijomis.
• Serverio pusės programos: Serverio pusės programos, tokios kaip žiniatinklio serveriai ir duomenų bazių serveriai, gali apdoroti kelias vienu metu vykstančias užklausas naudojant kelias gijas.

Praktiniai pavyzdžiai

Norėdami iliustruoti WASI gijų modelio naudojimą, apsvarstykite paprastą pavyzdį, kaip apskaičiuoti masyvo sumą naudojant kelias gijas. Masyvas yra padalintas į dalis, ir kiekviena gija apskaičiuoja savo priskirtos dalies sumą. Galutinė suma tada apskaičiuojama sudedant dalines sumas iš kiekvienos gijos.

Štai koncepcinis kodo planas:

1. Inicijuoti dalijamąją atmintį: Paskirti dalijamosios atminties sritį, kurią galėtų pasiekti visos gijos.
2. Sukurti gijas: Sukurti kelias gijas naudojant thread.spawn. Kiekviena gija gauna apdoroti masyvo dalį.
3. Apskaičiuoti dalines sumas: Kiekviena gija apskaičiuoja savo priskirtos dalies sumą ir išsaugo rezultatą bendroje atminties vietoje.
4. Sinchronizavimas: Naudoti miuteksą apsaugoti bendrą atminties vietą, kurioje saugomos dalinės sumos. Naudoti sąlygos kintamąjį, kad praneštų, kai visos gijos baigs savo skaičiavimus.
5. Apskaičiuoti galutinę sumą: Kai visos gijos baigs darbą, pagrindinė gija nuskaito dalines sumas iš bendros atminties vietos ir apskaičiuoja galutinę sumą.

Nors tikrasis įgyvendinimas apima žemesnio lygio detales kalbose, tokiose kaip C/C++, kompiliuotose į WebAssembly, šis pavyzdys parodo, kaip galima kurti gijas, dalytis duomenimis ir pasiekti sinchronizavimą naudojant WASI gijas.

Kitas pavyzdys galėtų būti vaizdų apdorojimas. Įsivaizduokite, kad taikote filtrą dideliam vaizdui. Kiekviena gija galėtų būti atsakinga už filtro taikymą tam tikrai vaizdo daliai. Tai klasikinis trivialiai lygiagretaus skaičiavimo pavyzdys.

Poveikis kelių platformų kūrimui

WASI gijų modelis turi reikšmingą poveikį kelių platformų kūrimui. Suteikdamas standartizuotą būdą pasiekti gijas, jis leidžia kūrėjams rašyti programas, kurios gali nuosekliai veikti skirtingose platformose be pakeitimų. Tai sumažina pastangas, reikalingas programoms perkelti į skirtingas aplinkas, ir leidžia kūrėjams sutelkti dėmesį į pagrindinę savo programų logiką, o ne į platformai būdingas detales.

Tačiau svarbu pažymėti, kad WASI gijų modelis vis dar vystosi, ir ne visos platformos jį pilnai palaiko. Kūrėjai turi atidžiai išbandyti savo programas skirtingose platformose, kad užtikrintų, jog jos veikia teisingai. Be to, kūrėjai turi žinoti apie platformai būdingas našumo charakteristikas ir atitinkamai optimizuoti savo programas.

WASI gijų ateitis

WASI gijų modelis yra reikšmingas žingsnis į priekį WebAssembly kūrime. Tikimasi, kad modeliui bręstant ir plačiau prigyijant, jis turės didelį poveikį kelių platformų kūrimo ateičiai. Ateities pokyčiai gali apimti:

• Pagerintas našumas: Nuolatinės pastangos optimizuoti WASI gijų modelio našumą lems greitesnes ir efektyvesnes daugiagijes programas.
• Padidintas saugumas: Tolesni tyrimai ir plėtra bus skirti WASI gijų modelio saugumui didinti, mažinant galimas rizikas ir užtikrinant daugiagijų programų vientisumą.
• Išplėstas funkcionalumas: Ateities WASI gijų modelio versijos gali apimti papildomus sistemos iškvietimus ir sinchronizavimo primityvus, suteikiant kūrėjams daugiau įrankių sudėtingoms daugiagijėms programoms kurti.
• Platesnis pritaikymas: Kai WASI gijų modelį pradės plačiau palaikyti WebAssembly vykdymo aplinkos, jis taps vis patrauklesnis pasirinkimas kūrėjams, kuriantiems kelių platformų programas.

Išvada

WASI gijų modelis yra reikšmingas WebAssembly technologijos pasiekimas, leidžiantis kūrėjams išnaudoti daugiabranduolių procesorių galią įvairioms programoms. Suteikdamas standartizuotą, nešiojamą ir saugią gijų sąsają, WASI suteikia kūrėjams galimybę rašyti didelio našumo programas, kurios gali nuosekliai veikti įvairiose platformose. Nors išlieka iššūkių, susijusių su sudėtingumu, derinimu ir suderinamumu, WASI gijų modelio privalumai yra neabejotini. Modeliui toliau vystantis ir bręstant, jis žada atlikti vis svarbesnį vaidmenį WebAssembly kūrimo ir kelių platformų kompiuterijos ateityje. Šios technologijos pritaikymas leis kūrėjams visame pasaulyje kurti galingesnes ir efektyvesnes programas, peržengiant WebAssembly galimybių ribas.

Pasaulinis WebAssembly ir WASI poveikis turėtų augti, nes vis daugiau organizacijų ir kūrėjų priima šias technologijas. Nuo žiniatinklio programų našumo didinimo iki naujų serverio pusės ir įterptųjų programų įgalinimo, WebAssembly siūlo universalų ir efektyvų sprendimą įvairiems naudojimo atvejams. Bręstant WASI gijų modeliui, jis dar labiau atvers WebAssembly potencialą, atverdamas kelią našesnei, saugesnei ir nešiojamesnei programinės įrangos kūrimo ateičiai visame pasaulyje.