WebAssembly kelių reikšmių tipo anotacija: tipų sistemos patobulinimas ateities žiniatinkliui

WebAssembly (Wasm) iškilo kaip galingas dvejetainių instrukcijų formatas, sukurtas beveik natūraliam našumui žiniatinklyje ir už jo ribų. Jo sėkmę lemia perkeliamumas, saugumas ir efektyvumas. Viena iš pagrindinių savybių, prisidedančių prie šių atributų, yra jo tipų sistema. Reikšmingas šios tipų sistemos patobulinimas yra kelių reikšmių tipo anotacijos įdiegimas. Ši funkcija, nors ir atrodo nedidelė, atveria daugybę privalumų, turinčių įtakos našumui, kompiliatoriaus dizainui ir bendram išraiškingumui.

WebAssembly ir jo tipų sistemos supratimas

Prieš gilinantis į kelių reikšmių tipo anotacijos specifiką, trumpai apžvelkime WebAssembly ir jo pagrindinę tipų sistemą. WebAssembly yra sukurta kaip kompiliavimo tikslas aukšto lygio kalboms, tokioms kaip C, C++, Rust, o pastaruoju metu net tokioms kalboms kaip Python ir Java, naudojant projektus, tokius kaip Pyodide ir TeaVM. Jo tikslas yra vykdyti kodą beveik natūraliu greičiu izoliuotoje aplinkoje (sandbox), pirmiausia žiniatinklio naršyklėse, bet taip pat vis dažniau serveriuose ir įterptinėse sistemose.

WebAssembly tipų sistema yra palyginti paprasta, sutelkta į nedidelį primityvių tipų rinkinį:

• i32: 32 bitų sveikasis skaičius
• i64: 64 bitų sveikasis skaičius
• f32: 32 bitų slankiojo kablelio skaičius
• f64: 64 bitų slankiojo kablelio skaičius
• v128: 128 bitų vektorius (SIMD operacijoms)
• funcref: Funkcijos nuoroda
• externref: Išorinė nuoroda (sąveikai su priimančiąja aplinka, pvz., JavaScript naršyklėje)

WebAssembly funkcijos turi aiškiai apibrėžtus parašus, susidedančius iš įvesties tipų ir vieno grąžinimo tipo. Iki kelių reikšmių pasiūlymo WebAssembly funkcijos galėjo grąžinti ne daugiau kaip vieną reikšmę. Šis apribojimas, nors ir supaprastino pradinį įgyvendinimą, tam tikrais atvejais sukėlė neefektyvumą.

Problema: vienos grąžinamos reikšmės apribojimai

Vienos grąžinamos reikšmės apribojimas WebAssembly kėlė keletą iššūkių:

Našumo pridėtinės išlaidos

Kai funkcijai reikėdavo grąžinti kelias reikšmes, programuotojai turėdavo griebtis apeinamųjų sprendimų, dažniausiai perduodami rodykles į atminties vietas, kur funkcija galėtų įrašyti rezultatus. Šis metodas sukeldavo keletą našumo nuostolių:

• Atminties paskirstymas: Atminties paskirstymas grąžinamoms reikšmėms pridėjo papildomų išlaidų, ypač jei funkcija buvo kviečiama dažnai.
• Netiesioginė prieiga prie atminties: Užuot tiesiogiai grąžinusi reikšmes registruose, funkcija turėjo rašyti į atmintį, o kviečiantysis turėjo skaityti iš atminties. Prieiga prie atminties paprastai yra lėtesnė nei prieiga prie registrų.
• Padidėjęs kodo dydis: Kodas, reikalingas atminties paskirstymui ir netiesioginei prieigai prie atminties valdyti, padidino bendrą WebAssembly modulio dydį.

Apsvarstykime paprastą pavyzdį: funkciją, kuri apskaičiuoja ir dalmenį, ir liekaną atliekant dalybos operaciją. Be kelių reikšmių grąžinimo, jums gali tekti perduoti rodykles į atminties vietas dalmeniui ir liekanai:

            // C kodas (pavyzdys)
void divide(int a, int b, int *quotient, int *remainder) {
  *quotient = a / b;
  *remainder = a % b;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Šis C kodas, sukompiliuotas į WebAssembly, reikalautų, kad kviečiantysis paskirstytų atmintį quotient ir remainder ir perduotų rodykles į šias atminties vietas. Tada WebAssembly kodas įrašytų rezultatus į šias atminties vietas.

Kompiliatoriaus sudėtingumas

Kompiliatoriai, skirti WebAssembly, turėjo įdiegti sudėtingas transformacijas, kad apdorotų kelių reikšmių grąžinimą iš pradinės kalbos. Pavyzdžiui, jei C++ funkcija grąžino std::tuple, kompiliatorius turėjo „išskleisti“ kortežą į atskiras reikšmes ir išsaugoti jas atmintyje. Tai padidino kompiliatoriaus sudėtingumą ir galėjo sukelti neefektyvumą.

Sumažėjęs išraiškingumas

Vienos grąžinamos reikšmės apribojimas sumažino WebAssembly išraiškingumą. Dėl to tapo sunkiau efektyviai pavaizduoti tam tikras programavimo idiomas ir duomenų struktūras. Pavyzdžiui, kelių klaidų kodų ar sudėtingų duomenų struktūrų grąžinimas tapo sudėtingesnis.

Sprendimas: WebAssembly kelių reikšmių tipo anotacija

WebAssembly kelių reikšmių pasiūlymas išsprendžia šiuos apribojimus leisdamas funkcijoms tiesiogiai grąžinti kelias reikšmes. Tai pašalina apeinamųjų sprendimų, susijusių su atminties paskirstymu ir netiesiogine prieiga prie atminties, poreikį, todėl žymiai pagerėja našumas, supaprastėja kompiliatoriaus dizainas ir padidėja išraiškingumas.

Naudojant kelių reikšmių tipo anotaciją, funkcijos parašas dabar gali nurodyti kelis grąžinimo tipus. Pavyzdžiui:

            ;; WebAssembly kodas (pavyzdys)
(func $divide (param $a i32) (param $b i32) (result i32 i32)
  (local $quotient i32)
  (local $remainder i32)
  (local.set $quotient (i32.div_s (local.get $a) (local.get $b)))
  (local.set $remainder (i32.rem_s (local.get $a) (local.get $b)))
  (local.get $quotient)
  (local.get $remainder)
)

            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje $divide funkcija dabar grąžina dvi i32 reikšmes: dalmenį ir liekaną. Kompiliatorius gali tiesiogiai naudoti registrus šioms reikšmėms grąžinti, išvengdamas atminties paskirstymo ir netiesioginės prieigos prie atminties.

Kelių reikšmių tipo anotacijos privalumai

Kelių reikšmių tipo anotacijos įdiegimas suteikia keletą reikšmingų privalumų:

Pagerintas našumas

Pašalinus atminties paskirstymo ir netiesioginės prieigos prie atminties poreikį, kelių reikšmių grąžinimas gali žymiai pagerinti našumą, ypač funkcijoms, kurios dažnai grąžina kelias reikšmes. Našumo padidėjimas gali būti ypač pastebimas skaičiavimams imliose programose, tokiose kaip žaidimai, simuliacijos ir multimedijos apdorojimas.

Apsvarstykime realaus pasaulio pavyzdį: vaizdų apdorojimą. Daugelyje vaizdų apdorojimo algoritmų reikia apskaičiuoti kelias reikšmes kiekvienam pikseliui, pvz., spalvų komponentus (raudona, žalia, mėlyna), alfa (skaidrumas) ir gylį. Naudojant kelių reikšmių grąžinimą, šias reikšmes galima grąžinti tiesiogiai, išvengiant atminties paskirstymo ir netiesioginės prieigos prie atminties pridėtinių išlaidų. Tai gali žymiai pagerinti vaizdų apdorojimo programų našumą.

Supaprastintas kompiliatoriaus dizainas

Kelių reikšmių grąžinimas supaprastina aukšto lygio kalbų kompiliavimo į WebAssembly užduotį. Kompiliatoriams nebereikia įdiegti sudėtingų transformacijų, kad apdorotų kelių reikšmių grąžinimą iš pradinės kalbos. Tai sumažina kompiliatoriaus sudėtingumą ir gali lemti greitesnį kompiliavimo laiką bei efektyvesnį kodo generavimą.

Pavyzdžiui, tokios kalbos kaip Rust ir Go natūraliai palaiko kelių reikšmių grąžinimą. Naudojant kelių reikšmių grąžinimą WebAssembly, šių kalbų kompiliatoriai gali tiesiogiai susieti kelių reikšmių grąžinimą su WebAssembly be sudėtingų apeinamųjų sprendimų. Tai lemia švaresnį ir efektyvesnį WebAssembly kodą.

Padidėjęs išraiškingumas

Kelių reikšmių grąžinimas padidina WebAssembly išraiškingumą, todėl lengviau efektyviai pavaizduoti tam tikras programavimo idiomas ir duomenų struktūras. Tai gali lemti glaustesnį ir skaitomesnį kodą.

Pavyzdžiui, apsvarstykime funkciją, kuri grąžina ir rezultatą, ir klaidos kodą. Naudojant kelių reikšmių grąžinimą, funkcija gali tiesiogiai grąžinti abi reikšmes. Tai ypač naudinga tvarkant klaidas struktūrizuotesniu ir efektyvesniu būdu.

Pagerintas sąveikumas

Kelių reikšmių grąžinimas gali pagerinti WebAssembly ir kitų kalbų bei aplinkų sąveikumą. Pavyzdžiui, kviečiant WebAssembly funkciją iš JavaScript, grąžinamas reikšmes galima tiesiogiai pasiekti kaip masyvą ar objektą, nereikalaujant tarpinės prieigos prie atminties.

Panaudojimo atvejai ir pavyzdžiai

Kelių reikšmių tipo anotacija taikoma įvairiems panaudojimo atvejams:

Matematinės funkcijos

Funkcijos, kurios apskaičiuoja kelias susijusias reikšmes, pvz., dalybos dalmenį ir liekaną, kompleksinio skaičiaus realiąją ir menamąją dalis arba kampo sinusą ir kosinusą, gali pasinaudoti kelių reikšmių grąžinimu.

Pavyzdys (matematika): Tikrinių verčių ir tikrinių vektorių skaičiavimas tiesinėje algebroje. Jie dažnai būna poromis arba rinkiniais, o kelių reikšmių grąžinimas supaprastina jų tvarkymą.

Klaidų tvarkymas

Funkcijos, kurioms reikia grąžinti ir rezultatą, ir klaidos kodą, gali naudoti kelių reikšmių grąžinimą, kad nurodytų sėkmę ar nesėkmę ir pateiktų papildomos informacijos apie klaidą.

Pavyzdys (sistemų programavimas): Operacinių sistemų funkcijos, kurios grąžina rezultatą (pvz., failo deskriptorių) ir klaidos kodą (pvz., errno) nesėkmės atveju. Šis modelis puikiai perkeliamas į WebAssembly naudojant kelių reikšmių grąžinimą.

Duomenų struktūrų manipuliavimas

Funkcijos, kurios manipuliuoja sudėtingomis duomenų struktūromis, tokiomis kaip medžiai ar grafai, gali naudoti kelių reikšmių grąžinimą, kad grąžintų kelias susijusias duomenų dalis, pvz., mazgą ir jo tėvinį ar antrinius elementus.

Pavyzdys (duomenų struktūros): Išėmimo iš eilės operacija lygiagrečioje eilėje, galimai grąžinanti reikšmę ir loginę reikšmę, nurodančią, ar eilė buvo tuščia prieš operaciją.

Grafika ir multimedija

Vaizdų, garso ir vaizdo apdorojimo algoritmai dažnai apima kelių reikšmių apskaičiavimą kiekvienam pikseliui ar pavyzdžiui. Kelių reikšmių grąžinimas gali pagerinti šių algoritmų našumą.

Pavyzdys (grafika): Spindulių sekimo funkcija, grąžinanti spalvos (RGB) ir gylio informaciją susikirtimo taške.

Analizavimas (parsing) ir leksinė analizė (lexing)

Analizatoriai ir leksiniai analizatoriai dažnai grąžina kelias reikšmes, pvz., išanalizuotą atpažinimo ženklą (token), jo tipą ir vietą įvesties sraute. Kelių reikšmių grąžinimas gali supaprastinti šių įrankių įgyvendinimą.

Pavyzdys (kompiliatoriai): Leksinio analizatoriaus funkcija, grąžinanti atpažinimo ženklo tipą ir jo reikšmę.

Pritaikymas ir įgyvendinimas

Kelių reikšmių tipo anotacija buvo plačiai pritaikyta WebAssembly įrankių rinkiniuose ir vykdymo aplinkose.

• Kompiliatoriai: Pagrindiniai kompiliatoriai, tokie kaip LLVM, Emscripten ir Rust wasm-pack, palaiko WebAssembly kodo generavimą su kelių reikšmių grąžinimu.
• Naršyklės: Visos pagrindinės žiniatinklio naršyklės, įskaitant Chrome, Firefox, Safari ir Edge, palaiko WebAssembly su kelių reikšmių grąžinimu.
• Vykdymo aplinkos: Serverio pusės WebAssembly vykdymo aplinkos, tokios kaip wasmtime ir WasmEdge, taip pat palaiko kelių reikšmių grąžinimą.

Palaikymas įvairiose platformose ir įrankiuose įtvirtina kelių reikšmių grąžinimą kaip standartinę ir esminę WebAssembly savybę.

Svarstymai ir gerosios praktikos

Nors kelių reikšmių tipo anotacija siūlo didelių privalumų, svarbu atsižvelgti į kai kurias geriausias praktikas ją naudojant:

Išlaikykite protingą grąžinamų reikšmių skaičių

Nors techniškai WebAssembly nenustato griežto grąžinamų reikšmių skaičiaus apribojimo, paprastai patartina išlaikyti protingą grąžinamų reikšmių skaičių. Per daug reikšmių grąžinimas gali apsunkinti kodo skaitymą ir priežiūrą.

Naudokite prasmingus pavadinimus grąžinamoms reikšmėms

Kai įmanoma, naudokite prasmingus pavadinimus grąžinamoms reikšmėms, kad pagerintumėte kodo skaitomumą. Tai galima pasiekti naudojant komentarus arba struktūrizuotus duomenų tipus grąžinamoms reikšmėms pavaizduoti.

Sudėtingoms grąžinamoms reikšmėms apsvarstykite duomenų struktūras

Sudėtingoms grąžinamoms reikšmėms apsvarstykite galimybę naudoti duomenų struktūras, tokias kaip struktūros ar kortežai, kad sugrupuotumėte susijusias reikšmes. Tai gali pagerinti kodo organizavimą ir priežiūrą. Tačiau atsižvelkite į galimą poveikį našumui, palyginti su tiesioginiu atskirų reikšmių grąžinimu, ypač jei duomenų struktūrą reikia dažnai paskirstyti ir atlaisvinti.

WebAssembly ir kelių reikšmių ateitis

Kelių reikšmių tipo anotacija yra esminis žingsnis į priekį WebAssembly evoliucijoje. Kadangi WebAssembly toliau vystosi ir plečia savo pasiekiamumą už naršyklės ribų, tokios funkcijos kaip kelių reikšmių grąžinimas taps dar svarbesnės. Ši funkcija papildo kitus besiformuojančius WebAssembly standartus, tokius kaip WASI (WebAssembly System Interface), kurio tikslas yra standartizuoti, kaip WebAssembly moduliai sąveikauja su operacine sistema, atveriant platų serverio pusės ir įterptinių programų spektrą.

WebAssembly ateitis atrodo šviesi, nuolat stengiamasi pagerinti jo našumą, saugumą ir išraiškingumą. Kelių reikšmių tipo anotacija liudija apie nuolatines inovacijas WebAssembly ekosistemoje, leidžiančias kūrėjams kurti efektyvesnes, galingesnes ir universalesnes programas.

Išvada

WebAssembly kelių reikšmių tipo anotacija yra reikšmingas WebAssembly tipų sistemos patobulinimas, siūlantis geresnį našumą, supaprastintą kompiliatoriaus dizainą, padidintą išraiškingumą ir pagerintą sąveikumą. Leisdama funkcijoms tiesiogiai grąžinti kelias reikšmes, ji pašalina apeinamųjų sprendimų, susijusių su atminties paskirstymu ir netiesiogine prieiga prie atminties, poreikį, todėl gaunamos efektyvesnės ir universalesnės programos. Kadangi WebAssembly ir toliau populiarėja kaip universalus dvejetainių instrukcijų formatas, kelių reikšmių grąžinimas vaidins vis svarbesnį vaidmenį jo sėkmei.

Programuotojai, kuriantys WebAssembly, turėtų priimti kelių reikšmių grąžinimą ir pasinaudoti jo privalumais kurdami didelio našumo, efektyvias ir išraiškingas programas žiniatinkliui ir ne tik. Suprasdami ir naudodami šią galingą funkciją, kūrėjai gali atskleisti visą WebAssembly potencialą ir prisidėti prie jo nuolatinio augimo bei evoliucijos.