WebAssembly nuorodų tipai: objektų nuorodos ir šiukšlių rinkiklio (GC) integracija

„WebAssembly“ (Wasm) sukėlė revoliuciją žiniatinklio kūrime, suteikdama nešiojamą, efektyvią ir saugią kodo vykdymo aplinką. Iš pradžių orientuota į tiesinę atmintį ir skaitinius tipus, „WebAssembly“ galimybės nuolat plečiasi. Reikšmingas pasiekimas yra nuorodų tipų (Reference Types) įdiegimas, ypač objektų nuorodų ir jų integravimas su šiukšlių rinkikliu (GC). Šiame tinklaraščio įraše gilinamasi į „WebAssembly“ nuorodų tipų subtilybes, nagrinėjami jų privalumai, iššūkiai ir poveikis žiniatinklio ateičiai ir ne tik.

Kas yra „WebAssembly“ nuorodų tipai?

Nuorodų tipai yra esminis žingsnis į priekį „WebAssembly“ evoliucijoje. Prieš juos įdiegiant, Wasm sąveika su „JavaScript“ (ir kitomis kalbomis) apsiribojo primityvių duomenų tipų (skaičių, loginių reikšmių) perdavimu ir prieiga prie tiesinės atminties, kuriai reikėjo rankinio atminties valdymo. Nuorodų tipai leidžia „WebAssembly“ tiesiogiai laikyti ir manipuliuoti nuorodomis į objektus, kuriuos valdo pagrindinės aplinkos šiukšlių rinkiklis. Tai žymiai supaprastina sąveiką ir atveria naujas galimybes kurti sudėtingas programas.

Iš esmės, nuorodų tipai leidžia „WebAssembly“ moduliams:

• Saugoti nuorodas į „JavaScript“ objektus.
• Perduoti šias nuorodas tarp Wasm funkcijų ir „JavaScript“.
• Tiesiogiai sąveikauti su objektų savybėmis ir metodais (nors su tam tikrais apribojimais – išsamesnė informacija pateikiama toliau).

Šiukšlių rinkiklio (GC) poreikis „WebAssembly“

Tradicinis „WebAssembly“ reikalauja, kad programuotojai rankiniu būdu valdytų atmintį, panašiai kaip C ar C++ kalbose. Nors tai suteikia smulkiagrūdę kontrolę, tai taip pat sukelia atminties nutekėjimo, kabančių nuorodų ir kitų su atmintimi susijusių klaidų riziką, žymiai padidinant kūrimo sudėtingumą, ypač didesnėms programoms. Be to, rankinis atminties valdymas gali pakenkti našumui dėl „malloc“ / „free“ operacijų pridėtinių išlaidų ir atminties skirstytuvų sudėtingumo. Šiukšlių rinkimas automatizuoja atminties valdymą. GC algoritmas identifikuoja ir atlaisvina atmintį, kurios programa daugiau nenaudoja. Tai supaprastina kūrimą, sumažina atminties klaidų riziką ir daugeliu atvejų gali pagerinti našumą. GC integravimas į „WebAssembly“ leidžia programuotojams efektyviau naudoti tokias kalbas kaip „Java“, „C#“, „Kotlin“ ir kitas, kurios remiasi šiukšlių rinkimu, „WebAssembly“ ekosistemoje.

Objektų nuorodos: Tilto tarp Wasm ir „JavaScript“ statymas

Objektų nuorodos yra specifinis nuorodų tipas, leidžiantis „WebAssembly“ tiesiogiai sąveikauti su objektais, valdomais pagrindinės aplinkos GC, pirmiausia „JavaScript“ žiniatinklio naršyklėse. Tai reiškia, kad „WebAssembly“ modulis dabar gali turėti nuorodą į „JavaScript“ objektą, pvz., DOM elementą, masyvą ar pasirinktinį objektą. Modulis gali perduoti šią nuorodą kitoms „WebAssembly“ funkcijoms arba atgal į „JavaScript“.

Štai pagrindinių objektų nuorodų aspektų apžvalga:

1. `externref` tipas

`externref` tipas yra pagrindinis „WebAssembly“ objektų nuorodų statybinis blokas. Jis reiškia nuorodą į objektą, valdomą išorinės aplinkos (pvz., „JavaScript“). Galvokite apie jį kaip apie bendrą „rankenėlę“ (handle) į „JavaScript“ objektą. Jis yra deklaruojamas kaip „WebAssembly“ tipas, leidžiantis jį naudoti kaip funkcijos parametrų, grąžinamų verčių ir vietinių kintamųjų tipą.

Pavyzdys (hipotetinis „WebAssembly“ tekstinis formatas):

            (module
  (func $get_element (import "js" "get_element") (result externref))
  (func $set_property (import "js" "set_property") (param externref i32 i32))

  (func $use_element
    (local $element externref)
    (local.set $element (call $get_element))
    (call $set_property $element (i32.const 10) (i32.const 20))
  )
)
            

              
                Copy
              
            
          

Šiame pavyzdyje `$get_element` importuoja „JavaScript“ funkciją, kuri grąžina `externref` (tikėtina, nuorodą į DOM elementą). Tada `$use_element` funkcija iškviečia `$get_element`, išsaugo grąžintą nuorodą vietiniame kintamajame `$element` ir tada iškviečia kitą „JavaScript“ funkciją `$set_property`, kad nustatytų elemento savybę.

2. Nuorodų importavimas ir eksportavimas

„WebAssembly“ moduliai gali importuoti „JavaScript“ funkcijas, kurios priima arba grąžina `externref` tipus. Tai leidžia „JavaScript“ perduoti objektus į Wasm, o Wasm – perduoti objektus atgal į „JavaScript“. Panašiai, Wasm moduliai gali eksportuoti funkcijas, kurios naudoja `externref` tipus, leidžiant „JavaScript“ iškviesti šias funkcijas ir sąveikauti su Wasm valdomais objektais.

Pavyzdys („JavaScript“):

            async function runWasm() {
  const importObject = {
    js: {
      get_element: () => document.getElementById("myElement"),
      set_property: (element, x, y) => {
        element.style.left = x + "px";
        element.style.top = y + "px";
      }
    }
  };

  const { instance } = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'), importObject);
  instance.exports.use_element();
}
            

              
                Copy
              
            
          

Šis „JavaScript“ kodas apibrėžia `importObject`, kuris pateikia „JavaScript“ realizacijas importuotoms funkcijoms `get_element` ir `set_property`. Funkcija `get_element` grąžina nuorodą į DOM elementą, o funkcija `set_property` keičia elemento stilių pagal pateiktas koordinates.

3. Tipų patvirtinimai

Nors `externref` suteikia būdą tvarkyti objektų nuorodas, jis neužtikrina jokio tipo saugumo „WebAssembly“ viduje. Siekiant tai išspręsti, „WebAssembly“ GC pasiūlyme yra instrukcijos tipų patvirtinimams. Šios instrukcijos leidžia Wasm kodui vykdymo metu patikrinti `externref` tipą, užtikrinant, kad jis yra laukiamo tipo prieš atliekant su juo operacijas.

Be tipų patvirtinimų, Wasm modulis potencialiai galėtų bandyti pasiekti savybę `externref` objekte, kuri neegzistuoja, o tai sukeltų klaidą. Tipų patvirtinimai suteikia mechanizmą, kaip išvengti tokių klaidų ir užtikrinti programos saugumą bei vientisumą.

„WebAssembly“ šiukšlių rinkiklio (GC) pasiūlymas

„WebAssembly“ GC pasiūlymas siekia suteikti standartizuotą būdą „WebAssembly“ moduliams naudoti šiukšlių rinkimą viduje. Tai leidžia kalbas, tokias kaip „Java“, „C#“ ir „Kotlin“, kurios labai priklauso nuo GC, efektyviau kompiliuoti į „WebAssembly“. Dabartinis pasiūlymas apima keletą pagrindinių funkcijų:

1. GC tipai

GC pasiūlymas įveda naujus tipus, specialiai sukurtus šiukšlių rinkiklio valdomiems objektams. Šie tipai apima:

• `struct`: Atstovauja struktūrai (įrašui) su pavadintais laukais, panašiai kaip struktūros C kalboje arba klasės „Java“ kalboje.
• `array`: Atstovauja dinamiškai keičiamo dydžio tam tikro tipo masyvui.
• `i31ref`: Specializuotas tipas, atstovaujantis 31 bitų sveikajam skaičiui, kuris taip pat yra GC objektas. Tai leidžia efektyviai reprezentuoti mažus sveikuosius skaičius GC krūvoje (heap).
• `anyref`: Visų GC tipų supertipas, panašus į `Object` „Java“ kalboje.
• `eqref`: Nuoroda į struktūrą su keičiamais laukais.

Šie tipai leidžia „WebAssembly“ apibrėžti sudėtingas duomenų struktūras, kurias gali valdyti GC, taip įgalinant sudėtingesnes programas.

2. GC instrukcijos

GC pasiūlymas įveda naujų instrukcijų rinkinį darbui su GC objektais. Šios instrukcijos apima:

• `gc.new`: Paskiria naują nurodyto tipo GC objektą.
• `gc.get`: Nuskaito lauką iš GC struktūros.
• `gc.set`: Įrašo lauką į GC struktūrą.
• `gc.array.new`: Paskiria naują nurodyto tipo ir dydžio GC masyvą.
• `gc.array.get`: Nuskaito elementą iš GC masyvo.
• `gc.array.set`: Įrašo elementą į GC masyvą.
• `gc.ref.cast`: Atlieka tipo konvertavimą GC nuorodai.
• `gc.ref.test`: Patikrina, ar GC nuoroda yra tam tikro tipo, nemetant išimties.

Šios instrukcijos suteikia būtinus įrankius GC objektų kūrimui, manipuliavimui ir sąveikai su jais „WebAssembly“ moduliuose.

3. Integracija su pagrindine aplinka

Esminis „WebAssembly“ GC pasiūlymo aspektas yra jo integracija su pagrindinės aplinkos GC. Tai leidžia „WebAssembly“ moduliams efektyviai sąveikauti su objektais, valdomais pagrindinės aplinkos, pvz., „JavaScript“ objektais žiniatinklio naršyklėje. `externref` tipas, kaip aptarta anksčiau, atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį šioje integracijoje.

GC pasiūlymas sukurtas taip, kad sklandžiai veiktų su esamais šiukšlių rinkikliais, leidžiant „WebAssembly“ pasinaudoti esama atminties valdymo infrastruktūra. Tai leidžia išvengti poreikio „WebAssembly“ įgyvendinti savo šiukšlių rinkiklį, o tai pridėtų didelių pridėtinių išlaidų ir sudėtingumo.

„WebAssembly“ nuorodų tipų ir GC integracijos privalumai

Nuorodų tipų ir GC integracijos įdiegimas „WebAssembly“ suteikia daug privalumų:

1. Pagerinta sąveika su „JavaScript“

Nuorodų tipai žymiai pagerina sąveiką tarp „WebAssembly“ ir „JavaScript“. Tiesioginis objektų nuorodų perdavimas tarp Wasm ir „JavaScript“ pašalina sudėtingų serializavimo ir deserializavimo mechanizmų poreikį, kurie dažnai yra našumo kliūtys. Tai leidžia programuotojams kurti sklandesnes ir efektyvesnes programas, kurios išnaudoja abiejų technologijų privalumus. Pavyzdžiui, skaičiavimams imli užduotis, parašyta „Rust“ kalba ir sukompiliuota į „WebAssembly“, gali tiesiogiai manipuliuoti DOM elementais, kuriuos pateikia „JavaScript“, taip pagerinant žiniatinklio programų našumą.

2. Supaprastintas kūrimas

Automatizuodamas atminties valdymą, šiukšlių rinkimas supaprastina kūrimą ir sumažina su atmintimi susijusių klaidų riziką. Programuotojai gali sutelkti dėmesį į programos logikos rašymą, o ne jaudintis dėl rankinio atminties paskirstymo ir atlaisvinimo. Tai ypač naudinga dideliems ir sudėtingiems projektams, kur atminties valdymas gali būti reikšmingas klaidų šaltinis.

3. Padidintas našumas

Daugeliu atvejų šiukšlių rinkimas gali pagerinti našumą, palyginti su rankiniu atminties valdymu. GC algoritmai dažnai yra labai optimizuoti ir gali efektyviai valdyti atminties naudojimą. Be to, GC integracija su pagrindine aplinka leidžia „WebAssembly“ pasinaudoti esama atminties valdymo infrastruktūra, išvengiant pridėtinių išlaidų, susijusių su savo šiukšlių rinkiklio įgyvendinimu.

Pavyzdžiui, apsvarstykite žaidimų variklį, parašytą C# kalba ir sukompiliuotą į „WebAssembly“. Šiukšlių rinkiklis gali automatiškai valdyti žaidimo objektų naudojamą atmintį, atlaisvindamas išteklius, kai jų nebereikia. Tai gali lemti sklandesnį žaidimą ir geresnį našumą, palyginti su rankiniu šių objektų atminties valdymu.

4. Platesnio kalbų spektro palaikymas

GC integracija leidžia kalbas, kurios priklauso nuo šiukšlių rinkimo, tokias kaip „Java“, „C#“, „Kotlin“ ir „Go“ (su savo GC), efektyviau kompiliuoti į „WebAssembly“. Tai atveria naujas galimybes naudoti šias kalbas žiniatinklio kūrime ir kitose „WebAssembly“ pagrįstose aplinkose. Pavyzdžiui, dabar programuotojai gali kompiliuoti esamas „Java“ programas į „WebAssembly“ ir paleisti jas žiniatinklio naršyklėse be didelių pakeitimų, taip išplečiant šių programų pasiekiamumą.

5. Kodo pakartotinis panaudojimas

Galimybė kompiliuoti tokias kalbas kaip C# ir „Java“ į „WebAssembly“ leidžia pakartotinai naudoti kodą skirtingose platformose. Programuotojai gali parašyti kodą vieną kartą ir įdiegti jį žiniatinklyje, serveryje ir mobiliuosiuose įrenginiuose, taip sumažinant kūrimo išlaidas ir padidinant efektyvumą. Tai ypač vertinga organizacijoms, kurios turi palaikyti kelias platformas su viena kodo baze.

Iššūkiai ir svarstymai

Nors nuorodų tipai ir GC integracija suteikia didelių privalumų, taip pat yra keletas iššūkių ir svarstymų, kuriuos reikia turėti omenyje:

1. Našumo pridėtinės išlaidos

Šiukšlių rinkimas sukelia tam tikras našumo pridėtines išlaidas. GC algoritmai turi periodiškai nuskaityti atmintį, kad identifikuotų ir atlaisvintų nenaudojamus objektus, o tai gali sunaudoti procesoriaus išteklius. GC poveikis našumui priklauso nuo konkretaus naudojamo GC algoritmo, krūvos (heap) dydžio ir šiukšlių rinkimo ciklų dažnumo. Programuotojai turi atidžiai suderinti GC parametrus, kad sumažintų našumo pridėtines išlaidas ir užtikrintų optimalų programos našumą. Skirtingi GC algoritmai (pvz., kartų, žymėjimo ir šlavimo) turi skirtingas našumo charakteristikas, o algoritmo pasirinkimas priklauso nuo konkrečių programos reikalavimų.

2. Deterministinis elgesys

Šiukšlių rinkimas yra iš prigimties nedeterministinis. Šiukšlių rinkimo ciklų laikas yra nenuspėjamas ir gali skirtis priklausomai nuo tokių veiksnių kaip atminties spaudimas ir sistemos apkrova. Dėl to gali būti sunku parašyti kodą, reikalaujantį tikslaus laiko ar deterministinio elgesio. Kai kuriais atvejais programuotojams gali tekti naudoti tokias technikas kaip objektų kaupimas (object pooling) ar rankinis atminties valdymas, kad pasiektų norimą determinizmo lygį. Tai ypač svarbu realaus laiko programose, pvz., žaidimuose ar simuliacijose, kur nuspėjamas našumas yra kritiškai svarbus.

3. Saugumo aspektai

Nors „WebAssembly“ suteikia saugią vykdymo aplinką, nuorodų tipai ir GC integracija įveda naujų saugumo aspektų. Labai svarbu atidžiai tikrinti objektų nuorodas ir atlikti tipų patvirtinimus, kad kenkėjiškas kodas negalėtų pasiekti ar manipuliuoti objektais netikėtais būdais. Saugumo auditai ir kodo peržiūros yra būtinos norint nustatyti ir pašalinti galimas saugumo spragas. Pavyzdžiui, kenkėjiškas „WebAssembly“ modulis galėtų bandyti pasiekti jautrius duomenis, saugomus „JavaScript“ objekte, jei neatliekamas tinkamas tipų tikrinimas ir patvirtinimas.

4. Kalbos palaikymas ir įrankiai

Nuorodų tipų ir GC integracijos pritaikymas priklauso nuo kalbos palaikymo ir įrankių prieinamumo. Kompiliatoriai ir įrankių grandinės turi būti atnaujinti, kad palaikytų naujas „WebAssembly“ funkcijas. Programuotojams reikia prieigos prie bibliotekų ir karkasų, kurie suteikia aukšto lygio abstrakcijas darbui su GC objektais. Išsamių įrankių ir kalbos palaikymo kūrimas yra būtinas plačiam šių funkcijų pritaikymui. Pavyzdžiui, LLVM projektas turi būti atnaujintas, kad tinkamai nukreiptų „WebAssembly“ GC tokioms kalboms kaip C++.

Praktiniai pavyzdžiai ir naudojimo atvejai

Štai keletas praktinių pavyzdžių ir naudojimo atvejų „WebAssembly“ nuorodų tipams ir GC integracijai:

1. Žiniatinklio programos su sudėtingomis vartotojo sąsajomis

„WebAssembly“ galima naudoti kuriant žiniatinklio programas su sudėtingomis vartotojo sąsajomis, reikalaujančiomis didelio našumo. Nuorodų tipai leidžia „WebAssembly“ moduliams tiesiogiai manipuliuoti DOM elementais, pagerinant vartotojo sąsajos reakciją ir sklandumą. Pavyzdžiui, „WebAssembly“ modulis galėtų būti naudojamas įgyvendinti pasirinktinį vartotojo sąsajos komponentą, kuris atvaizduoja sudėtingą grafiką arba atlieka skaičiavimams imlius išdėstymo skaičiavimus. Tai leidžia programuotojams kurti sudėtingesnes ir našesnes žiniatinklio programas.

2. Žaidimai ir simuliacijos

„WebAssembly“ yra puiki platforma žaidimų ir simuliacijų kūrimui. GC integracija supaprastina atminties valdymą ir leidžia programuotojams sutelkti dėmesį į žaidimo logiką, o ne į atminties paskirstymą ir atlaisvinimą. Tai gali lemti greitesnius kūrimo ciklus ir geresnį žaidimų našumą. Žaidimų varikliai, tokie kaip „Unity“ ir „Unreal Engine“, aktyviai tiria „WebAssembly“ kaip tikslinę platformą, o GC integracija bus labai svarbi, norint perkelti šiuos variklius į žiniatinklį.

3. Serverio pusės programos

„WebAssembly“ neapsiriboja žiniatinklio naršyklėmis. Jis taip pat gali būti naudojamas kuriant serverio pusės programas. GC integracija leidžia programuotojams naudoti tokias kalbas kaip „Java“ ir C# kuriant didelio našumo serverio pusės programas, veikiančias „WebAssembly“ vykdymo aplinkose. Tai atveria naujas galimybes naudoti „WebAssembly“ debesų kompiuterijoje ir kitose serverio pusės aplinkose. „Wasmtime“ ir kitos serverio pusės „WebAssembly“ vykdymo aplinkos aktyviai tiria GC palaikymą.

4. Kelių platformų mobiliųjų įrenginių kūrimas

„WebAssembly“ galima naudoti kuriant kelių platformų mobiliąsias programas. Kompiliuodami kodą į „WebAssembly“, programuotojai gali sukurti programas, kurios veikia tiek „iOS“, tiek „Android“ platformose. GC integracija supaprastina atminties valdymą ir leidžia programuotojams naudoti tokias kalbas kaip C# ir „Kotlin“ kuriant mobiliąsias programas, skirtas „WebAssembly“. Karkasai, tokie kaip „.NET MAUI“, tiria „WebAssembly“ kaip tikslinę platformą kuriant kelių platformų mobiliąsias programas.

„WebAssembly“ ir GC ateitis

„WebAssembly“ nuorodų tipai ir GC integracija yra reikšmingas žingsnis siekiant padaryti „WebAssembly“ tikrai universalia platforma kodo vykdymui. Bręstant kalbų palaikymui ir įrankiams, galime tikėtis platesnio šių funkcijų pritaikymo ir augančio programų, sukurtų naudojant „WebAssembly“, skaičiaus. „WebAssembly“ ateitis yra šviesi, o GC integracija atliks pagrindinį vaidmenį jos tolimesnėje sėkmėje.

Tolimesnis vystymas tęsiamas. „WebAssembly“ bendruomenė toliau tobulina GC pasiūlymą, sprendžia kraštutinius atvejus ir optimizuoja našumą. Ateityje gali būti pridėta pažangesnių GC funkcijų, tokių kaip lygiagretus šiukšlių rinkimas ir kartų šiukšlių rinkimas. Šie patobulinimai dar labiau pagerins „WebAssembly“ našumą ir galimybes.

Išvada

„WebAssembly“ nuorodų tipai, ypač objektų nuorodos, ir GC integracija yra galingi „WebAssembly“ ekosistemos papildymai. Jie užpildo spragą tarp Wasm ir „JavaScript“, supaprastina kūrimą, didina našumą ir leidžia naudoti platesnį programavimo kalbų spektrą. Nors yra iššūkių, kuriuos reikia apsvarstyti, šių funkcijų nauda yra neabejotina. „WebAssembly“ toliau evoliucionuojant, nuorodų tipai ir GC integracija atliks vis svarbesnį vaidmenį formuojant žiniatinklio kūrimo ateitį ir ne tik. Priimkite šias naujas galimybes ir tyrinėkite galimybes, kurias jos atveria kuriant inovatyvias ir didelio našumo programas.