WebAssembly ir JavaScript integracija: didelio našumo skaičiavimo taikymai įvairiose pramonės šakose

WebAssembly (WASM) tapo transformuojančia technologija, iš esmės keičiančia požiūrį į didelio našumo skaičiavimą (HPC) saityno programose ir už jų ribų. Suteikdamas beveik natūvią vykdymo aplinką naršyklėse ir kitose aplinkose, WASM įveikia našumo apribojimus, tradiciškai siejamus su JavaScript. Tai atveria daugybę galimybių kurti sudėtingas ir skaičiavimams imlias programas tiesiogiai naršyklėje, taip išplečiant HPC pasiekiamumą įvairioms pramonės šakoms ir vartotojų bazėms visame pasaulyje.

Supraskime WebAssembly

Kas yra WebAssembly?

WebAssembly yra dvejetainis instrukcijų formatas, skirtas stekinei virtualiai mašinai. Jis sukurtas kaip nešiojamas kompiliavimo taikinys aukšto lygio kalboms, tokioms kaip C, C++, Rust ir kitoms, leidžiant šioms kalboms veikti saityne beveik natūviu greičiu. WASM nėra skirtas pakeisti JavaScript, o jį papildyti, leidžiant kūrėjams pasinaudoti abiejų technologijų stiprybėmis.

Pagrindinės savybės ir privalumai

• Beveik natūvus našumas: WASM kodas vykdomas žymiai greičiau nei JavaScript kodas, dažnai pasiekiant našumo lygius, panašius į natūvių programų.
• Perkeliamumas: WASM moduliai yra sukurti taip, kad būtų nepriklausomi nuo platformos, o tai reiškia, kad jie gali veikti bet kurioje sistemoje, palaikančioje WebAssembly vykdymo aplinką. Tai idealiai tinka kelių platformų kūrimui.
• Saugumas: WASM veikia izoliuotoje aplinkoje („sandboxed“), suteikdamas saugų vykdymo kontekstą, kuris apsaugo pagrindinę sistemą nuo kenksmingo kodo.
• Efektyvumas: WASM kodas yra labai kompaktiškas, todėl failų dydžiai yra mažesni, o atsisiuntimo laikas trumpesnis, palyginti su lygiaverčiu JavaScript kodu.
• Integracija su JavaScript: WASM sklandžiai integruojasi su JavaScript, leisdamas kūrėjams naudoti esamas JavaScript bibliotekas ir karkasus, o našumui kritiškas užduotis perkelti į WASM.

JavaScript ir WebAssembly: galingas derinys

Sąveikumas

JavaScript ir WebAssembly integracija yra pagrindinis WASM sėkmės aspektas. JavaScript veikia kaip klijai, jungiantys WASM modulius su saityno aplinka. Kūrėjai gali naudoti JavaScript norėdami įkelti, inicijuoti ir sąveikauti su WASM moduliais, perduodami duomenis tarp jų. Šis sąveikumas leidžia kūrėjams palaipsniui įdiegti WASM savo esamuose JavaScript projektuose, nereikalaujant visiško perrašymo.

JavaScript ir WebAssembly integracijos panaudojimo atvejai

• Skaičiavimams imlių užduočių perkėlimas: Perkelkite našumui kritiškas funkcijas, tokias kaip vaizdų apdorojimas, vaizdo įrašų kodavimas/dekodavimas ir sudėtingi skaičiavimai, į WASM, o JavaScript naudokite vartotojo sąsajos atvaizdavimui ir įvykių tvarkymui.
• Esamo natūvaus kodo panaudojimas: Kompiliuokite esamas C, C++ ar Rust kodų bazes į WASM, leisdami pakartotinai naudoti esamą funkcionalumą ir patirtį saityno programose.
• Saityno programų našumo gerinimas: Sumažinkite pagrindinės JavaScript gijos apkrovą perkeliant skaičiavimams brangias operacijas į WASM, taip užtikrinant sklandesnę ir jautresnę vartotojo patirtį.

Pavyzdys: vaizdų apdorojimas naudojant JavaScript ir WebAssembly

Apsvarstykime vaizdų redagavimo programą, kuriai reikia atlikti sudėtingas vaizdų filtravimo operacijas. Skaičiavimams imlūs filtravimo algoritmai gali būti įgyvendinti C++ kalba ir sukompiliuoti į WASM. Tada JavaScript kodas gali įkelti WASM modulį ir iškviesti jo funkcijas, kad apdorotų vaizdo duomenis. Šis metodas žymiai pagerina filtravimo operacijų našumą, palyginti su jų įgyvendinimu tiesiogiai JavaScript.

Kodo fragmento pavyzdys (konceptualus):

// JavaScript async function processImage(imageData) { const wasmModule = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('image_filter.wasm')); const filterFunction = wasmModule.instance.exports.applyFilter; const processedImageData = filterFunction(imageData); return processedImageData; } // C++ (supaprastinta) extern "C" { unsigned char* applyFilter(unsigned char* imageData, int width, int height) { // Vaizdo filtravimo logika return processedImageData; } }

WebAssembly taikymai didelio našumo skaičiavimuose

Moksliniai skaičiavimai

WebAssembly vis plačiau naudojamas moksliniuose skaičiavimuose, kur našumas yra kritiškai svarbus tokioms užduotims kaip duomenų analizė, simuliacijos ir vizualizacijos. Tyrėjai ir mokslininkai dabar gali pasinaudoti WASM galia atlikti sudėtingus skaičiavimus tiesiogiai naršyklėje, taip padarant savo įrankius ir rezultatus prieinamesnius platesnei auditorijai visame pasaulyje.

• Molekulinės dinamikos simuliacijos: Molekulinės dinamikos simuliacijų vykdymas naršyklėje naudojant WASM gali žymiai paspartinti procesą ir leisti tyrėjams efektyviau tyrinėti molekulines sąveikas.
• Duomenų vizualizacija: WASM gali pagreitinti didelių duomenų rinkinių atvaizdavimą, leisdamas interaktyviai tyrinėti ir vizualizuoti duomenis saityno programose.
• Matematinis modeliavimas: Sudėtingų matematinių modelių įgyvendinimas WASM leidžia tyrėjams atlikti skaičiavimus ir simuliacijas tiesiogiai naršyklės aplinkoje, todėl jų darbas tampa prieinamesnis ir labiau pritaikytas bendradarbiavimui. Pavyzdžiui, modeliuojant klimato kaitą ar epidemiologinius modelius.

Žaidimų kūrimas

Žaidimų kūrimas yra dar viena sritis, kurioje WebAssembly daro didelį poveikį. Kompiliuodami žaidimų variklius ir žaidimų logiką į WASM, kūrėjai gali kurti didelio našumo saityno žaidimus, kurie konkuruoja su natūvių žaidimų našumu. Tai atveria naujas galimybes platinti žaidimus įvairiose platformose ir įrenginiuose, nereikalaujant, kad vartotojai diegtų natūvias programas.

• Esamų žaidimų perkėlimas į saityną: Esami žaidimų varikliai ir žaidimai, parašyti C++ ar kitomis kalbomis, gali būti lengvai perkelti į saityną naudojant WASM, leidžiant kūrėjams pasiekti platesnę auditoriją.
• Didelio našumo saityno žaidimų kūrimas: WASM leidžia kurti sudėtingus ir vizualiai stulbinančius saityno žaidimus, kurie anksčiau buvo neįmanomi dėl JavaScript našumo apribojimų. Populiarūs žaidimų varikliai, tokie kaip Unity ir Unreal Engine, palaiko WebAssembly kompiliavimą.
• Kelių platformų žaidimų kūrimas: WASM leidžia kūrėjams kurti žaidimus, kurie gali veikti keliose platformose, įskaitant naršykles, mobiliuosius įrenginius ir stacionarius kompiuterius, iš vienos kodo bazės.

Vaizdų ir vaizdo įrašų apdorojimas

WebAssembly puikiai tinka vaizdų ir vaizdo įrašų apdorojimo programoms, kur našumas yra kritiškai svarbus tokioms užduotims kaip vaizdų filtravimas, vaizdo įrašų kodavimas/dekodavimas ir kompiuterinė rega. Perkeliant šias skaičiavimams imlias užduotis į WASM, kūrėjai gali kurti saityno vaizdų ir vaizdo įrašų redagavimo įrankius, kurie siūlo beveik natūvų našumą ir jautrumą.

• Vaizdų redagavimo programos: WASM gali žymiai pagerinti vaizdų redagavimo programų našumą, leisdamas vartotojams taikyti sudėtingus filtrus ir transformacijas realiuoju laiku.
• Vaizdo įrašų kodavimas/dekodavimas: Vaizdo kodekų įgyvendinimas WASM leidžia saityno vaizdo grotuvams ir redaktoriams palaikyti platesnį vaizdo formatų ir raiškų spektrą.
• Kompiuterinės regos taikymai: WASM gali pagreitinti kompiuterinės regos užduotis, tokias kaip objektų aptikimas, veidų atpažinimas ir vaizdų klasifikavimas saityno programose. Pavyzdžiui, įgyvendinant TensorFlow.js su WASM posisteme.

Kiti taikymai

• Debesų kompiuterija: WASM naudojamas beserverėse skaičiavimo aplinkose, siekiant suteikti efektyvesnį ir saugesnį kodo vykdymo būdą. WASM modulius galima lengvai įdiegti ir vykdyti debesyje, siūlant lengvą ir nešiojamą alternatyvą tradiciniams konteineriams.
• Blokų grandinės technologija: WASM taip pat naudojamas blokų grandinės technologijoje išmaniųjų sutarčių vykdymui. Deterministinis WASM pobūdis ir saugi vykdymo aplinka daro jį tinkamu pasirinkimu vykdant išmaniąsias sutartis blokų grandinės tinkluose.
• Mašininis mokymasis: Nors vis dar vystosi, WASM naudojimas mašininiame mokymesi auga, ypač kraštinėje kompiuterijoje („edge computing“), kur modelius reikia vykdyti įrenginiuose su ribotais ištekliais. TensorFlow.js palaiko WASM posistemę geresniam našumui.
• CAD/CAM programinė įranga: Sudėtingos CAD (kompiuterizuoto projektavimo) ir CAM (kompiuterizuotos gamybos) programinės įrangos vykdymas naršyklėse tampa įmanomas su WASM, leidžiant inžinieriams ir dizaineriams naudotis galingais įrankiais be vietinių diegimų. Tai ypač naudinga bendradarbiavimo projektavimo darbo eigose tarp geografiškai išsklaidytų komandų.
• Finansinis modeliavimas ir rizikos analizė: Skaičiavimams imlios užduotys, susijusios su finansiniu modeliavimu ir rizikos analize, gali būti žymiai pagreitintos naudojant WASM. Tai leidžia finansų analitikams atlikti sudėtingas simuliacijas ir skaičiavimus tiesiogiai naršyklėje, gerinant sprendimų priėmimo procesus.
• Skaitmeninės garso apdorojimo stotys (DAW): WASM suteikia galimybę kurti DAW, kurios veikia visiškai naršyklėje. Funkcijos, tokios kaip realaus laiko garso apdorojimas, sudėtingi efektai ir virtualūs instrumentai, tampa įmanomos dėl WASM teikiamo našumo padidėjimo.

Realaus pasaulio pavyzdžiai ir atvejo analizės

Autodesk AutoCAD

Autodesk AutoCAD, pirmaujanti CAD programinė įranga, pritaikė WebAssembly, kad pasiūlytų savo populiarios programos saityno versiją. Tai leidžia vartotojams pasiekti ir redaguoti AutoCAD brėžinius tiesiogiai naršyklėje, nereikalaujant jokių vietinių diegimų. WASM naudojimas leidžia saityno versijai pasiekti panašų našumo ir funkcionalumo lygį kaip ir stacionariai programai.

Google Earth

Google Earth naudoja WebAssembly sudėtingai 3D grafikai ir palydoviniams vaizdams atvaizduoti naršyklėje. WASM naudojimas leidžia Google Earth suteikti sklandžią ir jautrią vartotojo patirtį, net kai rodomi dideli ir išsamūs geografiniai duomenys.

Unity Technologies

Unity Technologies integravo WebAssembly palaikymą į savo Unity žaidimų variklį, leisdama kūrėjams lengvai perkelti savo Unity žaidimus į saityną. Tai leidžia kūrėjams pasiekti platesnę auditoriją, platinant savo žaidimus tiesiogiai per naršykles.

Mozilla Firefox Reality

Mozilla Firefox Reality, naršyklė virtualios realybės (VR) įrenginiams, labai priklauso nuo WebAssembly, kad atvaizduotų įtraukiančias VR patirtis. Aukštas WASM našumas yra labai svarbus norint užtikrinti sklandžią ir jautrią VR patirtį šiuose įrenginiuose.

Iššūkiai ir svarstymai

Derinimas ir įrankiai

Nors WASM padarė didelę pažangą, derinimo ir įrankių palaikymas vis dar tobulėja. WASM kodo derinimas gali būti sudėtingesnis nei JavaScript kodo derinimas, o turimi derinimo įrankiai nėra tokie brandūs. Tačiau šioje srityje daromi patobulinimai, ir kūrėjai ateityje gali tikėtis geresnių derinimo įrankių.

Mokymosi kreivė

Išmokti WebAssembly ir su juo susijusius įrankius gali būti iššūkis kūrėjams, kurie daugiausia yra susipažinę su JavaScript. Tačiau WASM privalumai našumo ir funkcionalumo požiūriu dažnai nusveria mokymosi kreivę. Yra daug išteklių ir pamokų, padedančių kūrėjams pradėti dirbti su WASM.

Šiukšlių surinkimas

Iš pradžių WebAssembly trūko integruoto šiukšlių surinkėjo, todėl buvo sunkiau kurti programas, kurios labai priklauso nuo dinaminės atminties paskirstymo. Tačiau naujausi pokyčiai įdiegė eksperimentinį šiukšlių surinkimo palaikymą, kuris dar labiau pagerins WASM naudojimą platesniam programų spektrui. Tai ypač svarbu tokioms kalboms kaip Java ir .NET, kurios turi stiprius šiukšlių surinkimo mechanizmus.

Saugumo aspektai

Nors WebAssembly veikia izoliuotoje aplinkoje, svarbu žinoti apie galimas saugumo rizikas. Kūrėjai turėtų atidžiai patikrinti visus duomenis, kurie perduodami WASM moduliams, ir užtikrinti, kad moduliai būtų tinkamai apsaugoti, siekiant išvengti pažeidžiamumų. Taip pat labai svarbu nuolat atnaujinti WASM vykdymo aplinkas naujausiais saugumo pataisymais. Saugumo priemonės, tokios kaip adreso erdvės išdėstymo atsitiktinumas (ASLR) ir kitos, nuolat įgyvendinamos ir tobulinamos WASM vykdymo aplinkose.

WebAssembly ateitis

Tolimesnis augimas ir pritaikymas

Tikimasi, kad WebAssembly toliau augs ir bus vis plačiau pritaikomas įvairiose pramonės šakose. Technologijai bręstant ir tobulėjant įrankiams, vis daugiau kūrėjų imsis WASM kurti didelio našumo saityno programas ir kitą programinę įrangą. Naujų funkcijų standartizavimas ir pažangesnių įrankių kūrimas dar labiau paspartins WASM pritaikymą.

Serverio pusės WebAssembly

WebAssembly neapsiriboja naršykle. Jis taip pat populiarėja serverio pusės aplinkose, kur gali būti naudojamas kuriant didelio našumo ir saugias programas. Serverio pusės WASM siūlo lengvą ir nešiojamą alternatyvą tradiciniams konteineriams, todėl idealiai tinka debesų kompiuterijai ir kitoms serverio pusės darbo apkrovoms. Projektai, tokie kaip WASI (WebAssembly System Interface), siekia standartizuoti sąsajas tarp WASM modulių ir pagrindinės operacinės sistemos, leisdami WASM veikti platesniame aplinkų spektre.

Atsirandantys taikymai

WebAssembly atveria kelią naujoms ir novatoriškoms programoms, kurios anksčiau buvo neįmanomos dėl našumo apribojimų. Technologijai tobulėjant, ateinančiais metais galime tikėtis pamatyti dar kūrybiškesnių ir paveikesnių WASM taikymų. Sritys, tokios kaip papildytoji realybė (AR), virtuali realybė (VR) ir kraštinė kompiuterija, yra pasirengusios gauti didelę naudą iš WASM našumo ir perkeliamumo.

Išvada

WebAssembly yra didelis žingsnis į priekį saityno technologijose, leidžiantis kūrėjams kurti didelio našumo programas, kurios anksčiau buvo įmanomos tik su natūviu kodu. Sklandi integracija su JavaScript, kartu su perkeliamumo ir saugumo savybėmis, daro jį galingu įrankiu plačiam programų spektrui įvairiose pramonės šakose visame pasaulyje. Technologijai bręstant ir augant ekosistemai, ateinančiais metais galime tikėtis pamatyti dar daugiau novatoriškų ir paveikių WebAssembly panaudojimo būdų. WebAssembly pritaikymas suteikia kūrėjams galimybę teikti turtingesnes, jautresnes ir pajėgesnes saityno patirtis vartotojams visame pasaulyje.