Определение возможностей WebAssembly: проверка функций во время выполнения

WebAssembly (Wasm) произвел революцию в веб-разработке, обеспечив производительность, близкую к нативной, прямо в браузере. Однако развивающаяся природа Wasm и его поддержка браузерами означает, что разработчики должны тщательно подходить к определению доступных функций, чтобы их приложения работали без сбоев в различных окружениях. В этой статье рассматривается концепция проверки возможностей WebAssembly во время выполнения и приводятся практические методы и примеры для создания надежных и кроссплатформенных веб-приложений.

Почему определение возможностей важно в WebAssembly

WebAssembly — это быстро развивающаяся технология. Новые функции постоянно предлагаются, внедряются и принимаются различными браузерами с разной скоростью. Не все браузеры поддерживают новейшие функции Wasm, и даже когда поддерживают, реализация может незначительно отличаться. Эта фрагментация требует механизма, позволяющего разработчикам определять, какие функции доступны во время выполнения, и соответствующим образом адаптировать свой код.

Без надлежащего определения возможностей ваше WebAssembly-приложение может:

• Падать или не загружаться в старых браузерах.
• Работать с низкой производительностью из-за отсутствия оптимизаций.
• Демонстрировать нестабильное поведение на разных платформах.

Поэтому понимание и внедрение механизма определения возможностей имеет решающее значение для создания надежных и высокопроизводительных WebAssembly-приложений.

Понимание функций WebAssembly

Прежде чем углубляться в методы определения возможностей, важно понять различные типы функций, которые предлагает WebAssembly. Эти функции можно условно разделить на следующие категории:

• Основные функции (Core Features): Это фундаментальные строительные блоки WebAssembly, такие как базовые типы данных (i32, i64, f32, f64), инструкции управления потоком (if, else, loop, br) и примитивы управления памятью. Эти функции, как правило, хорошо поддерживаются во всех браузерах.
• Стандартные предложения (Standard Proposals): Это функции, которые активно разрабатываются и стандартизируются сообществом WebAssembly. Примеры включают потоки, SIMD, исключения и ссылочные типы. Поддержка этих функций значительно варьируется в разных браузерах.
• Нестандартные расширения (Non-Standard Extensions): Это функции, специфичные для определенных сред выполнения или окружений WebAssembly. Они не являются частью официальной спецификации WebAssembly и могут быть непереносимы на другие платформы.

При разработке WebAssembly-приложения важно знать, какие функции вы используете, и уровень их поддержки в различных целевых средах.

Методы определения возможностей WebAssembly

Существует несколько методов, которые можно использовать для определения функций WebAssembly во время выполнения. Эти методы можно условно разделить на:

• Определение возможностей на основе JavaScript: Этот метод включает использование JavaScript для запроса у браузера информации о конкретных возможностях WebAssembly.
• Определение возможностей на основе WebAssembly: Этот метод включает компиляцию небольшого модуля WebAssembly, который тестирует конкретные функции и возвращает результат.
• Условная компиляция: Этот метод включает использование флагов компилятора для включения или исключения кода в зависимости от целевой среды.

Давайте рассмотрим каждый из этих методов более подробно.

Определение возможностей на основе JavaScript

Определение возможностей на основе JavaScript — самый распространенный и широко поддерживаемый подход. Он основан на объекте WebAssembly в JavaScript, который предоставляет доступ к различным свойствам и методам для запроса возможностей WebAssembly браузера.

Проверка базовой поддержки WebAssembly

Самая простая проверка — это убедиться в существовании объекта WebAssembly:

            if (typeof WebAssembly === "object") {
 console.log("WebAssembly is supported!");
} else {
 console.log("WebAssembly is not supported!");
}
            

              
                Copy
              
            
          

Проверка конкретных функций

К сожалению, объект WebAssembly не предоставляет прямых свойств для проверки конкретных функций, таких как потоки или SIMD. Однако можно использовать хитрый прием для их обнаружения, попытавшись скомпилировать небольшой модуль WebAssembly, который их использует. Если компиляция проходит успешно, функция поддерживается; в противном случае — нет.

Вот пример того, как проверить поддержку SIMD:

            async function hasSimdSupport() {
 try {
 const module = await WebAssembly.compile(new Uint8Array([
 0x00, 0x61, 0x73, 0x6d, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, // Wasm header
 0x01, 0x06, 0x01, 0x60, 0x01, 0x7f, 0x01, 0x7f, // Function type
 0x03, 0x02, 0x01, 0x00, // Function import
 0x07, 0x07, 0x01, 0x02, 0x6d, 0x75, 0x6c, 0x00, 0x00, // Export mul
 0x0a, 0x09, 0x01, 0x07, 0x00, 0x20, 0x00, 0xfd, 0x0b, 0x00, 0x0b // Code section with i8x16.mul
 ]));
 return true;
 } catch (e) {
 return false;
 }
}

hasSimdSupport().then(supported => {
 if (supported) {
 console.log("SIMD is supported!");
 } else {
 console.log("SIMD is not supported!");
 }
});
            

              
                Copy
              
            
          

Этот код пытается скомпилировать модуль WebAssembly, использующий инструкцию SIMD i8x16.mul. Если компиляция проходит успешно, это означает, что браузер поддерживает SIMD. Если происходит сбой, это означает, что SIMD не поддерживается.

Важные моменты:

• Асинхронные операции: Компиляция WebAssembly является асинхронной операцией, поэтому вам нужно использовать async и await для обработки promise.
• Обработка ошибок: Всегда оборачивайте компиляцию в блок try...catch для обработки потенциальных ошибок.
• Размер модуля: Держите тестовый модуль как можно меньше, чтобы минимизировать накладные расходы на определение возможностей.
• Влияние на производительность: Повторная компиляция модулей WebAssembly может быть ресурсозатратной. Кэшируйте результаты определения возможностей, чтобы избежать ненужных перекомпиляций. Используйте `sessionStorage` или `localStorage` для сохранения результатов.

Определение возможностей на основе WebAssembly

Определение возможностей на основе WebAssembly включает компиляцию небольшого модуля WebAssembly, который напрямую тестирует конкретные функции. Этот подход может быть более эффективным, чем определение на основе JavaScript, поскольку он позволяет избежать накладных расходов на взаимодействие с JavaScript.

Основная идея заключается в том, чтобы определить в модуле WebAssembly функцию, которая пытается использовать рассматриваемую возможность. Если функция выполняется успешно, возможность поддерживается; в противном случае — нет.

Вот пример проверки поддержки обработки исключений с помощью WebAssembly:

1. Создайте модуль WebAssembly (например, `exception_test.wat`):

               (module
    (import "" "throw_test" (func $throw_test))
    (func (export "test_exceptions") (result i32)
     (try (result i32)
      i32.const 1
      call $throw_test
     catch any
      i32.const 0
     )
    )
   )
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

2. Создайте JavaScript-обертку:

               async function hasExceptionHandling() {
    const wasmCode = `(module
    (import "" "throw_test" (func $throw_test))
    (func (export "test_exceptions") (result i32)
     (try (result i32)
      i32.const 1
      call $throw_test
     catch any
      i32.const 0
     )
    )
   )`;
   
    const wasmModule = await WebAssembly.compile(new TextEncoder().encode(wasmCode));
    const importObject = {
     "": {
      "throw_test": () => { throw new Error("Test exception"); }
     }
    };
   
    const wasmInstance = await WebAssembly.instantiate(wasmModule, importObject);
   
    try {
     const result = wasmInstance.exports.test_exceptions();
     return result === 1; // Exception handling is supported if it returns 1
    } catch (e) {
     return false; // Exception handling is not supported
    }
   }
   
   hasExceptionHandling().then(supported => {
    if (supported) {
    console.log("Exception handling is supported!");
    } else {
    console.log("Exception handling is not supported!");
    }
   });
   
               
   
                 
                   Copy
                 
               
             

В этом примере модуль WebAssembly импортирует из JavaScript функцию throw_test, которая всегда выбрасывает исключение. Функция test_exceptions пытается вызвать throw_test внутри блока try...catch. Если обработка исключений поддерживается, выполнится блок catch, и функция вернет 0; в противном случае исключение будет передано в JavaScript, и функция вернет 1.

Преимущества:

• Потенциально более эффективно, чем определение возможностей на основе JavaScript.
• Более прямой контроль над тестируемой функцией.

Недостатки:

• Требует написания кода WebAssembly.
• Может быть сложнее в реализации.

Условная компиляция

Условная компиляция включает использование флагов компилятора для включения или исключения кода в зависимости от целевой среды. Этот метод особенно полезен, когда вы заранее знаете целевую среду (например, при сборке для определенного браузера или платформы).

Большинство инструментариев WebAssembly предоставляют механизмы для определения флагов компилятора, которые можно использовать для условного включения или исключения кода. Например, в Emscripten можно использовать флаг -D для определения макросов препроцессора.

Вот пример использования условной компиляции для включения или отключения инструкций SIMD:

            #ifdef ENABLE_SIMD
 // Code that uses SIMD instructions
 i8x16.add ...
#else
 // Fallback code that doesn't use SIMD
 i32.add ...
#endif

            

              
                Copy
              
            
          

При компиляции кода вы можете определить макрос ENABLE_SIMD с помощью флага -D:

            emcc -DENABLE_SIMD my_module.c -o my_module.wasm
            

              
                Copy
              
            
          

Если макрос ENABLE_SIMD определен, будет включен код, использующий инструкции SIMD; в противном случае будет включен резервный код.

Преимущества:

• Может значительно повысить производительность за счет адаптации кода к целевой среде.
• Снижает накладные расходы на определение возможностей во время выполнения.

Недостатки:

• Требует предварительного знания целевой среды.
• Может привести к дублированию кода, если необходимо поддерживать несколько сред.
• Увеличивает сложность сборки

Практические примеры и сценарии использования

Давайте рассмотрим несколько практических примеров использования определения возможностей в приложениях WebAssembly.

Пример 1: Использование потоков

Потоки WebAssembly позволяют выполнять параллельные вычисления, что может значительно повысить производительность задач, интенсивно использующих ЦП. Однако не все браузеры поддерживают потоки WebAssembly.

Вот как использовать определение возможностей, чтобы определить, поддерживаются ли потоки, и использовать их, если они доступны:

            async function hasThreadsSupport() {
 try {
  const module = await WebAssembly.compile(new Uint8Array([
   0x00, 0x61, 0x73, 0x6d, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, 0x04, 0x01, 0x60, 0x00, 0x00, 0x03, 0x02, 0x01, 0x00, 0x05, 0x03, 0x01, 0x00, 0x01, 0x0a, 0x07, 0x01, 0x05, 0x00, 0x41, 0x00, 0x0f, 0x0b
  ]));
  if (typeof SharedArrayBuffer !== 'undefined') {
   return true;
  } else {
   return false;
  }
 } catch (e) {
  return false;
 }
}

hasThreadsSupport().then(supported => {
 if (supported) {
  console.log("Threads are supported!");
  // Use WebAssembly threads
 } else {
  console.log("Threads are not supported!");
  // Use a fallback mechanism (e.g., web workers)
 }
});

            

              
                Copy
              
            
          

Этот код сначала проверяет наличие SharedArrayBuffer (требование для потоков Wasm), а затем пытается скомпилировать минимальный модуль, чтобы подтвердить, что браузер может обрабатывать инструкции, связанные с потоками.

Если потоки поддерживаются, вы можете использовать их для выполнения параллельных вычислений. В противном случае вы можете использовать резервный механизм, такой как веб-воркеры, для достижения параллелизма.

Пример 2: Оптимизация для SIMD

Инструкции SIMD (Single Instruction, Multiple Data) позволяют выполнять одну и ту же операцию над несколькими элементами данных одновременно, что может значительно повысить производительность задач с параллельной обработкой данных. Однако поддержка SIMD варьируется в разных браузерах.

Вот как использовать определение возможностей, чтобы определить, поддерживается ли SIMD, и использовать его, если он доступен:

            async function hasSimdSupport() {
 try {
 const module = await WebAssembly.compile(new Uint8Array([
 0x00, 0x61, 0x73, 0x6d, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, // Wasm header
 0x01, 0x06, 0x01, 0x60, 0x01, 0x7f, 0x01, 0x7f, // Function type
 0x03, 0x02, 0x01, 0x00, // Function import
 0x07, 0x07, 0x01, 0x02, 0x6d, 0x75, 0x6c, 0x00, 0x00, // Export mul
 0x0a, 0x09, 0x01, 0x07, 0x00, 0x20, 0x00, 0xfd, 0x0b, 0x00, 0x0b // Code section with i8x16.mul
 ]));
 return true;
 } catch (e) {
 return false;
 }
}

hasSimdSupport().then(supported => {
 if (supported) {
 console.log("SIMD is supported!");
  // Use SIMD instructions for data-parallel tasks
 } else {
  console.log("SIMD is not supported!");
  // Use scalar instructions for data-parallel tasks
 }
});

            

              
                Copy
              
            
          

Если SIMD поддерживается, вы можете использовать инструкции SIMD для более эффективного выполнения задач с параллельной обработкой данных. В противном случае вы можете использовать скалярные инструкции, которые будут работать медленнее, но все равно корректно.

Лучшие практики по определению возможностей WebAssembly

Вот несколько лучших практик, которые следует учитывать при реализации определения возможностей WebAssembly:

• Определяйте возможности на раннем этапе: Выполняйте определение возможностей как можно раньше в жизненном цикле вашего приложения. Это позволит вам соответствующим образом адаптировать код до выполнения критически важных для производительности операций.
• Кэшируйте результаты определения возможностей: Определение возможностей может быть ресурсозатратной операцией, особенно если она включает компиляцию модулей WebAssembly. Кэшируйте результаты, чтобы избежать ненужных перекомпиляций. Используйте такие механизмы, как `sessionStorage` или `localStorage`, для сохранения этих результатов между загрузками страниц.
• Предоставляйте резервные механизмы: Всегда предоставляйте резервные механизмы для функций, которые не поддерживаются. Это гарантирует, что ваше приложение будет работать корректно даже в старых браузерах.
• Используйте библиотеки для определения возможностей: Рассмотрите возможность использования существующих библиотек для определения возможностей, таких как Modernizr, чтобы упростить этот процесс.
• Тестируйте тщательно: Тщательно тестируйте свое приложение в различных браузерах и на разных платформах, чтобы убедиться, что определение возможностей работает правильно.
• Рассмотрите прогрессивное улучшение: Проектируйте свое приложение с использованием подхода прогрессивного улучшения. Это означает, что вы должны начать с базового уровня функциональности, который работает во всех браузерах, а затем постепенно расширять приложение за счет более продвинутых функций, если они поддерживаются.
• Документируйте свою стратегию определения возможностей: Четко документируйте свою стратегию определения возможностей в кодовой базе. Это облегчит другим разработчикам понимание того, как ваше приложение адаптируется к различным средам.
• Следите за поддержкой функций: Будьте в курсе последних функций WebAssembly и уровня их поддержки в разных браузерах. Это позволит вам при необходимости корректировать свою стратегию определения возможностей. Веб-сайты, такие как Can I Use, являются бесценными ресурсами для проверки поддержки различных технологий браузерами.

Заключение

Определение возможностей WebAssembly — это важнейший аспект создания надежных и кроссплатформенных веб-приложений. Понимая различные методы определения возможностей и следуя лучшим практикам, вы можете гарантировать, что ваше приложение будет бесперебойно работать в различных средах и использовать новейшие функции WebAssembly, когда они доступны.

По мере развития WebAssembly определение возможностей будет становиться еще более важным. Оставаясь в курсе событий и адаптируя свои методы разработки, вы можете гарантировать, что ваши WebAssembly-приложения останутся производительными и совместимыми на долгие годы.

В этой статье был представлен всеобъемлющий обзор определения возможностей WebAssembly. Внедряя эти методы, вы можете обеспечить лучший пользовательский опыт и создавать более отказоустойчивые и производительные веб-приложения.