WebAssembly GC integrācija: Darbs ar pārvaldīto atmiņu un atsauču skaitīšanu

WebAssembly (Wasm) ir strauji attīstījies no tādu valodu kā C++ un Rust kompilācijas mērķa līdz jaudīgai platformai plaša spektra lietojumprogrammu darbināšanai visā tīmeklī un ārpus tā. Kritiskais aspekts šajā evolūcijā ir WebAssembly automātiskās atkritumu savākšanas (GC) integrācijas parādīšanās. Šī funkcija atver iespēju darbināt sarežģītākas, augsta līmeņa valodas, kas paļaujas uz automātisku atmiņas pārvaldību, ievērojami paplašinot Wasm sasniedzamību.

Izstrādātājiem visā pasaulē ir ļoti svarīgi saprast, kā Wasm apstrādā pārvaldīto atmiņu un kādu lomu spēlē tādas metodes kā atsauču skaitīšana. Šis raksts iedziļināsies pamatkoncepcijās, priekšrocībās, izaicinājumos un nākotnes sekās, ko sniedz WebAssembly GC integrācija, sniedzot visaptverošu pārskatu globālajai izstrādes kopienai.

Nepieciešamība pēc automātiskās atkritumu savākšanas WebAssembly

Tradicionāli WebAssembly koncentrējās uz zema līmeņa izpildi, bieži vien kompilējot valodas ar manuālu atmiņas pārvaldību (piemēram, C/C++) vai valodas ar vienkāršākiem atmiņas modeļiem. Tomēr, pieaugot Wasm vērienam iekļaut tādas valodas kā Java, C#, Python un pat modernus JavaScript ietvarus, manuālās atmiņas pārvaldības ierobežojumi kļuva acīmredzami.

Šīs augsta līmeņa valodas bieži paļaujas uz automātisko atkritumu savācēju (GC), lai automātiski pārvaldītu atmiņas piešķiršanu un atbrīvošanu. Bez GC šo valodu ieviešana Wasm prasītu ievērojamu izpildlaika virsmas slodzi, sarežģītus portēšanas centienus vai to izteiksmes spēka ierobežojumus. GC atbalsta ieviešana WebAssembly specifikācijā tieši atrisina šo vajadzību, nodrošinot:

• Plašāks valodu atbalsts: Veicina efektīvu valodu kompilēšanu un izpildi, kas ir neatņemami atkarīgas no GC.
• Vienkāršota izstrāde: Izstrādātājiem, kas raksta ar GC iespējotās valodās, nav jāuztraucas par manuālu atmiņas pārvaldību, samazinot kļūdas un palielinot produktivitāti.
• Uzlabota portabilitāte: Atvieglo visu lietojumprogrammu un izpildlaiku, kas rakstītas tādās valodās kā Java, C# vai Python, portēšanu uz WebAssembly.
• Uzlabota drošība: Automātiska atmiņas pārvaldība palīdz novērst izplatītas ar atmiņu saistītas ievainojamības, piemēram, bufera pārpildes un lietošanas pēc atbrīvošanas kļūdas.

Pārvaldītās atmiņas izpratne Wasm

Pārvaldītā atmiņa attiecas uz atmiņu, ko automātiski piešķir un atbrīvo izpildlaika sistēma, parasti automātiskais atkritumu savācējs. WebAssembly kontekstā tas nozīmē, ka Wasm izpildlaika vide, kopā ar saimniekdatora vidi (piemēram, tīmekļa pārlūkprogrammu vai atsevišķu Wasm izpildlaiku), uzņemas atbildību par objektu dzīves cikla pārvaldību.

Kad valodas izpildlaiks tiek kompilēts Wasm ar GC atbalstu, tas ienes savas atmiņas pārvaldības stratēģijas. WebAssembly GC priekšlikums definē jaunu instrukciju un tipu kopumu, kas ļauj Wasm moduļiem mijiedarboties ar pārvaldītu kaudzi. Šī pārvaldītā kaudze ir vieta, kur atrodas objekti ar GC semantiku. Pamatideja ir nodrošināt standartizētu veidu, kā Wasm moduļi var:

• Piešķirt objektus pārvaldītā kaudze.
• Izveidot atsauces starp šiem objektiem.
• Signalizēt izpildlaikam, kad objekti vairs nav sasniedzami.

GC priekšlikuma loma

WebAssembly GC priekšlikums ir nozīmīgs pasākums, kas paplašina pamata Wasm specifikāciju. Tas ievieš:

• Jauni tipi: Tādu tipu kā funcref, externref un eqref ieviešana, lai attēlotu atsauces Wasm modulī, un, kas svarīgi, gcref tipu kaudzes objektiem.
• Jaunas instrukcijas: Instrukcijas objektu piešķiršanai, objektu lauku lasīšanai un rakstīšanai, kā arī nulles atsauču apstrādei.
• Integrācija ar saimniekdatora objektiem: Mehānismi, lai Wasm moduļi varētu turēt atsauces uz saimniekdatora objektiem (piemēram, JavaScript objektiem), un lai saimniekdatora vides varētu turēt atsauces uz Wasm objektiem, ko visu pārvalda GC.

Šis priekšlikums mērķē uz valodu neitralitāti, kas nozīmē, ka tas nodrošina pamatu, ko var izmantot dažādas GC balstītas valodas. Tas nenosaka konkrētu GC algoritmu, bet gan saskarnes un semantiku GC’d objektiem Wasm ietvaros.

Atsauču skaitīšana: galvenā GC stratēģija

Starp dažādiem automātiskās atkritumu savākšanas algoritmiem, atsauču skaitīšana ir vienkārša un plaši izmantota metode. Atsauču skaitīšanas sistēmā katrs objekts uztur skaitītāju, cik daudz atsauču uz to norāda. Kad šis skaitlis nokrīt līdz nullei, tas norāda, ka objekts vairs nav pieejams un to var droši atbrīvot.

Kā darbojas atsauču skaitīšana:

1. Iniciācija: Kad tiek izveidots objekts, tā atsauču skaitlis tiek inicializēts uz 1 (par norādošo rādītāju, kas to izveidoja).
2. Atsauces piešķiršana: Kad tiek izveidota jauna atsauce uz objektu (piemēram, piešķirot rādītāju citam mainīgajam), objekta atsauču skaitlis tiek palielināts.
3. Atsauces dereferencēšana: Kad atsauce uz objektu tiek iznīcināta vai vairs uz to nenorāda (piemēram, mainīgais iziet no tvēruma vai tiek pārskaidrots), objekta atsauču skaitlis tiek samazināts.
4. Atbrīvošana: Ja pēc samazināšanas objekta atsauču skaitlis kļūst nulle, objekts tiek uzskatīts par nesasniedzamu un tiek nekavējoties atbrīvots. Tā atmiņa tiek atgūta.

Atsauču skaitīšanas priekšrocības

• Vienkāršība: Konceptuāli viegli saprotams un ieviests.
• Deterministiska atbrīvošana: Objekti tiek atbrīvoti, tiklīdz tie kļūst nesasniedzami, kas var novest pie prognozējamākas atmiņas lietošanas un mazākām pauzēm salīdzinājumā ar dažiem izsekošanas atkritumu savācējiem.
• Inkrementāls: Atbrīvošanas darbs tiek sadalīts laika gaitā, mainoties atsauksmēm, izvairoties no lieliem, traucējošiem savākšanas cikliem.

Atsauču skaitīšanas izaicinājumi

Neskatoties uz tā priekšrocībām, atsauču skaitīšana nav bez tās izaicinājumiem:

• Cirkulārās atsauces: Nozīmīgākais trūkums. Ja divi vai vairāki objekti satur atsauces viens uz otru ciklā, to atsauču skaitļi nekad nenokritīs līdz nullei, pat ja viss cikls ir nesasniedzams no pārējās programmas. Tas noved pie atmiņas noplūdēm.
• Virsmērķa slodze: Atsauču skaitļu palielināšana un samazināšana katrā rādītāja piešķiršanā var radīt veiktspējas virsmērķa slodzi.
• Vītņu drošība: Daudzvītņu vidēs atsauču skaitļu atjaunināšana prasa atomiskas operācijas, kas var radīt papildu veiktspējas izmaksas.

WebAssembly pieeja GC un atsauču skaitīšanai

WebAssembly GC priekšlikums neuzliek vienu GC algoritmu. Tā vietā tas nodrošina dažādu GC stratēģiju, tostarp atsauču skaitīšanas, marķēšanas un slaucīšanas, paaudžu savākšanas un citu, celtniecības blokus. Mērķis ir ļaut valodu izpildlaikiem, kas kompilēti uz Wasm, izmantot savu preferēto GC mehānismu.

Valodām, kas natīvi izmanto atsauču skaitīšanu (vai hibrīdo pieeju), var tieši izmantot Wasm GC integrāciju. Tomēr cirkulāro atsauču problēma joprojām pastāv. Lai to risinātu, uz Wasm kompilēti izpildlaiki var:

• Ieviest ciklu noteikšanu: Papildināt atsauču skaitīšanu ar periodiskiem vai pēc pieprasījuma izsekošanas mehānismiem, lai noteiktu un pārtrauktu cirkulārās atsauces. Tas bieži tiek dēvēts par hibrīdu pieeju.
• Izmantot vājas atsauces: Izmantot vājas atsauces, kas nepalielina objekta atsauču skaitli. Tas var pārtraukt ciklus, ja viena no atsauksmēm ciklā ir vāja.
• Izmantot saimniekdatora GC: Vides, piemēram, tīmekļa pārlūkprogrammās, Wasm moduļi var mijiedarboties ar saimniekdatora automātisko atkritumu savācēju. Piemēram, Wasm atsauktie JavaScript objekti var tikt pārvaldīti ar pārlūkprogrammas JavaScript GC.

Wasm GC specifikācija nosaka, kā Wasm moduļi var izveidot un pārvaldīt atsauces uz kaudzes objektiem, ieskaitot atsauces uz vērtībām no saimniekdatora vides (externref). Kad Wasm tur atsauci uz JavaScript objektu, pārlūkprogrammas GC ir atbildīga par šī objekta uzturēšanu. Un otrādi, ja JavaScript tur atsauci uz Wasm GC pārvaldītu Wasm objektu, Wasm izpildlaikam jāpārliecinās, ka Wasm objekts netiek priekšlaicīgi savākts.

Piemēra scenārijs: .NET izpildlaiks Wasm

Apsveriet .NET izpildlaika kompilēšanu uz WebAssembly. .NET izmanto sarežģītu automātisko atkritumu savācēju, parasti paaudžu marķēšanas un slaucīšanas savācēju. Tomēr tas arī pārvalda starpoperāciju ar natīvu kodu un COM objektiem, kas bieži paļaujas uz atsauču skaitīšanu (piemēram, izmantojot ReleaseComObject).

Kad .NET darbojas Wasm ar GC integrāciju:

• Pārvaldītā kaudze esošie .NET objekti tiks pārvaldīti ar .NET GC, kas mijiedarbojas ar Wasm GC primitīviem.
• Ja .NET izpildlaikam ir nepieciešams mijiedarboties ar saimniekdatora objektiem (piemēram, JavaScript DOM elementiem), tas izmantos externref atsauču turēšanai. Šo saimniekdatora objektu pārvaldība tad tiek deleģēta saimniekdatora GC (piemēram, pārlūkprogrammas JavaScript GC).
• Ja .NET kods Wasm ietvaros izmanto COM objektus, .NET izpildlaikam būs atbilstoši jāpārvalda šo objektu atsauču skaitļi, nodrošinot pareizu palielināšanu un samazināšanu, un, iespējams, izmantojot ciklu noteikšanu, ja .NET objekts netieši atsaucas uz COM objektu, kas pēc tam atsaucas uz .NET objektu.

Tas uzsver, kā Wasm GC priekšlikums darbojas kā vienojošs slānis, ļaujot dažādiem valodu izpildlaikiem pieslēgties standartizētai GC saskarnei, vienlaikus saglabājot to pamatā esošās atmiņas pārvaldības stratēģijas.

Praktiskās sekas un lietošanas gadījumi

GC integrācija WebAssembly atver plašu iespēju ainavu izstrādātājiem visā pasaulē:

1. Augsta līmeņa valodu tieša darbināšana

Tādas valodas kā Python, Ruby, Java un .NET valodas tagad var tikt kompilētas un darbinātas Wasm ar daudz lielāku efektivitāti un precizitāti. Tas ļauj izstrādātājiem izmantot savas esošās kodu bāzes un ekosistēmas pārlūkprogrammā vai citās Wasm vidēs.

• Python/Django priekšgalā: Iedomājieties savu Python tīmekļa ietvara loģiku darbināt tieši pārlūkprogrammā, izkraujot aprēķinus no servera.
• Java/JVM lietojumprogrammas Wasm: Uzņēmumu Java lietojumprogrammu portēšana, lai darbotos klienta pusē, potenciāli nodrošinot bagātīgu darbvirsmas līdzīgu pieredzi pārlūkprogrammā.
• .NET Core lietojumprogrammas: .NET lietojumprogrammu darbināšana pilnībā pārlūkprogrammā, nodrošinot starpplatformu izstrādi bez atsevišķiem klienta puses ietvariem.

2. Uzlabota veiktspēja GC-intensīviem darba slodzes

Lietojumprogrammām, kas ietver lielu objektu izveidi un manipulāciju, Wasm GC var piedāvāt ievērojamas veiktspējas priekšrocības salīdzinājumā ar JavaScript, īpaši, ja Wasm GC implementācijas nobriest un tiek optimizētas pārlūkprogrammu nodrošinātāju un izpildlaika nodrošinātāju.

• Spēļu izstrāde: Spēļu dzinēji, kas rakstīti C# vai Java, var tikt kompilēti uz Wasm, gūstot labumu no pārvaldītās atmiņas un potenciāli labākas veiktspējas nekā tīra JavaScript.
• Datu vizualizācija un manipulācija: Sarežģīti datu apstrādes uzdevumi tādās valodās kā Python var tikt pārvietoti uz klienta pusi, nodrošinot ātrākus interaktīvus rezultātus.

3. Savstarpēja mijiedarbība starp valodām

Wasm GC integrācija veicina vienmērīgāku mijiedarbību starp dažādām programmēšanas valodām, kas darbojas vienā Wasm vidē. Piemēram, C++ modulis (ar manuālu atmiņas pārvaldību) var mijiedarboties ar Python moduli (ar GC), nododot atsauces caur Wasm GC saskarni.

• Valodu sajaukšana: Pamata C++ bibliotēka varētu tikt izmantota ar Wasm kompilētu Python lietojumprogrammu, Wasm darbojoties kā tilts.
• Esošo bibliotēku izmantošana: Nobriedušas bibliotēkas tādās valodās kā Java vai C# var tikt nodrošinātas citiem Wasm moduļiem, neatkarīgi no to sākotnējās valodas.

4. Servera puses Wasm izpildlaiki

Papildus pārlūkprogrammai servera puses Wasm izpildlaiki (piemēram, Wasmtime, WasmEdge vai Node.js ar Wasm atbalstu) gūst popularitāti. Iespēja darbināt GC pārvaldītas valodas serverī ar Wasm piedāvā vairākas priekšrocības:

• Drošības smilškaste: Wasm nodrošina robustu drošības smilškasti, padarot to par pievilcīgu iespēju nedroša koda darbināšanai.
• Portabilitāte: Viens Wasm binārs var darboties dažādās serveru arhitektūrās un operētājsistēmās bez atkārtotas kompilēšanas.
• Efektīva resursu izmantošana: Wasm izpildlaiki bieži ir vieglāki un ātrāk startējas nekā tradicionālās virtuālās mašīnas vai konteineri.

Piemēram, uzņēmums var izvietot mikropakalpojumus, kas rakstīti Go (kam ir savs GC) vai .NET Core (kam ir arī GC), kā Wasm moduļus savā serveru infrastruktūrā, gūstot labumu no drošības un portabilitātes aspektiem.

Izaicinājumi un nākotnes virzieni

Lai gan WebAssembly GC integrācija ir nozīmīgs solis uz priekšu, paliek vairāki izaicinājumi un jomas turpmākai attīstībai:

• Veiktspējas paritāte: Veiktspējas paritātes sasniegšana ar natīvu izpildi vai pat ļoti optimizētu JavaScript ir nepārtraukts darbs. GC pauzes, atsauču skaitīšanas virsmērķa slodze un starpoperāciju mehānismu efektivitāte ir visas aktīvas optimizācijas jomas.
• Rīku ķēdes briedums: Dažādu valodu kompilatori un rīku ķēdes, kas paredzētas Wasm ar GC, joprojām nobriest. Gludas kompilēšanas, atkļadošanas un profilēšanas pieredzes nodrošināšana ir ļoti svarīga.
• Standartizācija un evolūcija: WebAssembly specifikācija nepārtraukti attīstās. Ir svarīgi saglabāt GC funkcijas saskaņā ar plašāko Wasm ekosistēmu un risināt galējus gadījumus.
• Starpoperācijas sarežģītība: Lai gan Wasm GC mērķē uz starpoperācijas vienkāršošanu, sarežģītu objektu grafiku pārvaldīšana un pareiza atmiņas pārvaldība dažādās GC sistēmās (piemēram, Wasm GC, saimniekdatora GC, manuāla atmiņas pārvaldība) joprojām var būt sarežģīta.
• Atkļudošana: GC’d lietojumprogrammu atkļadošana Wasm vidēs var būt sarežģīta. Nepieciešams izstrādāt rīkus, lai sniegtu ieskatu par objektu dzīves cikliem, GC darbībām un atsauču ķēdēm.

WebAssembly kopiena aktīvi strādā šajos virzienos. Centieni ietver atsauču skaitīšanas un ciklu noteikšanas efektivitātes uzlabošanu Wasm izpildlaikos, labāku atkļadošanas rīku izstrādi un GC priekšlikuma precizēšanu, lai atbalstītu progresīvākas funkcijas.

Kopienas iniciatīvas:

• Blazor WebAssembly: Microsoft Blazor ietvars, kas ļauj veidot interaktīvas klienta puses tīmekļa UI ar C#, ļoti paļaujas uz .NET izpildlaiku, kas kompilēts uz Wasm, parādot GC praktisko izmantošanu populārā ietvarā.
• GraalVM: Tādi projekti kā GraalVM izpēta veidus, kā kompilēt Java un citas valodas uz Wasm, izmantojot to progresīvās GC iespējas.
• Rust un GC: Lai gan Rust parasti izmanto īpašumtiesības un aizņemšanos atmiņas drošībai, tas izskata integrāciju ar Wasm GC konkrētiem lietošanas gadījumiem, kur GC semantika ir izdevīga, vai mijiedarbībai ar GC’d valodām.

Secinājums

WebAssembly automātiskās atkritumu savākšanas integrācija, ieskaitot tādu koncepciju kā atsauču skaitīšana atbalstu, ievada transformējošu brīdi platformai. Tas dramatiski paplašina lietojumprogrammu klāstu, kuras var efektīvi un rezultatīvi izvietot, izmantojot Wasm, dodot iespēju izstrādātājiem visā pasaulē izmantot savas iecienītākās augsta līmeņa valodas jaunos un aizraujošos veidos.

Izstrādātājiem, kas mērķē uz dažādiem globāliem tirgiem, šo jauninājumu izpratne ir galvenā, lai izveidotu modernas, rezultatīvas un portablas lietojumprogrammas. Neatkarīgi no tā, vai jūs portējat esošu Java uzņēmuma lietojumprogrammu, veidojat ar Python darbināmu tīmekļa pakalpojumu vai izpētāt jaunas robežas starpplatformu izstrādē, WebAssembly GC integrācija piedāvā jaunu jaudīgu rīku kopumu. Tā kā tehnoloģija nobriest un ekosistēma aug, mēs varam sagaidīt, ka WebAssembly kļūs par vēl neatņemamāku globālās programmatūras izstrādes ainavas sastāvdaļu.

Šo iespēju izmantošana ļaus izstrādātājiem izmantot pilnu WebAssembly potenciālu, nodrošinot sarežģītākas, drošākas un efektīvākas lietojumprogrammas, kas pieejamas lietotājiem visur.