WebAssembly Multi-Value ABI: Optimalisering av funksjonsgrensesnitt for ytelse

WebAssembly (Wasm) har blitt en sentral teknologi for moderne web- og ikke-web-applikasjoner, og tilbyr nær-native ytelse, sikkerhet og portabilitet. Et sentralt aspekt ved WebAssemblys design er dets Application Binary Interface (ABI), som definerer hvordan funksjoner kalles og data utveksles. Innføringen av multi-value ABI representerer en betydelig evolusjon, som gjør det mulig for funksjoner å returnere flere verdier direkte, noe som fører til merkbare ytelsesforbedringer og forenklet kodegenerering. Denne artikkelen gir en omfattende oversikt over WebAssemblys multi-value ABI, dets fordeler, bruksområder og innvirkning på det bredere økosystemet.

Forståelse av WebAssembly ABI

WebAssembly ABI spesifiserer kallkonvensjonene for funksjoner, inkludert hvordan argumenter sendes, hvordan returverdier håndteres og hvordan minnet administreres. Opprinnelig var WebAssembly-funksjoner begrenset til å returnere én enkelt verdi. Denne begrensningen krevde ofte omveier, som å returnere en peker til en struktur som inneholdt flere verdier, eller å bruke utdataparametere sendt med referanse. Disse tilnærmingene introduserte overhead på grunn av minneallokering, indireksjon og økt kompleksitet i kodegenereringen.

Enkeltverdi-begrensningen

Før multi-value-forslaget, tenk deg et scenario der en funksjon må returnere både et resultat og en feilkode. I språk som C eller C++ kan dette håndteres ved å returnere en struktur:

            
struct Result {
  int value;
  int error_code;
};

struct Result my_function() {
  // ... computation ...
  struct Result result;
  result.value = ...;
  result.error_code = ...;
  return result;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Når dette kompileres til WebAssembly, vil det oversettes til å allokere minne for `Result`-strukturen i Wasm sitt lineære minne, fylle ut feltene og returnere en peker til denne minneplasseringen. Den kallende funksjonen må da dereferere denne pekeren for å få tilgang til de individuelle verdiene. Denne prosessen innebærer ekstra minneoperasjoner og pekerhåndtering, noe som øker kjøretiden og kodestørrelsen.

Multi-Value-revolusjonen

Multi-value-forslaget fjerner denne begrensningen ved å la WebAssembly-funksjoner direkte returnere flere verdier. Dette eliminerer behovet for mellomliggende minneallokeringer og peker-manipulasjoner, noe som resulterer i mer effektiv kodegenerering og raskere kjøring.

Fordeler med Multi-Value ABI

• Ytelsesforbedring: Ved å eliminere minneallokering og peker-dereferering reduserer multi-value ABI overhead, noe som fører til raskere kjøretider, spesielt for funksjoner som ofte returnerer flere verdier.
• Forenklet kodegenerering: Kompilatorer kan direkte mappe flere returverdier til WebAssemblys multi-value-instruksjoner, noe som forenkler kodegenereringsprosessen og reduserer kompilatorkompleksiteten.
• Forbedret kodelesbarhet: Flerverdi-funksjoner gjør koden enklere å lese og forstå, ettersom intensjonen med å returnere flere relaterte verdier er mer eksplisitt.
• Forbedret interoperabilitet: Multi-value ABI forenkler sømløs interoperabilitet mellom WebAssembly-moduler og andre språk, da det er mer i tråd med semantikken til språk som naturlig støtter flere returverdier (f.eks. Go, Rust, Python).

Praktiske eksempler og bruksområder

Multi-value ABI er fordelaktig i et bredt spekter av applikasjoner. La oss se på noen praktiske eksempler:

1. Feilhåndtering

Som nevnt tidligere, er det å returnere et resultat og en feilkode et vanlig mønster. Med multi-value ABI kan dette uttrykkes direkte:

            
;; WebAssembly-funksjon som returnerer (result:i32, error_code:i32)
(func $my_function (result i32 i32)
  ;; ... beregning ...
  (i32.const 42)
  (i32.const 0)  ;; 0 indikerer suksess
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

Dette unngår overheaden med å allokere en struktur og sende en peker. Den kallende funksjonen kan få direkte tilgang til resultatet og feilkoden:

            
(func $caller
  (local $result i32)
  (local $error_code i32)
  (call $my_function)
  (local.set $result (result 0))
  (local.set $error_code (result 1))
  ;; ... bruk $result og $error_code ...
)

            

              
                Copy
              
            
          

2. Komplekse datastrukturer og tupler

Funksjoner som må returnere flere relaterte verdier, som koordinater (x, y, z) eller statistiske sammendrag (gjennomsnitt, standardavvik), kan dra nytte av multi-value ABI. Tenk på en funksjon som beregner avgrensningsboksen (bounding box) for et sett med punkter:

            
;; WebAssembly-funksjon som returnerer (min_x:f64, min_y:f64, max_x:f64, max_y:f64)
(func $bounding_box (param $points i32) (result f64 f64 f64 f64)
  ;; ... beregning ...
  (f64.const 10.0)
  (f64.const 20.0)
  (f64.const 30.0)
  (f64.const 40.0)
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

Dette eliminerer behovet for å lage en egendefinert struktur for å holde koordinatene til avgrensningsboksen.

3. Optimalisering av kompilator-output

Kompilatorer kan utnytte multi-value ABI for å produsere mer effektiv WebAssembly-kode. For eksempel, tenk på en funksjon som utfører divisjon og returnerer både kvotienten og resten. Språk som C er ofte avhengige av kompilator-intrinsics eller bibliotekfunksjoner for dette formålet. Med multi-value ABI kan kompilatoren direkte mappe kvotienten og resten til separate returverdier:

            
;; WebAssembly-funksjon som returnerer (kvotient:i32, rest:i32)
(func $div_rem (param $a i32) (param $b i32) (result i32 i32)
  (local $quotient i32)
  (local $remainder i32)
  ;; ... beregning av divisjon og rest ...
  (i32.div_s (get_local $a) (get_local $b))
  (i32.rem_s (get_local $a) (get_local $b))
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

4. Spillutvikling og multimedia

Spillutvikling involverer ofte funksjoner som returnerer flere biter av informasjon, som posisjon, hastighet og akselerasjon for spillobjekter. På samme måte kan multimedia-applikasjoner kreve funksjoner for å returnere flere lyd- eller videoprøver. Multi-value ABI kan forbedre ytelsen til disse funksjonene betydelig.

For eksempel kan en funksjon som beregner skjæringspunktet mellom en stråle og en trekant, returnere en boolsk verdi som indikerer om en skjæring fant sted, sammen med koordinatene til skjæringspunktet. Å returnere disse verdiene som separate enheter er mer effektivt enn å pakke dem inn i en struktur.

Implementering og verktøystøtte

Støtte for multi-value ABI har blitt integrert i store WebAssembly-verktøykjeder og kjøretidsmiljøer, inkludert:

• Kompilatorer: LLVM, Emscripten, Binaryen og andre kompilatorer har blitt oppdatert for å støtte generering av WebAssembly-kode som utnytter multi-value ABI.
• Kjøretidsmiljøer: Store nettlesere (Chrome, Firefox, Safari, Edge) og frittstående WebAssembly-kjøretidsmiljøer (Wasmtime, Wasmer) støtter multi-value ABI.
• Utviklingsverktøy: Debuggere, disassemblere og andre utviklingsverktøy har blitt oppdatert for å håndtere flerverdi-funksjoner.

For å dra nytte av multi-value ABI, må utviklere sørge for at verktøykjeden og kjøretidsmiljøet støtter det. Dette innebærer vanligvis å bruke de nyeste versjonene av kompilatorer og kjøretidsmiljøer og aktivere de riktige flaggene eller innstillingene.

Eksempel: Bruk av Emscripten

Når du kompilerer C/C++-kode til WebAssembly med Emscripten, kan du aktivere multi-value ABI ved å sende `-s SUPPORT_MULTIVALUE=1`-flagget til `emcc`-kommandoen:

            
emcc -s SUPPORT_MULTIVALUE=1 my_code.c -o my_module.js

            

              
                Copy
              
            
          

Dette vil instruere Emscripten til å generere WebAssembly-kode som utnytter multi-value ABI der det er mulig. Merk at Javascript-limkoden som genereres av Emscripten også må oppdateres for å håndtere flerverdi-returer. Vanligvis håndteres dette transparent av den oppdaterte Emscripten-verktøykjeden.

Ytelseshensyn og benchmarking

Ytelsesfordelene med multi-value ABI kan variere avhengig av det spesifikke bruksområdet og egenskapene til koden. Funksjoner som ofte returnerer flere verdier, vil sannsynligvis se de mest betydelige forbedringene. Det er avgjørende å benchmarke kode med og uten multi-value ABI for å kvantifisere de faktiske ytelsesgevinstene.

Faktorer som kan påvirke ytelseseffekten inkluderer:

• Frekvens av flerverdi-returer: Jo oftere en funksjon returnerer flere verdier, desto større er den potensielle fordelen.
• Størrelse på returnerte verdier: Å returnere store datastrukturer som flere verdier kan ha andre ytelsesegenskaper sammenlignet med å returnere skalarverdier.
• Kompilatoroptimalisering: Kvaliteten på kompilatorens kodegenerering kan ha betydelig innvirkning på ytelsen.
• Implementering av kjøretidsmiljø: Effektiviteten til WebAssembly-kjøretidsmiljøets håndtering av flerverdi kan også påvirke ytelsen.

Benchmarking bør utføres på realistiske arbeidsbelastninger og på tvers av forskjellige WebAssembly-kjøretidsmiljøer for å få en omfattende forståelse av ytelseseffekten.

Eksempel: Ytelsessammenligning

Tenk på en enkel funksjon som beregner summen og produktet av to tall:

            
int calculate(int a, int b, int *sum, int *product) {
  *sum = a + b;
  *product = a * b;
  return 0; // Suksess
}

            

              
                Copy
              
            
          

Uten flerverdi ville dette kreve å sende pekere til `sum` og `product`. Med flerverdi kunne funksjonen blitt skrevet om til å returnere summen og produktet direkte:

            
// C++ - Krever passende kompilatorflagg for å returnere to verdier fra C++.
std::tuple<int, int> calculate(int a, int b) {
  return std::make_tuple(a + b, a * b);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Benchmarking av begge versjonene ville sannsynligvis avsløre en ytelsesforbedring med flerverdi-versjonen, spesielt hvis denne funksjonen kalles ofte.

Utfordringer og hensyn

Selv om multi-value ABI tilbyr betydelige fordeler, er det noen utfordringer og hensyn man bør være klar over:

• Verktøykjedestøtte: Sørg for at kompilatoren, kjøretidsmiljøet og utviklingsverktøyene dine har full støtte for multi-value ABI.
• Javascript-interoperabilitet: Interaksjon med WebAssembly-moduler fra JavaScript krever forsiktig håndtering av flerverdi-returer. JavaScript API-et må oppdateres for å kunne hente ut de flere verdiene korrekt. Nyere versjoner av WebAssembly interface types, eller "wit", er designet for å håndtere interoperabilitets- og typekonverteringsutfordringer.
• Kodeportabilitet: Selv om WebAssembly er designet for å være portabelt, kan oppførselen til kode som er avhengig av multi-value ABI variere noe på tvers av forskjellige kjøretidsmiljøer. Grundig testing anbefales.
• Debugging: Debugging av flerverdi-funksjoner kan være mer komplisert enn å debugge enkeltverdi-funksjoner. Sørg for at debuggeren din støtter inspeksjon av flere returverdier.

Fremtiden for WebAssembly ABI-er

Multi-value ABI representerer et betydelig skritt fremover i utviklingen av WebAssembly. Fremtidige utviklinger kan inkludere:

• Forbedret støtte for komplekse datatyper: Å utvide multi-value ABI til å støtte mer komplekse datatyper, som structs og arrays, kan ytterligere forbedre ytelsen og forenkle kodegenerering.
• Standardiserte interoperabilitetsmekanismer: Å utvikle standardiserte mekanismer for samhandling med WebAssembly-moduler fra andre språk kan redusere kompleksiteten i utvikling på tvers av språk.
• Avanserte optimaliseringsteknikker: Å utforske avanserte optimaliseringsteknikker som utnytter multi-value ABI kan føre til enda større ytelsesgevinster.

Konklusjon

WebAssemblys multi-value ABI er en kraftig funksjon som muliggjør optimalisering av funksjonsgrensesnitt, noe som fører til ytelsesforbedringer, forenklet kodegenerering og forbedret interoperabilitet. Ved å la funksjoner returnere flere verdier direkte, eliminerer det overheaden forbundet med minneallokering og peker-manipulasjon. Ettersom WebAssembly fortsetter å utvikle seg, vil multi-value ABI spille en stadig viktigere rolle i å muliggjøre høyytelses web- og ikke-web-applikasjoner. Utviklere oppfordres til å utforske fordelene med multi-value ABI og innlemme det i sine WebAssembly-utviklingsarbeidsflyter.

Ved å utnytte multi-value ABI kan utviklere over hele verden skape mer effektive, ytende og vedlikeholdbare WebAssembly-applikasjoner, og dermed flytte grensene for hva som er mulig på nettet og utover.