WebAssembly anotácia viacerých typov hodnôt: Vylepšenie typového systému pre budúcnosť webu

WebAssembly (Wasm) sa ukázal ako výkonný binárny inštrukčný formát navrhnutý pre takmer natívny výkon na webe aj mimo neho. Jeho úspech pramení z jeho prenositeľnosti, bezpečnosti a efektivity. Jednou z kľúčových vlastností, ktoré prispievajú k týmto atribútom, je jeho typový systém. Významným vylepšením tohto typového systému je zavedenie anotácie viacerých typov hodnôt. Táto funkcia, hoci sa zdá byť malá, odomyká množstvo výhod, ktoré ovplyvňujú výkon, dizajn kompilátorov a celkovú expresivitu.

Pochopenie WebAssembly a jeho typového systému

Predtým, ako sa ponoríme do špecifík anotácie viacerých typov hodnôt, stručne si zrekapitulujme WebAssembly a jeho základný typový systém. WebAssembly je navrhnutý ako kompilačný cieľ pre jazyky na vysokej úrovni ako C, C++, Rust a v poslednej dobe aj pre jazyky ako Python a Java prostredníctvom projektov ako Pyodide a TeaVM. Jeho cieľom je spúšťať kód takmer natívnou rýchlosťou v izolovanom prostredí (sandbox), primárne vo webových prehliadačoch, ale čoraz častejšie aj na serveroch a vo vstavaných systémoch.

Typový systém WebAssembly je relatívne jednoduchý a zameriava sa na malú sadu primitívnych typov:

• i32: 32-bitové celé číslo
• i64: 64-bitové celé číslo
• f32: 32-bitové číslo s pohyblivou desatinnou čiarkou
• f64: 64-bitové číslo s pohyblivou desatinnou čiarkou
• v128: 128-bitový vektor (pre SIMD operácie)
• funcref: Referencia na funkciu
• externref: Externá referencia (pre interakciu s hostiteľským prostredím, napr. JavaScriptom v prehliadači)

Funkcie vo WebAssembly majú presne definované signatúry pozostávajúce zo vstupných typov a jedného návratového typu. Pred návrhom na viacnásobné hodnoty boli funkcie WebAssembly obmedzené na vrátenie najviac jednej hodnoty. Toto obmedzenie, hoci zjednodušilo počiatočnú implementáciu, prinieslo neefektívnosť v určitých scenároch.

Problém: Obmedzenia jednej návratovej hodnoty

Obmedzenie na jednu návratovú hodnotu vo WebAssembly predstavovalo niekoľko výziev:

Výkonnostná réžia

Keď funkcia potrebovala vrátiť viacero hodnôt, vývojári sa museli uchýliť k obchádzkam, ktoré zvyčajne zahŕňali odovzdávanie ukazovateľov na pamäťové miesta, kam mohla funkcia zapísať výsledky. Tento prístup so sebou priniesol niekoľko výkonnostných penalizácií:

• Alokácia pamäte: Alokácia pamäte pre návratové hodnoty pridávala réžiu, najmä ak bola funkcia volaná často.
• Nepriamy prístup do pamäte: Namiesto priameho vrátenia hodnôt v registroch musela funkcia zapisovať do pamäte a volajúci musel z pamäte čítať. Prístup do pamäte je vo všeobecnosti pomalší ako prístup do registrov.
• Zväčšená veľkosť kódu: Kód potrebný na správu alokácie pamäte a nepriamy prístup do pamäte zväčšoval celkovú veľkosť modulu WebAssembly.

Zoberme si jednoduchý príklad: funkcia, ktorá počíta podiel aj zvyšok po delení. Bez možnosti vrátenia viacerých hodnôt by ste museli odovzdať ukazovatele na pamäťové miesta pre podiel a zvyšok:

            // C code (example)
void divide(int a, int b, int *quotient, int *remainder) {
  *quotient = a / b;
  *remainder = a % b;
}

            

              
                Copy
              
            
          

Tento kód v jazyku C by po kompilácii do WebAssembly vyžadoval, aby volajúci alokoval pamäť pre quotient a remainder a odovzdal ukazovatele na tieto pamäťové miesta. Kód WebAssembly by potom zapísal výsledky na tieto pamäťové miesta.

Komplexnosť kompilátora

Kompilátory cieliace na WebAssembly museli implementovať zložité transformácie na spracovanie návratu viacerých hodnôt zo zdrojového jazyka. Napríklad, ak funkcia v C++ vracala std::tuple, kompilátor musel tento tuple "sploštiť" na jednotlivé hodnoty a uložiť ich do pamäte. To pridávalo kompilátoru zložitosť a potenciálne vnášalo neefektívnosť.

Znížená expresivita

Obmedzenie na jednu návratovú hodnotu obmedzovalo expresivitu WebAssembly. Sťažovalo to efektívne reprezentovanie určitých programovacích idiómov a dátových štruktúr. Napríklad, vrátenie viacerých chybových kódov alebo zložitých dátových štruktúr sa stalo ťažkopádnejším.

Riešenie: WebAssembly anotácia viacerých typov hodnôt

Návrh na viacnásobné hodnoty vo WebAssembly rieši tieto obmedzenia tým, že umožňuje funkciám vracať viacero hodnôt priamo. Tým sa eliminuje potreba obchádzok zahŕňajúcich alokáciu pamäte a nepriamy prístup do pamäte, čo vedie k významným zlepšeniam výkonu, zjednodušenému dizajnu kompilátorov a zvýšenej expresivite.

S anotáciou viacerých typov hodnôt môže signatúra funkcie teraz špecifikovať viacero návratových typov. Napríklad:

            ;; WebAssembly code (example)
(func $divide (param $a i32) (param $b i32) (result i32 i32)
  (local $quotient i32)
  (local $remainder i32)
  (local.set $quotient (i32.div_s (local.get $a) (local.get $b)))
  (local.set $remainder (i32.rem_s (local.get $a) (local.get $b)))
  (local.get $quotient)
  (local.get $remainder)
)

            

              
                Copy
              
            
          

V tomto príklade funkcia $divide teraz vracia dve i32 hodnoty: podiel a zvyšok. Kompilátor môže priamo použiť registre na vrátenie týchto hodnôt, čím sa vyhne alokácii pamäte a nepriamemu prístupu do pamäte.

Výhody anotácie viacerých typov hodnôt

Zavedenie anotácie viacerých typov hodnôt prináša niekoľko významných výhod:

Zlepšený výkon

Elimináciou potreby alokácie pamäte a nepriameho prístupu do pamäte môžu viacnásobné návratové hodnoty výrazne zlepšiť výkon, najmä pri funkciách, ktoré často vracajú viacero hodnôt. Zvýšenie výkonu môže byť obzvlášť viditeľné v výpočtovo náročných aplikáciách, ako sú hry, simulácie a spracovanie multimédií.

Zoberme si príklad z reálneho sveta: spracovanie obrazu. Mnoho algoritmov na spracovanie obrazu zahŕňa výpočet viacerých hodnôt pre každý pixel, ako sú farebné zložky (červená, zelená, modrá), alfa (priehľadnosť) a hĺbka. S viacnásobnými návratovými hodnotami môžu byť tieto hodnoty vrátené priamo, čím sa predíde réžii alokácie pamäte a nepriameho prístupu do pamäte. To môže viesť k podstatným zlepšeniam výkonu v aplikáciách na spracovanie obrazu.

Zjednodušený dizajn kompilátora

Viacnásobné návratové hodnoty zjednodušujú úlohu kompilácie jazykov na vysokej úrovni do WebAssembly. Kompilátory už nemusia implementovať zložité transformácie na spracovanie návratu viacerých hodnôt zo zdrojového jazyka. To znižuje zložitosť kompilátora a môže viesť k rýchlejším časom kompilácie a efektívnejšej generácii kódu.

Napríklad jazyky ako Rust a Go natívne podporujú viacnásobné návratové hodnoty. S viacnásobnými návratovými hodnotami vo WebAssembly môžu kompilátory pre tieto jazyky priamo mapovať viacnásobné návraty do WebAssembly bez potreby zložitých obchádzok. Výsledkom je čistejší a efektívnejší kód WebAssembly.

Zvýšená expresivita

Viacnásobné návratové hodnoty zvyšujú expresivitu WebAssembly, čo uľahčuje efektívne reprezentovanie určitých programovacích idiómov a dátových štruktúr. To môže viesť k stručnejšiemu a čitateľnejšiemu kódu.

Zoberme si napríklad funkciu, ktorá vracia výsledok aj chybový kód. S viacnásobnými návratovými hodnotami môže funkcia vrátiť obe hodnoty priamo. To je obzvlášť užitočné pre štruktúrovanejšie a efektívnejšie spracovanie chýb.

Zlepšená interoperabilita

Viacnásobné návratové hodnoty môžu zlepšiť interoperabilitu medzi WebAssembly a inými jazykmi a prostrediami. Napríklad pri volaní funkcie WebAssembly z JavaScriptu je možné k vráteným hodnotám pristupovať priamo ako k poľu alebo objektu, bez potreby prechodného prístupu do pamäte.

Prípady použitia a príklady

Anotácia viacerých typov hodnôt je použiteľná v širokej škále prípadov:

Matematické funkcie

Funkcie, ktoré počítajú viacero súvisiacich hodnôt, ako napríklad podiel a zvyšok po delení, reálnu a imaginárnu časť komplexného čísla alebo sínus a kosínus uhla, môžu profitovať z viacnásobných návratových hodnôt.

Príklad (Matematika): Výpočet vlastných čísel a vlastných vektorov v lineárnej algebre. Tieto často prichádzajú v pároch alebo sadách a viacnásobný návrat zjednodušuje ich spracovanie.

Spracovanie chýb

Funkcie, ktoré potrebujú vrátiť výsledok aj chybový kód, môžu použiť viacnásobné návratové hodnoty na označenie úspechu alebo zlyhania a poskytnutie dodatočných informácií o chybe.

Príklad (Systémové programovanie): Funkcie v operačných systémoch, ktoré vracajú výsledok (napr. deskriptor súboru) a chybový kód (napr. errno) v prípade zlyhania. Tento vzor sa dobre prenáša do WebAssembly pomocou viacnásobných návratových hodnôt.

Manipulácia s dátovými štruktúrami

Funkcie, ktoré manipulujú so zložitými dátovými štruktúrami, ako sú stromy alebo grafy, môžu použiť viacnásobné návratové hodnoty na vrátenie viacerých súvisiacich častí údajov, ako je uzol a jeho rodič alebo deti.

Príklad (Dátové štruktúry): Operácia dequeue v súbežnom rade, ktorá potenciálne vracia hodnotu a booleovskú hodnotu indikujúcu, či bol rad pred operáciou prázdny.

Grafika a multimédiá

Algoritmy na spracovanie obrazu, zvuku a videa často zahŕňajú výpočet viacerých hodnôt pre každý pixel alebo vzorku. Viacnásobné návratové hodnoty môžu zlepšiť výkon týchto algoritmov.

Príklad (Grafika): Funkcia ray tracingu vracajúca farbu (RGB) a informácie o hĺbke v bode priesečníka.

Parsovanie a lexikálna analýza

Parsery a lexery často vracajú viacero hodnôt, ako je naparsovaný token, jeho typ a jeho umiestnenie vo vstupnom prúde. Viacnásobné návratové hodnoty môžu zjednodušiť implementáciu týchto nástrojov.

Príklad (Kompilátory): Lexer funkcia vracajúca typ tokenu a hodnotu tokenu.

Prijatie a implementácia

Anotácia viacerých typov hodnôt bola široko prijatá nástrojmi a behovým prostredím WebAssembly.

• Kompilátory: Hlavné kompilátory, ako sú LLVM, Emscripten a Rustov wasm-pack, podporujú generovanie kódu WebAssembly s viacnásobnými návratovými hodnotami.
• Prehliadače: Všetky hlavné webové prehliadače vrátane Chrome, Firefox, Safari a Edge podporujú WebAssembly s viacnásobnými návratovými hodnotami.
• Behové prostredia: Serverové behové prostredia WebAssembly, ako sú wasmtime a WasmEdge, tiež podporujú viacnásobné návratové hodnoty.

Podpora naprieč rôznymi platformami a nástrojmi upevňuje viacnásobné návratové hodnoty ako štandardnú a nevyhnutnú funkciu WebAssembly.

Úvahy a osvedčené postupy

Hoci anotácia viacerých typov hodnôt ponúka významné výhody, je dôležité zvážiť niektoré osvedčené postupy pri jej používaní:

Udržujte počet návratových hodnôt primeraný

Hoci technicky WebAssembly neukladá prísny limit na počet návratových hodnôt, vo všeobecnosti je vhodné udržiavať počet návratových hodnôt primeraný. Vrátenie príliš mnohých hodnôt môže sťažiť čítanie a údržbu kódu.

Používajte zmysluplné názvy pre návratové hodnoty

Ak je to možné, používajte pre návratové hodnoty zmysluplné názvy, aby sa zlepšila čitateľnosť kódu. To sa dá dosiahnuť pomocou komentárov alebo použitím štruktúrovaných dátových typov na reprezentáciu návratových hodnôt.

Zvážte dátové štruktúry pre zložité návraty

Pre zložité návratové hodnoty zvážte použitie dátových štruktúr, ako sú štruktúry alebo n-tice (tuples), na zoskupenie súvisiacich hodnôt. To môže zlepšiť organizáciu a udržiavateľnosť kódu. Avšak, buďte si vedomí potenciálnych výkonnostných dôsledkov v porovnaní s priamym vrátením jednotlivých hodnôt, najmä ak je potrebné dátovú štruktúru často alokovať a dealokovať.

Budúcnosť WebAssembly a viacnásobných hodnôt

Anotácia viacerých typov hodnôt je kľúčovým krokom vpred vo vývoji WebAssembly. Keďže sa WebAssembly neustále vyvíja a rozširuje svoj dosah aj mimo prehliadača, funkcie ako viacnásobné návratové hodnoty sa stanú ešte dôležitejšími. Táto funkcia dopĺňa ďalšie vznikajúce štandardy WebAssembly, ako je WASI (WebAssembly System Interface), ktorého cieľom je štandardizovať interakciu modulov WebAssembly s operačným systémom, čím sa otvára široká škála serverových a vstavaných aplikácií.

Budúcnosť WebAssembly vyzerá sľubne, s neustálym úsilím o zlepšenie jeho výkonu, bezpečnosti a expresivity. Anotácia viacerých typov hodnôt je dôkazom neustálej inovácie v ekosystéme WebAssembly, ktorá umožňuje vývojárom vytvárať efektívnejšie, výkonnejšie a všestrannejšie aplikácie.

Záver

WebAssembly anotácia viacerých typov hodnôt je významným vylepšením typového systému WebAssembly, ktoré ponúka zlepšený výkon, zjednodušený dizajn kompilátorov, zvýšenú expresivitu a lepšiu interoperabilitu. Tým, že umožňuje funkciám priamo vracať viacero hodnôt, eliminuje potrebu obchádzok zahŕňajúcich alokáciu pamäte a nepriamy prístup do pamäte, čo vedie k efektívnejším a všestrannejším aplikáciám. Keďže WebAssembly naďalej získava na popularite ako univerzálny binárny inštrukčný formát, viacnásobné návratové hodnoty budú hrať čoraz dôležitejšiu úlohu v jeho úspechu.

Vývojári cieliaci na WebAssembly by mali prijať viacnásobné návratové hodnoty a využiť ich výhody na vytváranie vysokovýkonných, efektívnych a expresívnych aplikácií pre web aj mimo neho. Pochopením a využitím tejto výkonnej funkcie môžu vývojári odomknúť plný potenciál WebAssembly a prispieť k jeho neustálemu rastu a vývoju.