WebAssembly Функции с несколькими значениями: освоение множественных возвращаемых значений для глобальных разработчиков

В быстро развивающемся мире веб- и системного программирования эффективность и выразительность имеют первостепенное значение. WebAssembly (WASM) стал мощной целью компиляции, позволяющей разработчикам запускать код, написанный на таких языках, как C++, Rust, Go и AssemblyScript, со скоростью, близкой к скорости нативного кода в браузере и за его пределами. Одним из наиболее значительных недавних дополнений к спецификации WebAssembly является поддержка функций с несколькими значениями. Эта функция, кажущаяся незначительной, предлагает значительный скачок вперед в том, как мы можем обрабатывать множественные возвращаемые значения, оптимизируя код и повышая производительность среди разнообразного глобального сообщества разработчиков.

Проблема множественных возвращаемых значений в традиционном программировании

Прежде чем углубляться в решение WebAssembly, давайте рассмотрим общие подходы к возврату нескольких значений из функции в традиционных парадигмах программирования. Разработчики часто сталкиваются со сценариями, когда функции необходимо передать несколько частей информации обратно вызывающей стороне. Без прямой поддержки множественного возврата общие обходные пути включают:

• Возврат структуры или объекта: Это чистый и идиоматичный подход во многих языках. Вызывающая сторона получает единую составную структуру данных, содержащую все возвращаемые значения. Будучи надежным, он иногда может создавать избыточные расходы из-за выделения и копирования памяти, особенно для больших структур или в критических с точки зрения производительности циклах.
• Использование выходных параметров (указателей/ссылок): В таких языках, как C или C++, функции часто изменяют переменные, передаваемые по ссылке или указателю. Это может быть эффективным, но также может привести к менее читабельному коду, поскольку намерение не всегда сразу ясно из сигнатуры функции. Это также усложняет понятие неизменяемости.
• Упаковка значений в один тип данных: В простых случаях разработчики могут упаковывать несколько логических флагов или небольших целых чисел в более крупный целочисленный тип, используя побитовые операции. Это очень эффективно, но жертвует удобочитаемостью и осуществимо только для очень ограниченных данных.
• Возврат кортежа или массива: Аналогично структурам, но часто менее строго типизировано. Это может быть удобно, но может потребовать приведения типов или тщательной индексации вызывающей стороной.

Эти методы, хотя и функциональны, часто сопряжены с компромиссами с точки зрения ясности, производительности или и того, и другого. Для глобальной аудитории, где код может поддерживаться командами с разным языковым опытом, последовательность и простота понимания имеют решающее значение. Отсутствие универсально эффективного и понятного механизма для множественных возвратов было постоянным, хотя и часто незначительным, камнем преткновения.

Представляем функции WebAssembly с несколькими значениями

Функция WebAssembly с несколькими значениями напрямую решает эту проблему. Она позволяет функции WebAssembly возвращать несколько значений одновременно без необходимости использования промежуточных структур данных или выходных параметров. Это достигается путем определения сигнатур функций, которые напрямую перечисляют несколько типов возвращаемых значений.

Рассмотрим сигнатуру функции в текстовом формате WebAssembly (WAT), которая возвращает два целых числа:

            (func (result i32 i64) ...)
            

              
                Copy
              
            
          

Это означает, что функция выдаст i32, за которым следует i64. Когда эта функция вызывается из JavaScript или другой хост-среды, она может возвращать оба значения напрямую, часто в виде кортежа или массива, в зависимости от уровня связывания хост-среды.

Преимущества для глобальных разработчиков

Последствия функций с несколькими значениями далеко идущие, особенно для глобальной аудитории:

• Улучшенная читабельность и выразительность: Код становится более интуитивно понятным. Сигнатура функции четко объявляет все свои выходные данные, снижая когнитивную нагрузку для разработчиков, пытающихся понять ее поведение. Это бесценно для международных команд, где общение и понимание имеют решающее значение.
• Повышенная производительность: Устраняя избыточные расходы, связанные с созданием и передачей временных структур данных (таких как структуры или массивы) для возвращаемых значений, функции с несколькими значениями могут привести к значительному повышению производительности. Это особенно полезно в чувствительных к производительности приложениях, играх, симуляциях и задачах обработки данных, которые распространены в различных глобальных отраслях.
• Упрощенная интероперабельность: Хотя точное представление нескольких возвращаемых значений в хост-среде (например, JavaScript) может варьироваться (часто в виде массива или кортежа), основная функция WebAssembly упрощает создание этих данных. Инструментарии языка, предназначенные для WASM, могут использовать это изначально, что приводит к более эффективным и идиоматичным связываниям.
• Более чистая генерация кода: Компиляторы для таких языков, как Rust, Go и C++, могут генерировать более прямой и эффективный код WASM, когда функции необходимо вернуть несколько значений. Вместо сложных ручных преобразований они могут сопоставлять языковые конструкции непосредственно с возможностями множественных значений WASM.
• Уменьшенная сложность при разработке алгоритмов: Некоторые алгоритмы естественным образом производят несколько независимых результатов. Функции с несколькими значениями делают реализацию этих алгоритмов в WASM более простой и менее подверженной ошибкам.

Практические примеры на разных языках

Давайте проиллюстрируем, как можно использовать функции с несколькими значениями, на примерах популярных языков, которые компилируются в WebAssembly.

1. Rust

Rust имеет отличную поддержку кортежей, которые очень естественно сопоставляются с типом возврата нескольких значений WebAssembly.

            #[no_mangle]
pub extern "C" fn calculate_stats(a: i32, b: i32) -> (i32, i32, i32) {
    let sum = a + b;
    let difference = a - b;
    let product = a * b;
    (sum, difference, product)
}

            

              
                Copy
              
            
          

Когда этот код Rust компилируется в WebAssembly, функция calculate_stats будет экспортирована с сигнатурой, которая может возвращать три значения i32. Вызывающая сторона JavaScript может получить их в виде массива:

            // Assuming 'wasmInstance.exports.calculate_stats' is available
const result = wasmInstance.exports.calculate_stats(10, 5);
// result might be [15, 5, 50]
console.log(`Sum: ${result[0]}, Difference: ${result[1]}, Product: ${result[2]}`);

            

              
                Copy
              
            
          

Это позволяет избежать необходимости для Rust создавать временную структуру только для того, чтобы вернуть эти значения модулю WASM.

2. Go

Go также изначально поддерживает несколько возвращаемых значений, что делает его интеграцию с функцией множественных значений WebAssembly плавной.

            
package main

import "fmt"

//export process_data
func process_data(input int) (int, int, error) {
	if input < 0 {
		return 0, 0, fmt.Errorf("input cannot be negative")
	}
	return input * 2, input / 2, nil
}

func main() {
	// This main function is typically not exported directly to WASM for host interaction
}

            

              
                Copy
              
            
          

Функция process_data возвращает целое число, другое целое число и ошибку. При компиляции в WASM инструментарий Go может использовать WASM multi-value для представления этих трех возвращаемых значений. Хост-среда, вероятно, получит их, возможно, в виде массива, где последний элемент может быть объектом ошибки или контрольным значением, указывающим на успех/неудачу.

3. C/C++ (через Emscripten/LLVM)

Хотя C и C++ сами по себе не имеют прямого синтаксиса возврата нескольких значений, как Rust или Go, компиляторы, такие как Clang (через Emscripten или прямые цели WASM), могут преобразовывать функции, возвращающие несколько значений, в эффективный WASM. Это часто включает в себя компилятор, внутренне использующий методы, которые выигрывают от возможностей множественных значений WASM, даже если исходный код C/C++ выглядит так, как будто он использует выходные параметры или возвращает структуру.

Например, функцию C, которая предназначена для возврата нескольких значений, можно концептуально структурировать следующим образом:

            
// Conceptually, though actual C would use output parameters
typedef struct {
    int first;
    long second;
} MultiResult;

// A function designed to return multiple values (e.g., using a struct)
// The compiler targeting WASM with multi-value support can optimize this.
MultiResult complex_calculation(int input) {
    MultiResult res;
    res.first = input * 2;
    res.second = (long)input * input;
    return res;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Современный компилятор WASM может проанализировать это и, если цель поддерживает несколько значений, потенциально сгенерировать WASM, который возвращает два значения (i32 и i64) напрямую, вместо создания и возврата структуры в стеке. Эта оптимизация обусловлена базовой возможностью WASM.

4. AssemblyScript

AssemblyScript, язык, похожий на TypeScript, для WebAssembly, также обеспечивает поддержку возвратов нескольких значений, часто отражая возможности возврата в виде кортежей JavaScript.

            
export function get_coordinates(): [f64, f64] {
    let x: f64 = Math.random() * 100.0;
    let y: f64 = Math.random() * 100.0;
    return [x, y];
}

            

              
                Copy
              
            
          

Эта функция AssemblyScript возвращает кортеж из двух значений f64. При компиляции он будет сопоставлен с сигнатурой функции WASM, возвращающей два значения f64. Хост JavaScript получит это в виде массива `[x_value, y_value]`.

Технические соображения и детали реализации

Спецификация WebAssembly определяет функции с несколькими значениями как часть предложения Функция и Управление потоком. Важно отметить, что точное представление нескольких возвращаемых значений в языке хоста (например, JavaScript) управляется уровнем связывания или конкретным инструментарием, используемым для взаимодействия с модулем WASM. Обычно:

• JavaScript: При вызове функции WASM с несколькими возвращаемыми значениями JavaScript часто получает их в виде массива. Например, может быть вызвана функция WASM, возвращающая (i32, i64), и вызывающая сторона JavaScript получает массив, подобный [intValue, longValue].
• Языковые связывания: Для таких языков, как Python, Ruby или Node.js, конкретные библиотеки или фреймворки, используемые для загрузки модулей WebAssembly и взаимодействия с ними, будут определять, как эти несколько возвращаемых значений будут представлены разработчику.

Поддержка компилятора

Широкое распространение функций с несколькими значениями зависит от надежной поддержки компилятора. Основные компиляторы, ориентированные на WASM, и их инструментарии были обновлены для использования этой функции:

• LLVM: Основной движок, лежащий в основе многих компиляторов WASM (включая Clang, Rustc и другие), был обновлен для поддержки инструкций с несколькими значениями.
• Rustc: Как видно из примера, языковые функции Rust хорошо сопоставляются, и компилятор генерирует эффективный WASM.
• Инструментарий Go: Встроенная поддержка Go для нескольких возвращаемых значений напрямую транслируется.
• AssemblyScript: Разработан с учетом WASM, он предлагает прямую поддержку.

Разработчики должны убедиться, что они используют последние версии своих соответствующих инструментариев, чтобы в полной мере воспользоваться этой функцией.

Возможные недостатки и лучшие практики

Несмотря на всю мощь, при реализации функций с несколькими значениями рекомендуется учитывать лучшие практики:

• Избегайте чрезмерного использования: Функции с несколькими значениями отлично подходят для возврата небольшого, согласованного набора результатов, логически связанных друг с другом. Если функции необходимо вернуть много разрозненных значений, это может указывать на необходимость рефакторинга логики или пересмотра ответственности функции. Возврат 2-3 значений обычно является идеальным вариантом.
• Ясность в именовании: Убедитесь, что имя функции четко сообщает, что она делает. Сигнатура в сочетании с описательным именем должна сделать цель и выходные данные очевидными.
• Обработка хост-среды: Помните о том, как выбранная вами хост-среда (например, браузер JavaScript, Node.js и т. д.) представляет несколько возвращаемых значений. Последовательная обработка в рамках вашего проекта или команды является ключевым моментом.
• Обработка ошибок: Если одно из возвращаемых значений предназначено для обозначения ошибки, убедитесь, что используется согласованный шаблон, будь то возврат явного типа ошибки (как в Go) или определенного значения, указывающего на сбой.
• Версии инструментария: Всегда используйте самые современные компиляторы и среды выполнения WASM, чтобы обеспечить совместимость и преимущества производительности.

Глобальное влияние улучшений WebAssembly

Непрерывная эволюция WebAssembly, отмеченная такими функциями, как функции с несколькими значениями, имеет решающее значение для его глобального принятия. По мере того, как WASM выходит за рамки браузера в такие области, как бессерверные вычисления, граничные функции и системы плагинов, стандартизированные, эффективные и выразительные функции становятся еще более важными.

• Уменьшение трений для интероперабельности языков: Для компаний и проектов с открытым исходным кодом, которые используют полиглотный подход, WASM действует как общая основа. Функции с несколькими значениями упрощают интерфейс между модулями, написанными на разных языках, делая интеграцию более плавной. Это большое преимущество для глобальных команд разработчиков.
• Демократизация высокопроизводительных вычислений: Обеспечивая производительность, близкую к нативной, для языков, которые ранее было трудно эффективно развертывать в Интернете или в различных средах, WASM снижает барьер для входа для сложных приложений. Функции с несколькими значениями способствуют этому, оптимизируя общие шаблоны кодирования.
• Защита приложений от будущего: По мере развития WASM приложения, созданные с использованием этих функций, будут лучше подготовлены к использованию будущих оптимизаций и новых возможностей среды выполнения WASM.

Заключение

Функция WebAssembly с несколькими значениями — это больше, чем просто техническая деталь; это фактор, обеспечивающий более чистый, более производительный и более выразительный код. Для глобального сообщества разработчиков она упрощает общие задачи программирования, сокращает накладные расходы и повышает удобочитаемость кода. Непосредственно поддерживая возврат нескольких значений, WASM приближается к естественной выразительности языков высокого уровня, сохраняя при этом свои преимущества в производительности и переносимости.

При интеграции WebAssembly в свои проекты подумайте о том, как вы можете использовать функции с несколькими значениями для оптимизации своей кодовой базы и повышения производительности. Эта функция в сочетании с продолжающимися инновациями в экосистеме WebAssembly укрепляет его позицию в качестве краеугольной технологии для будущего разработки программного обеспечения во всем мире.