.wasm noslēpumu atklāšana: ceļvedis WebAssembly pielāgotajās sekcijās

WebAssembly (Wasm) ir fundamentāli mainījis mūsu domāšanu par augstas veiktspējas kodu tīmeklī un ārpus tā. To bieži slavē kā pārnēsājamu, efektīvu un drošu kompilācijas mērķi tādām valodām kā C++, Rust un Go. Bet Wasm modulis ir vairāk nekā tikai zema līmeņa instrukciju secība. WebAssembly binārais formāts ir sarežģīta struktūra, kas izstrādāta ne tikai izpildei, bet arī paplašināmībai. Šī paplašināmība galvenokārt tiek panākta, izmantojot jaudīgu, bet bieži vien nepamanītu funkciju: pielāgotās sekcijas.

Ja esat kādreiz atkļūdojis C++ kodu pārlūkprogrammas izstrādātāju rīkos vai aizdomājies, kā Wasm fails zina, kurš kompilators to ir izveidojis, jūs esat saskāries ar pielāgoto sekciju darbu. Tās ir paredzēta vieta metadatiem, atkļūdošanas informācijai un citiem nebūtiskiem datiem, kas bagātina izstrādātāja pieredzi un nodrošina visu rīku ekosistēmu. Šis raksts sniedz visaptverošu ieskatu WebAssembly pielāgotajās sekcijās, izpētot, kas tās ir, kāpēc tās ir būtiskas un kā jūs varat tās izmantot savos projektos.

WebAssembly moduļa anatomija

Pirms mēs varam novērtēt pielāgotās sekcijas, mums vispirms ir jāsaprot .wasm binārā faila pamatstruktūra. Wasm modulis ir organizēts virknē labi definētu "sekciju". Katrai sekcijai ir noteikts mērķis, un to identificē ar skaitlisku ID.

WebAssembly specifikācija nosaka standarta jeb "zināmo" sekciju kopu, kas nepieciešama Wasm dzinējam koda izpildei. Tās ietver:

• Tips (ID 1): Definē moduļa izmantotās funkciju signatūras (parametru un atgriežamo vērtību tipi).
• Imports (ID 2): Deklarē funkcijas, atmiņas vai tabulas, ko modulis importē no savas resursdatora vides (piem., JavaScript funkcijas).
• Funkcija (ID 3): Saista katru moduļa funkciju ar signatūru no Tipu sekcijas.
• Tabula (ID 4): Definē tabulas, kuras galvenokārt izmanto netiešo funkciju izsaukumu īstenošanai.
• Atmiņa (ID 5): Definē moduļa izmantoto lineāro atmiņu.
• Globālie mainīgie (ID 6): Deklarē moduļa globālos mainīgos.
• Eksports (ID 7): Padara moduļa funkcijas, atmiņas, tabulas vai globālos mainīgos pieejamus resursdatora videi.
• Sākums (ID 8): Norāda funkciju, kas automātiski jāizpilda, kad modulis tiek instancēts.
• Elements (ID 9): Inicializē tabulu ar funkciju atsaucēm.
• Kods (ID 10): Satur faktisko izpildāmo baitkodu katrai moduļa funkcijai.
• Dati (ID 11): Inicializē lineārās atmiņas segmentus, ko bieži izmanto statiskiem datiem un virknēm.

Šīs standarta sekcijas ir jebkura Wasm moduļa pamatā. Wasm dzinējs tās stingri parsē, lai saprastu un izpildītu programmu. Bet ko darīt, ja rīku ķēdei vai valodai ir nepieciešams saglabāt papildu informāciju, kas nav nepieciešama izpildei? Šeit talkā nāk pielāgotās sekcijas.

Kas īsti ir pielāgotās sekcijas?

Pielāgotā sekcija ir vispārēja lietojuma konteiners patvaļīgiem datiem Wasm modulī. To specifikācijā definē ar īpašu sekcijas ID 0. Struktūra ir vienkārša, bet jaudīga:

1. Sekcijas ID: Vienmēr 0, lai apzīmētu, ka tā ir pielāgota sekcija.
2. Sekcijas izmērs: Sekojošā satura kopējais izmērs baitos.
3. Nosaukums: UTF-8 kodēta virkne, kas identificē pielāgotās sekcijas mērķi (piem., "name", ".debug_info").
4. Lietderīgā slodze (Payload): Baitu secība, kas satur sekcijas faktiskos datus.

Vissvarīgākais noteikums par pielāgotajām sekcijām ir šāds: WebAssembly dzinējam, kas neatpazīst pielāgotās sekcijas nosaukumu, ir jāignorē tās lietderīgā slodze. Tas vienkārši pārlaižas pāri baitiem, ko definē sekcijas izmērs. Šis elegantais dizaina lēmums sniedz vairākas galvenās priekšrocības:

• Nākotnes saderība: Jauni rīki var ieviest jaunas pielāgotās sekcijas, nesabojājot vecākas Wasm izpildlaika vides.
• Ekosistēmas paplašināmība: Valodu implementētāji, rīku izstrādātāji un saiņotāji var iegult savus metadatus, nemainot Wasm pamat-specifikāciju.
• Atsaiste: Izpildes loģika ir pilnībā atsaistīta no metadatiem. Pielāgoto sekciju esamība vai neesamība neietekmē programmas izpildlaika uzvedību.

Uztveriet pielāgotās sekcijas kā ekvivalentu EXIF datiem JPEG attēlā vai ID3 tagiem MP3 failā. Tās sniedz vērtīgu kontekstu, bet nav nepieciešamas, lai attēlotu attēlu vai atskaņotu mūziku.

Biežākais lietojums 1: "name" sekcija cilvēkam lasāmai atkļūdošanai

Viena no visplašāk izmantotajām pielāgotajām sekcijām ir name sekcija. Pēc noklusējuma Wasm funkcijām, mainīgajiem un citiem elementiem atsaucas pēc to skaitliskā indeksa. Aplūkojot neapstrādātu Wasm dekompilāciju, jūs varētu redzēt kaut ko līdzīgu call $func42. Lai gan tas ir efektīvi mašīnai, tas nav noderīgi cilvēkam-izstrādātājam.

name sekcija atrisina šo problēmu, nodrošinot kartējumu no indeksiem uz cilvēkam lasāmiem virkņu nosaukumiem. Tas ļauj tādiem rīkiem kā dekompilatori un atkļūdotāji parādīt jēgpilnus identifikatorus no sākotnējā pirmkoda.

Piemēram, ja jūs kompilējat C funkciju:

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

              
                Copy
              
            
          

Kompilators var ģenerēt name sekciju, kas saista iekšējo funkcijas indeksu (piem., 42) ar virkni "calculate_total". Tas var arī nosaukt lokālos mainīgos par "items" un "price". Pārbaudot Wasm moduli rīkā, kas atbalsta šo sekciju, jūs redzēsiet daudz informatīvāku izvadi, kas palīdz atkļūdošanā un analīzē.

name sekcijas struktūra

Pati name sekcija ir sadalīta apakšsekcijās, katra identificēta ar vienu baitu:

• Moduļa nosaukums (ID 0): Nodrošina nosaukumu visam modulim.
• Funkciju nosaukumi (ID 1): Kartē funkciju indeksus ar to nosaukumiem.
• Lokālo mainīgo nosaukumi (ID 2): Kartē lokālo mainīgo indeksus katrā funkcijā ar to nosaukumiem.
• Iezīmju nosaukumi, tipu nosaukumi, tabulu nosaukumi utt.: Pastāv arī citas apakšsekcijas, lai nosauktu gandrīz katru entītiju Wasm modulī.

name sekcija ir pirmais solis ceļā uz labu izstrādātāja pieredzi, bet tas ir tikai sākums. Lai nodrošinātu patiesu pirmkoda līmeņa atkļūdošanu, mums ir nepieciešams kaut kas daudz jaudīgāks.

Atkļūdošanas spēkstacija: DWARF pielāgotajās sekcijās

Wasm izstrādes svētais grāls ir pirmkoda līmeņa atkļūdošana: spēja iestatīt pārtraukumpunktus, pārbaudīt mainīgos un soli pa solim iziet cauri savam sākotnējam C++, Rust vai Go kodam tieši pārlūkprogrammas izstrādātāju rīkos. Šī maģiskā pieredze ir iespējama gandrīz tikai pateicoties DWARF atkļūdošanas informācijas iegulšanai virknē pielāgoto sekciju.

Kas ir DWARF?

DWARF (Debugging With Attributed Record Formats) ir standartizēts, no valodas neatkarīgs atkļūdošanas datu formāts. Tas ir tas pats formāts, ko izmanto tādi natīvie kompilatori kā GCC un Clang, lai nodrošinātu atkļūdotāju, piemēram, GDB un LLDB, darbību. Tas ir neticami bagātīgs un var kodēt milzīgu informācijas daudzumu, tostarp:

• Pirmkoda kartēšana: Precīza karte no katras WebAssembly instrukcijas atpakaļ uz sākotnējo pirmkoda failu, rindiņas numuru un kolonnas numuru.
• Informācija par mainīgajiem: Lokālo un globālo mainīgo nosaukumi, tipi un darbības jomas. Tas zina, kur mainīgais tiek glabāts jebkurā konkrētā koda punktā (reģistrā, stekā utt.).
• Tipu definīcijas: Pilnīgi sarežģītu tipu apraksti, piemēram, struktūras, klases, enumi un apvienojumi no pirmkoda valodas.
• Informācija par funkcijām: Sīkāka informācija par funkciju signatūrām, ieskaitot parametru nosaukumus un tipus.
• Iekļauto (inlined) funkciju kartēšana: Informācija, lai rekonstruētu izsaukumu steku pat tad, ja funkcijas ir iekļāvis optimizators.

Kā DWARF darbojas ar WebAssembly

Kompilatoriem, piemēram, Emscripten (izmantojot Clang/LLVM) un `rustc`, ir karodziņš (parasti -g vai -g4), kas tiem norāda ģenerēt DWARF informāciju kopā ar Wasm baitkodu. Pēc tam rīku ķēde paņem šos DWARF datus, sadala tos loģiskajās daļās un iegulst katru daļu atsevišķā pielāgotajā sekcijā .wasm failā. Pēc vienošanās šīs sekcijas tiek nosauktas ar punktu sākumā:

• .debug_info: Galvenā sekcija, kas satur primāros atkļūdošanas ierakstus.
• .debug_abbrev: Satur saīsinājumus, lai samazinātu .debug_info izmēru.
• .debug_line: Rindiņu numuru tabula Wasm koda kartēšanai uz pirmkodu.
• .debug_str: Virkņu tabula, ko izmanto citas DWARF sekcijas.
• .debug_ranges, .debug_loc un daudzas citas.

Kad jūs ielādējat šo Wasm moduli modernā pārlūkprogrammā, piemēram, Chrome vai Firefox, un atverat izstrādātāju rīkus, DWARF parsētājs rīkos nolasa šīs pielāgotās sekcijas. Tas rekonstruē visu nepieciešamo informāciju, lai parādītu jums jūsu sākotnējā pirmkoda skatu, ļaujot jums to atkļūdot tā, it kā tas darbotos natīvi.

Tas ir revolucionārs risinājums. Bez DWARF pielāgotajās sekcijās Wasm atkļūdošana būtu sāpīgs process, skatoties uz neapstrādātu atmiņu un nesaprotamu dekompilāciju. Ar to izstrādes cikls kļūst tikpat raits kā JavaScript atkļūdošana.

Ne tikai atkļūdošana: citi pielāgoto sekciju pielietojumi

Lai gan atkļūdošana ir primārais lietošanas gadījums, pielāgoto sekciju elastība ir novedusi pie to izmantošanas plašam rīku un valodai specifisku vajadzību klāstam.

Rīkspecifiski metadati: `producers` sekcija

Bieži vien ir noderīgi zināt, kādi rīki tika izmantoti, lai izveidotu konkrētu Wasm moduli. producers sekcija tika izstrādāta šim nolūkam. Tā glabā informāciju par rīku ķēdi, piemēram, kompilatoru, linkeri un to versijas. Piemēram, producers sekcija varētu saturēt:

• Valoda: "C++ 17", "Rust 1.65.0"
• Apstrādāja: "Clang 16.0.0", "binaryen 111"
• SDK: "Emscripten 3.1.25"

Šie metadati ir nenovērtējami, lai reproducētu būvējumus, ziņotu par kļūdām pareizajiem rīku ķēdes autoriem un automatizētām sistēmām, kurām ir jāsaprot Wasm binārā faila izcelsme.

Linkošana un dinamiskās bibliotēkas

WebAssembly specifikācijai tās sākotnējā formā nebija linkošanas koncepcijas. Lai nodrošinātu statisku un dinamisku bibliotēku izveidi, tika izveidota vienošanās, izmantojot pielāgotās sekcijas. linking pielāgotā sekcija satur metadatus, kas nepieciešami Wasm-apzinošam linkerim (piemēram, wasm-ld), lai atrisinātu simbolus, apstrādātu pārvietošanu un pārvaldītu koplietojamo bibliotēku atkarības. Tas ļauj lielas lietojumprogrammas sadalīt mazākos, pārvaldāmos moduļos, tāpat kā natīvajā izstrādē.

Valodai specifiskas izpildlaika vides

Valodām ar pārvaldītām izpildlaika vidēm, piemēram, Go, Swift vai Kotlin, bieži ir nepieciešami metadati, kas nav daļa no Wasm pamatmodeļa. Piemēram, atkritumu savācējam (GC) ir jāzina datu struktūru izkārtojums atmiņā, lai identificētu rādītājus. Šo izkārtojuma informāciju var glabāt pielāgotā sekcijā. Līdzīgi, tādas funkcijas kā refleksija Go valodā var paļauties uz pielāgotajām sekcijām, lai kompilēšanas laikā saglabātu tipu nosaukumus un metadatus, kurus Go izpildlaika vide Wasm modulī var nolasīt izpildes laikā.

Nākotne: WebAssembly komponentu modelis

Viens no aizraujošākajiem WebAssembly nākotnes virzieniem ir Komponentu modelis. Šī priekšlikuma mērķis ir nodrošināt patiesu, no valodas neatkarīgu sadarbspēju starp Wasm moduļiem. Iedomājieties Rust komponentu, kas nevainojami izsauc Python komponentu, kurš savukārt izmanto C++ komponentu, un starp tiem visiem tiek nodoti bagātīgi datu tipi.

Komponentu modelis lielā mērā paļaujas uz pielāgotajām sekcijām, lai definētu augsta līmeņa saskarnes, tipus un "pasaules". Šie metadati apraksta, kā komponenti sazinās, ļaujot rīkiem automātiski ģenerēt nepieciešamo līmes kodu. Tas ir lielisks piemērs tam, kā pielāgotās sekcijas nodrošina pamatu sarežģītu jaunu iespēju veidošanai uz Wasm pamatstandarta bāzes.

Praktisks ceļvedis: pielāgoto sekciju pārbaude un manipulēšana

Izprast pielāgotās sekcijas ir lieliski, bet kā ar tām strādāt? Šim nolūkam ir pieejami vairāki standarta rīki.

Būtiskākie rīki

• WABT (The WebAssembly Binary Toolkit): Šis rīku komplekts ir būtisks jebkuram Wasm izstrādātājam. Īpaši noderīgs ir wasm-objdump rīks. Palaižot wasm-objdump -h your_module.wasm, tiks uzskaitītas visas moduļa sekcijas, ieskaitot pielāgotās.
• Binaryen: Tā ir jaudīga kompilatora un rīku ķēdes infrastruktūra Wasm. Tā ietver wasm-strip, rīku pielāgoto sekciju noņemšanai no moduļa.
• Dwarfdump: Standarta rīks (bieži vien iepakots kopā ar Clang/LLVM) DWARF atkļūdošanas sekciju satura parsēšanai un izdrukāšanai cilvēkam lasāmā formātā.

Piemēra darbplūsma: būvēt, pārbaudīt, noņemt

Apskatīsim bieži sastopamu izstrādes darbplūsmu ar vienkāršu C++ failu, main.cpp:

            #include 

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

              
                Copy
              
            
          

1. Kompilēt ar atkļūdošanas informāciju: Mēs izmantojam Emscripten, lai to kompilētu uz Wasm, izmantojot -g karodziņu, lai iekļautu DWARF atkļūdošanas informāciju.

emcc main.cpp -g -o main.wasm

2. Pārbaudīt sekcijas: Tagad izmantosim wasm-objdump, lai redzētu, kas ir iekšā.

wasm-objdump -h main.wasm

Izvade parādīs standarta sekcijas (Tips, Funkcija, Kods utt.), kā arī garu sarakstu ar pielāgotajām sekcijām, piemēram, name, .debug_info, .debug_line un tā tālāk. Pievērsiet uzmanību faila izmēram; tas būs ievērojami lielāks nekā būvējums bez atkļūdošanas informācijas.

3. Noņemt lieko produkcijas versijai: Produkcijas laidienam mēs nevēlamies piegādāt šo lielo failu ar visu atkļūdošanas informāciju. Mēs izmantojam wasm-strip, lai to noņemtu.

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

4. Pārbaudīt vēlreiz: Ja palaidīsiet wasm-objdump -h main.stripped.wasm, jūs redzēsiet, ka visas pielāgotās sekcijas ir pazudušas. Faila main.stripped.wasm izmērs būs daļa no sākotnējā, padarot to daudz ātrāku lejupielādei un ielādei.

Kompromisi: izmērs, veiktspēja un lietojamība

Pielāgotajām sekcijām, īpaši DWARF, ir viens būtisks kompromiss: faila izmērs. Nav nekas neparasts, ka DWARF dati ir 5-10 reizes lielāki par pašu Wasm kodu. Tam var būt būtiska ietekme uz tīmekļa lietojumprogrammām, kur lejupielādes laiks ir kritisks.

Tāpēc "noņemt lieko produkcijas versijai" darbplūsma ir tik svarīga. Labākā prakse ir:

• Izstrādes laikā: Izmantojiet būvējumus ar pilnu DWARF informāciju, lai iegūtu bagātīgu, pirmkoda līmeņa atkļūdošanas pieredzi.
• Produkcijas versijai: Piegādājiet lietotājiem pilnībā "attīrītu" Wasm bināro failu, lai nodrošinātu pēc iespējas mazāku izmēru un ātrāku ielādes laiku.

Dažās progresīvās konfigurācijās atkļūdošanas versija tiek pat mitināta uz atsevišķa servera. Pārlūkprogrammas izstrādātāju rīkus var konfigurēt, lai pēc pieprasījuma ielādētu šo lielāko failu, kad izstrādātājs vēlas atkļūdot produkcijas problēmu, sniedzot jums labāko no abām pasaulēm. Tas ir līdzīgi tam, kā darbojas pirmkoda kartes (source maps) priekš JavaScript.

Ir svarīgi atzīmēt, ka pielāgotajām sekcijām praktiski nav ietekmes uz izpildlaika veiktspēju. Wasm dzinējs tās ātri identificē pēc to ID 0 un parsēšanas laikā vienkārši pārlaižas pāri to lietderīgajai slodzei. Kad modulis ir ielādēts, dzinējs neizmanto pielāgoto sekciju datus, tāpēc tas nepalēnina jūsu koda izpildi.

Noslēgums

WebAssembly pielāgotās sekcijas ir paplašināma binārā formāta dizaina meistarklase. Tās nodrošina standartizētu, nākotnē saderīgu mehānismu bagātīgu metadatu iegulšanai, nesarežģījot pamat-specifikāciju un neietekmējot izpildlaika veiktspēju. Tās ir neredzamais dzinējs, kas nodrošina moderno Wasm izstrādātāja pieredzi, pārvēršot atkļūdošanu no noslēpumainas mākslas par raitu, produktīvu procesu.

No vienkāršiem funkciju nosaukumiem līdz visaptverošajam DWARF universsam un Komponentu modeļa nākotnei, pielāgotās sekcijas ir tas, kas paceļ WebAssembly no vienkārša kompilācijas mērķa līdz plaukstošai, rīkiem bagātai ekosistēmai. Nākamreiz, kad iestatīsiet pārtraukumpunktu savā Rust kodā, kas darbojas pārlūkprogrammā, veltiet brīdi, lai novērtētu kluso, jaudīgo darbu, ko veic pielāgotās sekcijas, kas to padarīja iespējamu.