.wasm paslapčių atskleidimas: WebAssembly nestandartinių sekcijų gidas

WebAssembly (Wasm) iš esmės pakeitė mūsų požiūrį į didelio našumo kodą žiniatinklyje ir už jo ribų. Ji dažnai giriama kaip nešiojamas, efektyvus ir saugus kompiliavimo tikslas tokioms kalboms kaip C++, Rust ir Go. Tačiau Wasm modulis yra daugiau nei tik žemo lygio instrukcijų seka. WebAssembly binarinis formatas yra sudėtinga struktūra, sukurta ne tik vykdymui, bet ir išplėtimui. Šis išplėtimas pirmiausia pasiekiamas naudojant galingą, tačiau dažnai nepastebimą funkciją: nestandartines sekcijas.

Jei kada nors derinote C++ kodą naršyklės kūrėjo įrankiuose arba svarstėte, kaip Wasm failas žino, koks kompiliatorius jį sukūrė, jūs susidūrėte su nestandartinių sekcijų darbu. Jos yra skirta vieta metaduomenims, derinimo informacijai ir kitiems neesminiams duomenims, kurie praturtina kūrėjo patirtį ir įgalina visą įrankių ekosistemą. Šiame straipsnyje pateikiama išsami WebAssembly nestandartinių sekcijų analizė, kurioje nagrinėjama, kas jos yra, kodėl jos yra būtinos ir kaip galite jas panaudoti savo projektuose.

WebAssembly modulio anatomija

Prieš pradedant vertinti nestandartines sekcijas, pirmiausia turime suprasti pagrindinę .wasm binarinio failo struktūrą. Wasm modulis yra suskirstytas į aiškiai apibrėžtų „sekcijų“ seriją. Kiekviena sekcija turi konkretų tikslą ir yra identifikuojama skaitmeniniu ID.

WebAssembly specifikacija apibrėžia standartinių, arba „žinomų“, sekcijų rinkinį, kurio Wasm varikliui reikia kodui vykdyti. Tarp jų yra:

• Type (ID 1): Apibrėžia modulyje naudojamas funkcijų signatūras (parametrų ir grąžinimo tipus).
• Import (ID 2): Deklaruoja funkcijas, atminties sritis ar lenteles, kurias modulis importuoja iš savo priimančiosios aplinkos (pvz., JavaScript funkcijas).
• Function (ID 3): Susieja kiekvieną modulio funkciją su signatūra iš Type sekcijos.
• Table (ID 4): Apibrėžia lenteles, kurios pirmiausia naudojamos netiesioginiams funkcijų iškvietimams įgyvendinti.
• Memory (ID 5): Apibrėžia linijinę atmintį, kurią naudoja modulis.
• Global (ID 6): Deklaruoja modulio globalius kintamuosius.
• Export (ID 7): Padaro modulio funkcijas, atminties sritis, lenteles ar globalius kintamuosius prieinamus priimančiajai aplinkai.
• Start (ID 8): Nurodo funkciją, kuri turi būti automatiškai įvykdyta, kai modulis yra inicializuojamas.
• Element (ID 9): Inicializuoja lentelę su funkcijų nuorodomis.
• Code (ID 10): Turi faktinį vykdomąjį baitkodą kiekvienai modulio funkcijai.
• Data (ID 11): Inicializuoja linijinės atminties segmentus, dažnai naudojamus statiniams duomenims ir eilutėms.

Šios standartinės sekcijos yra bet kurio Wasm modulio pagrindas. Wasm variklis jas griežtai analizuoja, kad suprastų ir įvykdytų programą. Bet ką daryti, jei įrankių grandinei ar kalbai reikia saugoti papildomą informaciją, kuri nėra būtina vykdymui? Būtent čia į pagalbą ateina nestandartinės sekcijos.

Kas tiksliai yra nestandartinės sekcijos?

Nestandartinė sekcija yra bendrosios paskirties konteineris bet kokiems duomenims Wasm modulyje. Specifikacijoje ji apibrėžiama specialiu sekcijos ID 0. Struktūra yra paprasta, bet galinga:

1. Sekcijos ID: Visada 0, nurodantis, kad tai nestandartinė sekcija.
2. Sekcijos dydis: Bendras tolesnio turinio dydis baitais.
3. Pavadinimas: UTF-8 koduota eilutė, kuri identifikuoja nestandartinės sekcijos paskirtį (pvz., „name“, „.debug_info“).
4. Turinys: Baitų seka, kurioje yra faktiniai sekcijos duomenys.

Svarbiausia taisyklė apie nestandartines sekcijas yra ši: WebAssembly variklis, neatpažįstantis nestandartinės sekcijos pavadinimo, privalo ignoruoti jos turinį. Jis tiesiog praleidžia baitus, apibrėžtus sekcijos dydžiu. Šis elegantiškas dizaino sprendimas suteikia keletą esminių privalumų:

• Suderinamumas su ateities versijomis: Nauji įrankiai gali įvesti naujas nestandartines sekcijas, nesugadindami senesnių Wasm vykdymo aplinkų.
• Ekosistemos išplėtimas: Kalbų kūrėjai, įrankių kūrėjai ir paketų sudarytojai gali įterpti savo metaduomenis, nekeisdami pagrindinės Wasm specifikacijos.
• Atsiejimas: Vykdymo logika yra visiškai atsiejama nuo metaduomenų. Nestandartinių sekcijų buvimas ar nebuvimas neturi jokios įtakos programos veikimui vykdymo metu.

Galvokite apie nestandartines sekcijas kaip apie EXIF duomenų atitikmenį JPEG paveikslėlyje arba ID3 žymes MP3 faile. Jos suteikia vertingą kontekstą, bet nėra būtinos norint parodyti paveikslėlį ar paleisti muziką.

Dažnas naudojimo atvejis Nr. 1: „name“ sekcija, skirta žmogui suprantamam derinimui

Viena iš plačiausiai naudojamų nestandartinių sekcijų yra name sekcija. Pagal numatytuosius nustatymus, Wasm funkcijos, kintamieji ir kiti elementai yra nurodomi pagal jų skaitmeninį indeksą. Žiūrėdami į gryną Wasm disasemblį, galite pamatyti kažką panašaus į call $func42. Nors tai efektyvu mašinai, žmogui kūrėjui tai nėra naudinga.

name sekcija išsprendžia šią problemą, pateikdama atvaizdavimą iš indeksų į žmogui suprantamus eilučių pavadinimus. Tai leidžia tokiems įrankiams kaip disasembleratoriai ir derintuvai rodyti prasmingus identifikatorius iš originalaus pirminio kodo.

Pavyzdžiui, jei kompiliuojate C funkciją:

            int calculate_total(int items, int price) {
    return items * price;
}
            

              
                Copy
              
            
          

Kompiliatorius gali sugeneruoti name sekciją, kuri susieja vidinį funkcijos indeksą (pvz., 42) su eilute „calculate_total“. Ji taip pat gali pavadinti vietinius kintamuosius „items“ ir „price“. Kai tikrinsite Wasm modulį įrankyje, kuris palaiko šią sekciją, pamatysite daug informatyvesnį rezultatą, kuris padės derinti ir analizuoti.

„name“ sekcijos struktūra

Pati name sekcija yra toliau skirstoma į poskyrius, kurių kiekvienas identifikuojamas vienu baitu:

• Modulio pavadinimas (ID 0): Suteikia pavadinimą visam moduliui.
• Funkcijų pavadinimai (ID 1): Atvaizduoja funkcijų indeksus į jų pavadinimus.
• Vietinių kintamųjų pavadinimai (ID 2): Atvaizduoja vietinių kintamųjų indeksus kiekvienoje funkcijoje į jų pavadinimus.
• Žymių pavadinimai, tipų pavadinimai, lentelių pavadinimai ir t. t.: Egzistuoja ir kiti poskyriai, skirti pavadinti beveik kiekvieną Wasm modulio elementą.

name sekcija yra pirmas žingsnis geros kūrėjo patirties link, bet tai tik pradžia. Norint atlikti tikrą pirminio kodo lygio derinimą, mums reikia kažko daug galingesnio.

Derinimo galiūnas: DWARF nestandartinėse sekcijose

Wasm kūrimo šventasis Gralis yra pirminio kodo lygio derinimas: galimybė nustatyti lūžio taškus, tikrinti kintamuosius ir žingsnis po žingsnio eiti per savo originalų C++, Rust ar Go kodą tiesiogiai naršyklės kūrėjo įrankiuose. Ši magiška patirtis tampa įmanoma beveik vien dėl DWARF derinimo informacijos įterpimo į nestandartinių sekcijų seriją.

Kas yra DWARF?

DWARF (Debugging With Attributed Record Formats) yra standartizuotas, nuo kalbos nepriklausomas derinimo duomenų formatas. Tai tas pats formatas, kurį naudoja vietiniai kompiliatoriai, tokie kaip GCC ir Clang, kad įgalintų derintuvus, tokius kaip GDB ir LLDB. Jis yra neįtikėtinai turtingas ir gali užkoduoti didžiulį informacijos kiekį, įskaitant:

• Pirminio kodo atvaizdavimas: Tikslus kiekvienos WebAssembly instrukcijos atvaizdavimas į originalų pirminio kodo failą, eilutės numerį ir stulpelio numerį.
• Informacija apie kintamuosius: Vietinių ir globalių kintamųjų pavadinimai, tipai ir apimties sritys. Jis žino, kur kintamasis yra saugomas bet kuriuo kodo momentu (registre, steke ir t. t.).
• Tipų apibrėžimai: Išsamūs sudėtingų tipų, tokių kaip struktūros, klasės, išvardijimai ir unijos iš pirminės kalbos, aprašymai.
• Informacija apie funkcijas: Išsami informacija apie funkcijų signatūras, įskaitant parametrų pavadinimus ir tipus.
• Įterptųjų funkcijų atvaizdavimas: Informacija, leidžianti atkurti iškvietimų steką net tada, kai funkcijos buvo įterptos optimizatoriaus.

Kaip DWARF veikia su WebAssembly

Kompiliatoriai, tokie kaip Emscripten (naudojant Clang/LLVM) ir `rustc`, turi vėliavėlę (paprastai -g arba -g4), kuri nurodo jiems generuoti DWARF informaciją kartu su Wasm baitkodu. Tada įrankių grandinė paima šiuos DWARF duomenis, padalija juos į logines dalis ir kiekvieną dalį įterpia į atskirą nestandartinę sekciją .wasm faile. Pagal susitarimą, šios sekcijos pavadinamos pradedant tašku:

• .debug_info: Pagrindinė sekcija, turinti pirminius derinimo įrašus.
• .debug_abbrev: Turi sutrumpinimus, skirtus sumažinti .debug_info dydį.
• .debug_line: Eilučių numerių lentelė, skirta Wasm kodui atvaizduoti į pirminį kodą.
• .debug_str: Eilučių lentelė, kurią naudoja kitos DWARF sekcijos.
• .debug_ranges, .debug_loc ir daugelis kitų.

Kai įkeliate šį Wasm modulį į modernią naršyklę, tokią kaip Chrome ar Firefox, ir atidarote kūrėjo įrankius, DWARF analizatorius įrankiuose nuskaito šias nestandartines sekcijas. Jis atkuria visą informaciją, reikalingą, kad pateiktų jums originalaus pirminio kodo vaizdą, leidžiantį jį derinti taip, lyg jis veiktų natūraliai.

Tai yra esminis pokytis. Be DWARF nestandartinėse sekcijose, Wasm derinimas būtų skausmingas procesas, spoksant į neapdorotą atmintį ir neįskaitomą disasemblį. Su juo kūrimo ciklas tampa toks pat sklandus kaip derinant JavaScript.

Ne tik derinimas: kiti nestandartinių sekcijų naudojimo būdai

Nors derinimas yra pagrindinis naudojimo atvejis, nestandartinių sekcijų lankstumas lėmė jų pritaikymą įvairiems įrankių ir kalbai specifiniams poreikiams.

Įrankiams skirti metaduomenys: „producers“ sekcija

Dažnai naudinga žinoti, kokie įrankiai buvo naudojami kuriant konkretų Wasm modulį. Tam buvo sukurta producers sekcija. Joje saugoma informacija apie įrankių grandinę, pavyzdžiui, kompiliatorių, siejiklį ir jų versijas. Pavyzdžiui, producers sekcijoje gali būti:

• Kalba: „C++ 17“, „Rust 1.65.0“
• Apdorojo: „Clang 16.0.0“, „binaryen 111“
• SDK: „Emscripten 3.1.25“

Šie metaduomenys yra neįkainojami atkuriant kompiliavimo procesus, pranešant apie klaidas teisingiems įrankių grandinės autoriams ir automatizuotoms sistemoms, kurioms reikia suprasti Wasm binarinio failo kilmę.

Siejimas ir dinaminės bibliotekos

WebAssembly specifikacija savo pradinėje formoje neturėjo siejimo koncepcijos. Siekiant įgalinti statinių ir dinaminių bibliotekų kūrimą, buvo nustatytas susitarimas naudojant nestandartines sekcijas. linking nestandartinėje sekcijoje saugomi metaduomenys, reikalingi Wasm palaikančiam siejikliui (pvz., wasm-ld), kad išspręstų simbolius, tvarkytų perkėlimus ir valdytų bendrinamų bibliotekų priklausomybes. Tai leidžia dideles programas suskaidyti į mažesnius, valdomus modulius, kaip ir natyviame kūrime.

Kalbai specifinės vykdymo aplinkos

Kalbos su valdomomis vykdymo aplinkomis, tokios kaip Go, Swift ar Kotlin, dažnai reikalauja metaduomenų, kurie nėra pagrindinio Wasm modelio dalis. Pavyzdžiui, šiukšlių surinkėjui (GC) reikia žinoti duomenų struktūrų išdėstymą atmintyje, kad galėtų identifikuoti rodykles. Ši išdėstymo informacija gali būti saugoma nestandartinėje sekcijoje. Panašiai, tokios funkcijos kaip refleksija Go kalboje gali remtis nestandartinėmis sekcijomis, kad kompiliavimo metu saugotų tipų pavadinimus ir metaduomenis, kuriuos Go vykdymo aplinka Wasm modulyje gali nuskaityti vykdymo metu.

Ateitis: WebAssembly komponentų modelis

Viena iš įdomiausių ateities krypčių WebAssembly yra komponentų modelis. Šiuo pasiūlymu siekiama įgalinti tikrą, nuo kalbos nepriklausomą sąveiką tarp Wasm modulių. Įsivaizduokite Rust komponentą, sklandžiai kviečiantį Python komponentą, kuris savo ruožtu naudoja C++ komponentą, o tarp jų perduodami turtingi duomenų tipai.

Komponentų modelis labai remiasi nestandartinėmis sekcijomis, kad apibrėžtų aukšto lygio sąsajas, tipus ir pasaulius. Šie metaduomenys aprašo, kaip komponentai bendrauja, leidžiant įrankiams automatiškai generuoti reikiamą „klijų“ kodą. Tai puikus pavyzdys, kaip nestandartinės sekcijos suteikia pagrindą kurti sudėtingas naujas galimybes ant pagrindinio Wasm standarto.

Praktinis vadovas: nestandartinių sekcijų tikrinimas ir manipuliavimas

Suprasti nestandartines sekcijas yra puiku, bet kaip su jomis dirbti? Šiam tikslui yra keletas standartinių įrankių.

Būtiniausi įrankiai

• WABT (The WebAssembly Binary Toolkit): Šis įrankių rinkinys yra būtinas bet kuriam Wasm kūrėjui. Ypač naudinga yra wasm-objdump programa. Vykdant wasm-objdump -h your_module.wasm bus išvardintos visos modulio sekcijos, įskaitant nestandartines.
• Binaryen: Tai galinga Wasm kompiliatoriaus ir įrankių grandinės infrastruktūra. Ji apima wasm-strip, programą, skirtą pašalinti nestandartines sekcijas iš modulio.
• Dwarfdump: Standartinė programa (dažnai pakuojama su Clang/LLVM), skirta analizuoti ir spausdinti DWARF derinimo sekcijų turinį žmogui suprantamu formatu.

Darbo eigos pavyzdys: kompiliavimas, tikrinimas, išvalymas

Panagrinėkime įprastą kūrimo darbo eigą su paprastu C++ failu, main.cpp:

            #include 

int main() {
    std::cout << "Hello from WebAssembly!" << std::endl;
    return 0;
}
            

              
                Copy
              
            
          

1. Kompiliuokite su derinimo informacija: Mes naudojame Emscripten, kad sukompiliuotume tai į Wasm, naudodami -g vėliavėlę, kad įtrauktume DWARF derinimo informaciją.

emcc main.cpp -g -o main.wasm

2. Patikrinkite sekcijas: Dabar naudokime wasm-objdump, kad pamatytume, kas yra viduje.

wasm-objdump -h main.wasm

Išvestyje bus rodomos standartinės sekcijos (Type, Function, Code ir t. t.), taip pat ilgas nestandartinių sekcijų sąrašas, pvz., name, .debug_info, .debug_line ir pan. Atkreipkite dėmesį į failo dydį; jis bus žymiai didesnis nei versija be derinimo informacijos.

3. Išvalykite gamybinei versijai: Gamybinei versijai nenorime siųsti šio didelio failo su visa derinimo informacija. Mes naudojame wasm-strip, kad jį pašalintume.

wasm-strip main.wasm -o main.stripped.wasm

4. Patikrinkite dar kartą: Jei paleisite wasm-objdump -h main.stripped.wasm, pamatysite, kad visos nestandartinės sekcijos dingo. main.stripped.wasm failo dydis bus tik maža dalis originalo, todėl jį bus daug greičiau atsisiųsti ir įkelti.

Kompromisai: dydis, našumas ir patogumas

Nestandartinės sekcijos, ypač skirtos DWARF, turi vieną didelį kompromisą: failo dydį. Neretai DWARF duomenys būna 5-10 kartų didesni už patį Wasm kodą. Tai gali turėti didelės įtakos žiniatinklio programoms, kuriose atsisiuntimo laikas yra kritiškai svarbus.

Būtent todėl „išvalymo gamybinei versijai“ darbo eiga yra tokia svarbi. Geriausia praktika yra:

• Kūrimo metu: Naudokite versijas su visa DWARF informacija, kad gautumėte turtingą, pirminio kodo lygio derinimo patirtį.
• Gamybinėje versijoje: Pateikite vartotojams visiškai išvalytą Wasm binarinį failą, kad užtikrintumėte kuo mažesnį dydį ir greičiausią įkėlimo laiką.

Kai kurios pažangios sistemos netgi talpina derinimo versiją atskirame serveryje. Naršyklės kūrėjo įrankius galima sukonfigūruoti taip, kad jie atsisiųstų šį didesnį failą pagal pareikalavimą, kai kūrėjas nori derinti gamybinės versijos problemą, taip suteikiant geriausią iš abiejų pasaulių. Tai panašu į tai, kaip veikia šaltinio žemėlapiai (source maps) JavaScript.

Svarbu pažymėti, kad nestandartinės sekcijos praktiškai neturi jokios įtakos vykdymo našumui. Wasm variklis greitai jas identifikuoja pagal ID 0 ir tiesiog praleidžia jų turinį analizės metu. Kai modulis yra įkeltas, variklis nenaudoja nestandartinių sekcijų duomenų, todėl tai nelėtina jūsų kodo vykdymo.

Išvada

WebAssembly nestandartinės sekcijos yra išplečiamo binarinio formato dizaino meistriškumo pavyzdys. Jos suteikia standartizuotą, su ateities versijomis suderinamą mechanizmą, leidžiantį įterpti turtingus metaduomenis, nekomplikuojant pagrindinės specifikacijos ir nedarant įtakos vykdymo našumui. Jos yra nematomas variklis, maitinantis šiuolaikinę Wasm kūrėjo patirtį, paverčiantis derinimą iš paslaptingo meno į sklandų, produktyvų procesą.

Nuo paprastų funkcijų pavadinimų iki išsamios DWARF visatos ir komponentų modelio ateities, nestandartinės sekcijos yra tai, kas pakelia WebAssembly iš paprasto kompiliavimo tikslo į klestinčią, įrankiais paremtą ekosistemą. Kitą kartą, kai nustatysite lūžio tašką savo Rust kode, veikiančiame naršyklėje, skirkite akimirką įvertinti tylų, bet galingą nestandartinių sekcijų darbą, kuris tai padarė įmanoma.