Ссылочные типы WebAssembly: ссылки на объекты и интеграция со сборщиком мусора (GC)

WebAssembly (Wasm) произвёл революцию в веб-разработке, предоставив портативную, эффективную и безопасную среду выполнения кода. Изначально ориентированный на линейную память и числовые типы, возможности WebAssembly постоянно расширяются. Значительным шагом вперёд стало введение ссылочных типов, в частности, ссылок на объекты и их интеграции со сборщиком мусора (GC). В этой статье мы подробно рассмотрим тонкости ссылочных типов WebAssembly, их преимущества, проблемы и значение для будущего веба и за его пределами.

Что такое ссылочные типы WebAssembly?

Ссылочные типы представляют собой решающий шаг в эволюции WebAssembly. До их появления взаимодействие Wasm с JavaScript (и другими языками) было ограничено передачей примитивных типов данных (чисел, логических значений) и доступом к линейной памяти, что требовало ручного управления памятью. Ссылочные типы позволяют WebAssembly напрямую хранить и манипулировать ссылками на объекты, управляемые сборщиком мусора хост-среды. Это значительно упрощает взаимодействие и открывает новые возможности для создания сложных приложений.

По сути, ссылочные типы позволяют модулям WebAssembly:

• Хранить ссылки на объекты JavaScript.
• Передавать эти ссылки между функциями Wasm и JavaScript.
• Взаимодействовать со свойствами и методами объектов напрямую (хотя и с некоторыми ограничениями – подробности ниже).

Необходимость в сборке мусора (GC) в WebAssembly

Традиционный WebAssembly требует от разработчиков ручного управления памятью, подобно языкам C или C++. Хотя это даёт детальный контроль, это также создаёт риск утечек памяти, висячих указателей и других ошибок, связанных с памятью, что значительно усложняет разработку, особенно для крупных приложений. Более того, ручное управление памятью может снижать производительность из-за накладных расходов на операции malloc/free и сложности аллокаторов памяти. Сборка мусора автоматизирует управление памятью. Алгоритм GC находит и освобождает память, которая больше не используется программой. Это упрощает разработку, снижает риск ошибок с памятью и во многих случаях может повысить производительность. Интеграция GC в WebAssembly позволяет разработчикам более эффективно использовать языки, такие как Java, C#, Kotlin и другие, которые полагаются на сборку мусора, в экосистеме WebAssembly.

Ссылки на объекты: соединяя Wasm и JavaScript

Ссылки на объекты — это особый вид ссылочных типов, который позволяет WebAssembly напрямую взаимодействовать с объектами, управляемыми GC хост-среды, в основном JavaScript в веб-браузерах. Это означает, что модуль WebAssembly теперь может хранить ссылку на объект JavaScript, такой как DOM-элемент, массив или пользовательский объект. Затем модуль может передать эту ссылку другим функциям WebAssembly или обратно в JavaScript.

Рассмотрим ключевые аспекты ссылок на объекты:

1. Тип `externref`

Тип `externref` является основным строительным блоком для ссылок на объекты в WebAssembly. Он представляет собой ссылку на объект, управляемый внешней средой (например, JavaScript). Думайте о нём как об общем «дескрипторе» для объекта JavaScript. Он объявляется как тип WebAssembly, что позволяет использовать его в качестве типа для параметров функций, возвращаемых значений и локальных переменных.

Пример (гипотетический текстовый формат WebAssembly):

            (module
  (func $get_element (import "js" "get_element") (result externref))
  (func $set_property (import "js" "set_property") (param externref i32 i32))

  (func $use_element
    (local $element externref)
    (local.set $element (call $get_element))
    (call $set_property $element (i32.const 10) (i32.const 20))
  )
)
            

              
                Copy
              
            
          

В этом примере `$get_element` импортирует функцию JavaScript, которая возвращает `externref` (предположительно, ссылку на DOM-элемент). Затем функция `$use_element` вызывает `$get_element`, сохраняет возвращённую ссылку в локальной переменной `$element`, а затем вызывает другую функцию JavaScript `$set_property`, чтобы установить свойство для этого элемента.

2. Импорт и экспорт ссылок

Модули WebAssembly могут импортировать функции JavaScript, которые принимают или возвращают типы `externref`. Это позволяет JavaScript передавать объекты в Wasm, а Wasm — передавать объекты обратно в JavaScript. Аналогично, модули Wasm могут экспортировать функции, использующие типы `externref`, что позволяет JavaScript вызывать эти функции и взаимодействовать с объектами, управляемыми Wasm.

Пример (JavaScript):

            async function runWasm() {
  const importObject = {
    js: {
      get_element: () => document.getElementById("myElement"),
      set_property: (element, x, y) => {
        element.style.left = x + "px";
        element.style.top = y + "px";
      }
    }
  };

  const { instance } = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'), importObject);
  instance.exports.use_element();
}
            

              
                Copy
              
            
          

Этот код JavaScript определяет `importObject`, который предоставляет реализации JavaScript для импортируемых функций `get_element` и `set_property`. Функция `get_element` возвращает ссылку на DOM-элемент, а функция `set_property` изменяет стиль элемента на основе предоставленных координат.

3. Утверждения о типах (Type Assertions)

Хотя `externref` предоставляет способ обработки ссылок на объекты, он не обеспечивает безопасность типов внутри WebAssembly. Чтобы решить эту проблему, предложение GC для WebAssembly включает инструкции для утверждений о типах. Эти инструкции позволяют коду Wasm проверять тип `externref` во время выполнения, гарантируя, что он соответствует ожидаемому типу перед выполнением операций с ним.

Без утверждений о типах модуль Wasm потенциально мог бы попытаться получить доступ к свойству `externref`, которого не существует, что привело бы к ошибке. Утверждения о типах предоставляют механизм для предотвращения таких ошибок и обеспечения безопасности и целостности приложения.

Предложение по сборке мусора (GC) для WebAssembly

Предложение по GC для WebAssembly направлено на предоставление стандартизированного способа использования сборки мусора внутри модулей WebAssembly. Это позволяет языкам, таким как Java, C# и Kotlin, которые сильно зависят от GC, компилироваться в WebAssembly более эффективно. Текущее предложение включает несколько ключевых особенностей:

1. Типы GC

Предложение по GC вводит новые типы, специально разработанные для объектов, управляемых сборщиком мусора. Эти типы включают:

• `struct`: Представляет структуру (запись) с именованными полями, подобно структурам в C или классам в Java.
• `array`: Представляет динамически изменяемый массив определённого типа.
• `i31ref`: Специализированный тип, представляющий 31-битное целое число, которое также является объектом GC. Это позволяет эффективно представлять малые целые числа в куче GC.
• `anyref`: Супертип всех типов GC, аналогичный `Object` в Java.
• `eqref`: Ссылка на структуру с изменяемыми полями.

Эти типы позволяют WebAssembly определять сложные структуры данных, которые могут управляться GC, что открывает возможности для создания более продвинутых приложений.

2. Инструкции GC

Предложение по GC вводит набор новых инструкций для работы с объектами GC. Эти инструкции включают:

• `gc.new`: Выделяет новый объект GC указанного типа.
• `gc.get`: Читает поле из структуры GC.
• `gc.set`: Записывает значение в поле структуры GC.
• `gc.array.new`: Выделяет новый массив GC указанного типа и размера.
• `gc.array.get`: Читает элемент из массива GC.
• `gc.array.set`: Записывает элемент в массив GC.
• `gc.ref.cast`: Выполняет приведение типа для ссылки GC.
• `gc.ref.test`: Проверяет, является ли ссылка GC определённого типа, не вызывая исключения.

Эти инструкции предоставляют необходимые инструменты для создания, манипулирования и взаимодействия с объектами GC внутри модулей WebAssembly.

3. Интеграция с хост-средой

Ключевым аспектом предложения по GC для WebAssembly является его интеграция с GC хост-среды. Это позволяет модулям WebAssembly эффективно взаимодействовать с объектами, управляемыми хост-средой, такими как объекты JavaScript в веб-браузере. Тип `externref`, как обсуждалось ранее, играет в этой интеграции жизненно важную роль.

Предложение по GC разработано для бесшовной работы с существующими сборщиками мусора, что позволяет WebAssembly использовать существующую инфраструктуру для управления памятью. Это избавляет от необходимости реализовывать собственный сборщик мусора в WebAssembly, что добавило бы значительные накладные расходы и сложность.

Преимущества ссылочных типов WebAssembly и интеграции с GC

Внедрение ссылочных типов и интеграции с GC в WebAssembly предлагает множество преимуществ:

1. Улучшенная совместимость с JavaScript

Ссылочные типы значительно улучшают совместимость между WebAssembly и JavaScript. Прямая передача ссылок на объекты между Wasm и JavaScript устраняет необходимость в сложных механизмах сериализации и десериализации, которые часто являются узкими местами производительности. Это позволяет разработчикам создавать более бесшовные и эффективные приложения, использующие сильные стороны обеих технологий. Например, вычислительно интенсивная задача, написанная на Rust и скомпилированная в WebAssembly, может напрямую манипулировать DOM-элементами, предоставленными JavaScript, улучшая производительность веб-приложений.

2. Упрощение разработки

Автоматизируя управление памятью, сборка мусора упрощает разработку и снижает риск ошибок, связанных с памятью. Разработчики могут сосредоточиться на написании логики приложения, а не беспокоиться о ручном выделении и освобождении памяти. Это особенно полезно для больших и сложных проектов, где управление памятью может быть значительным источником ошибок.

3. Повышение производительности

Во многих случаях сборка мусора может повысить производительность по сравнению с ручным управлением памятью. Алгоритмы GC часто высоко оптимизированы и могут эффективно управлять использованием памяти. Кроме того, интеграция GC с хост-средой позволяет WebAssembly использовать существующую инфраструктуру управления памятью, избегая накладных расходов на реализацию собственного сборщика мусора.

Например, рассмотрим игровой движок, написанный на C# и скомпилированный в WebAssembly. Сборщик мусора может автоматически управлять памятью, используемой игровыми объектами, освобождая ресурсы, когда они больше не нужны. Это может привести к более плавному игровому процессу и улучшенной производительности по сравнению с ручным управлением памятью для этих объектов.

4. Поддержка более широкого круга языков

Интеграция с GC позволяет языкам, которые полагаются на сборку мусора, таким как Java, C#, Kotlin и Go (с его GC), более эффективно компилироваться в WebAssembly. Это открывает новые возможности для использования этих языков в веб-разработке и других средах на основе WebAssembly. Например, разработчики теперь могут компилировать существующие Java-приложения в WebAssembly и запускать их в веб-браузерах без значительных изменений, расширяя охват этих приложений.

5. Повторное использование кода

Возможность компилировать языки, такие как C# и Java, в WebAssembly обеспечивает повторное использование кода на разных платформах. Разработчики могут написать код один раз и развернуть его в вебе, на сервере и на мобильных устройствах, сокращая затраты на разработку и повышая эффективность. Это особенно ценно для организаций, которым необходимо поддерживать несколько платформ с единой кодовой базой.

Проблемы и соображения

Хотя ссылочные типы и интеграция с GC предлагают значительные преимущества, существуют также некоторые проблемы и соображения, которые следует учитывать:

1. Накладные расходы на производительность

Сборка мусора вносит некоторые накладные расходы на производительность. Алгоритмам GC необходимо периодически сканировать память для выявления и освобождения неиспользуемых объектов, что может потреблять ресурсы ЦП. Влияние GC на производительность зависит от конкретного используемого алгоритма GC, размера кучи и частоты циклов сборки мусора. Разработчикам необходимо тщательно настраивать параметры GC, чтобы минимизировать накладные расходы и обеспечить оптимальную производительность приложения. Различные алгоритмы GC (например, поколенческие, mark-and-sweep) имеют разные характеристики производительности, и выбор алгоритма зависит от конкретных требований приложения.

2. Детерминированное поведение

Сборка мусора по своей природе недетерминирована. Время циклов сборки мусора непредсказуемо и может варьироваться в зависимости от таких факторов, как нагрузка на память и загрузка системы. Это может затруднить написание кода, требующего точного тайминга или детерминированного поведения. В некоторых случаях разработчикам может потребоваться использовать такие методы, как пулинг объектов или ручное управление памятью, чтобы достичь желаемого уровня детерминизма. Это особенно важно в приложениях реального времени, таких как игры или симуляции, где предсказуемая производительность является критически важной.

3. Соображения безопасности

Хотя WebAssembly предоставляет безопасную среду выполнения, ссылочные типы и интеграция с GC вводят новые соображения безопасности. Крайне важно тщательно проверять ссылки на объекты и выполнять утверждения о типах, чтобы предотвратить доступ вредоносного кода к объектам или их изменение непредвиденными способами. Аудиты безопасности и ревью кода необходимы для выявления и устранения потенциальных уязвимостей. Например, вредоносный модуль WebAssembly может попытаться получить доступ к конфиденциальным данным, хранящимся в объекте JavaScript, если не будет выполнена надлежащая проверка и валидация типов.

4. Поддержка языков и инструментарий

Принятие ссылочных типов и интеграции с GC зависит от наличия поддержки языков и инструментария. Компиляторы и наборы инструментов должны быть обновлены для поддержки новых функций WebAssembly. Разработчикам необходим доступ к библиотекам и фреймворкам, которые предоставляют высокоуровневые абстракции для работы с объектами GC. Разработка комплексного инструментария и языковой поддержки имеет решающее значение для широкого внедрения этих функций. Проект LLVM, например, должен быть обновлён для правильной работы с WebAssembly GC для таких языков, как C++.

Практические примеры и сценарии использования

Вот несколько практических примеров и сценариев использования ссылочных типов WebAssembly и интеграции с GC:

1. Веб-приложения со сложными UI

WebAssembly можно использовать для создания веб-приложений со сложными пользовательскими интерфейсами, требующими высокой производительности. Ссылочные типы позволяют модулям WebAssembly напрямую манипулировать DOM-элементами, улучшая отзывчивость и плавность UI. Например, модуль WebAssembly можно использовать для реализации пользовательского компонента UI, который отображает сложную графику или выполняет вычислительно интенсивные расчёты макета. Это позволяет разработчикам создавать более сложные и производительные веб-приложения.

2. Игры и симуляции

WebAssembly — отличная платформа для разработки игр и симуляций. Интеграция с GC упрощает управление памятью и позволяет разработчикам сосредоточиться на игровой логике, а не на выделении и освобождении памяти. Это может привести к ускорению циклов разработки и улучшению производительности игр. Игровые движки, такие как Unity и Unreal Engine, активно рассматривают WebAssembly в качестве целевой платформы, и интеграция с GC будет иметь решающее значение для переноса этих движков в веб.

3. Серверные приложения

WebAssembly не ограничивается веб-браузерами. Его также можно использовать для создания серверных приложений. Интеграция с GC позволяет разработчикам использовать языки, такие как Java и C#, для создания высокопроизводительных серверных приложений, работающих на средах выполнения WebAssembly. Это открывает новые возможности для использования WebAssembly в облачных вычислениях и других серверных средах. Wasmtime и другие серверные среды выполнения WebAssembly активно изучают поддержку GC.

4. Кроссплатформенная мобильная разработка

WebAssembly можно использовать для создания кроссплатформенных мобильных приложений. Компилируя код в WebAssembly, разработчики могут создавать приложения, которые работают как на платформах iOS, так и на Android. Интеграция с GC упрощает управление памятью и позволяет разработчикам использовать такие языки, как C# и Kotlin, для создания мобильных приложений, ориентированных на WebAssembly. Фреймворки, такие как .NET MAUI, изучают WebAssembly в качестве цели для создания кроссплатформенных мобильных приложений.

Будущее WebAssembly и GC

Ссылочные типы и интеграция с GC в WebAssembly представляют собой значительный шаг к превращению WebAssembly в поистине универсальную платформу для выполнения кода. По мере развития языковой поддержки и инструментария мы можем ожидать более широкого внедрения этих функций и растущего числа приложений, созданных на WebAssembly. Будущее WebAssembly светло, и интеграция с GC будет играть ключевую роль в его дальнейшем успехе.

Дальнейшая разработка продолжается. Сообщество WebAssembly продолжает дорабатывать предложение по GC, устраняя крайние случаи и оптимизируя производительность. Будущие расширения могут включать поддержку более продвинутых функций GC, таких как параллельная сборка мусора и поколенческая сборка мусора. Эти усовершенствования ещё больше повысят производительность и возможности WebAssembly.

Заключение

Ссылочные типы WebAssembly, особенно ссылки на объекты, и интеграция с GC являются мощными дополнениями к экосистеме WebAssembly. Они устраняют разрыв между Wasm и JavaScript, упрощают разработку, повышают производительность и позволяют использовать более широкий спектр языков программирования. Хотя существуют проблемы, которые следует учитывать, преимущества этих функций неоспоримы. По мере развития WebAssembly ссылочные типы и интеграция с GC будут играть всё более важную роль в формировании будущего веб-разработки и за её пределами. Воспользуйтесь этими новыми возможностями и исследуйте потенциал, который они открывают для создания инновационных и высокопроизводительных приложений.