WebAssembly obravnava izjem: Poglobljen pogled na razvijanje sklada

WebAssembly (Wasm) je revolucioniral splet s ponudbo visoko zmogljivega, prenosljivega cilja za prevajanje. Čeprav je bil sprva osredotočen na numerično računanje, se Wasm vse pogosteje uporablja za kompleksne aplikacije, ki zahtevajo robustne mehanizme za obravnavo napak. Tu nastopi obravnava izjem. Ta članek se poglablja v obravnavo izjem WebAssembly, pri čemer se osredotoča posebej na ključni postopek razvijanja sklada. Preučili bomo podrobnosti implementacije, vidike zmogljivosti in splošni vpliv na razvoj Wasma.

Kaj je obravnava izjem?

Obravnava izjem je konstrukcija programskega jezika, zasnovana za obravnavo napak ali izjemnih stanj, ki se pojavijo med izvajanjem programa. Namesto da bi se program sesul ali kazal nedefinirano vedenje, lahko »vrže« izjemo, ki jo nato »ujame« določen obravnavalnik. To omogoča programu, da si elegantno opomore od napak, zabeleži diagnostične informacije ali izvede operacije čiščenja, preden nadaljuje z izvajanjem ali se elegantno konča.

Razmislite o situaciji, ko poskušate dostopati do datoteke. Datoteka morda ne obstaja ali pa nimate potrebnih dovoljenj za branje. Brez obravnave izjem se lahko vaš program sesuje. Z obravnavo izjem lahko kodo za dostop do datoteke zavijete v blok try in zagotovite blok catch za obravnavo morebitnih izjem (npr. FileNotFoundException, SecurityException). To vam omogoča, da uporabniku prikažete informativno sporočilo o napaki ali poskusite si opomoči od napake.

Potreba po obravnavi izjem v WebAssembly

Ker se WebAssembly razvija iz peskovnika za izvajanje majhnih modulov v platformo za obsežne aplikacije, postaja potreba po pravilni obravnavi izjem vse pomembnejša. Brez izjem postane obravnavanje napak okorno in nagnjeno k napakam. Razvijalci se morajo zanašati na vračanje kod napak ali uporabo drugih ad-hoc mehanizmov, zaradi česar je koda težje berljiva, vzdrževana in razhroščevana.

Razmislite o kompleksni aplikaciji, napisani v jeziku, kot je C++, in prevedeni v WebAssembly. Koda C++ se lahko močno zanaša na izjeme za obravnavo napak. Brez pravilne obravnave izjem v WebAssembly prevedena koda bodisi ne bi delovala pravilno bodisi bi zahtevala znatne spremembe za zamenjavo mehanizmov za obravnavo izjem. To je še posebej pomembno za projekte, ki prenašajo obstoječe kode v ekosistem WebAssembly.

Predlog obravnave izjem WebAssembly

Skupnost WebAssembly si prizadeva za standardiziran predlog obravnave izjem (pogosto imenovan WasmEH). Ta predlog želi zagotoviti prenosljiv in učinkovit način za obravnavo izjem v WebAssembly. Predlog določa nove ukaze za metanje in lovljenje izjem, pa tudi mehanizem za razvijanje sklada, ki je v središču tega članka.

Ključne komponente predloga obravnave izjem WebAssembly vključujejo:

• try/catch bloki: Podobno kot obravnava izjem v drugih jezikih, WebAssembly ponuja bloke try in catch za obdajanje kode, ki lahko vrže izjeme, in za obravnavo teh izjem.
• Objekti izjem: Izjeme WebAssembly so predstavljene kot objekti, ki lahko prenašajo podatke. To omogoča obravnavalniku izjem dostop do informacij o napaki, ki se je pojavila.
• throw ukaz: Ta ukaz se uporablja za sprožitev izjeme.
• rethrow ukaz: Omogoča obravnavalniku izjem, da posreduje izjemo na višjo raven.
• Razvijanje sklada: Postopek čiščenja klicnega sklada po tem, ko je izjema vržena, ki je bistvenega pomena za zagotavljanje ustreznega upravljanja z viri in stabilnosti programa.

Razvijanje sklada: Jedro obravnave izjem

Razvijanje sklada je kritičen del postopka obravnave izjem. Ko je izjema vržena, mora izvajalno okolje WebAssembly »razviti« klicni sklad, da najde ustrezen obravnavalnik izjem. To vključuje naslednje korake:

1. Izjema je vržena: Izvede se ukaz throw, ki signalizira, da je prišlo do izjeme.
2. Iskanje obravnavalnika: Izvajalno okolje išče v klicnem skladu blok catch, ki lahko obravnava izjemo. To iskanje poteka od trenutne funkcije proti korenu klicnega sklada.
3. Razvijanje sklada: Ko izvajalno okolje prehaja po klicnem skladu, mora »razviti« okvir sklada vsake funkcije. To vključuje:
   • Obnovitev prejšnjega kazalca sklada.
   • Izvedbo vseh blokov finally (ali enakovredne kode za čiščenje v jezikih, ki nimajo izrecnih blokov finally), ki so povezani s funkcijami, ki se razvijajo. To zagotavlja, da so viri pravilno sproščeni in da program ostane v doslednem stanju.
   • Odstranjevanje okvirja sklada iz klicnega sklada.
4. Obravnavalnik je najden: Če je najden ustrezen obravnavalnik izjem, izvajalno okolje prenese nadzor na obravnavalnik. Obravnavalnik lahko nato dostopa do informacij o izjemi in sprejme ustrezne ukrepe.
5. Obravnavalnik ni najden: Če v klicnem skladu ni najden ustrezen obravnavalnik izjem, se izjema šteje za neobravnavano. Izvajalno okolje WebAssembly običajno v tem primeru prekine program (čeprav lahko vdelovalniki prilagodijo to vedenje).

Primer: Razmislite o naslednjem poenostavljenem klicnem skladu:

Funkcija A kliče funkcijo B
Funkcija B kliče funkcijo C
Funkcija C vrže izjemo

Če funkcija C vrže izjemo in ima funkcija B blok try/catch, ki lahko obravnava izjemo, bo postopek razvijanja sklada:

1. Razvil okvir sklada funkcije C.
2. Prenesel nadzor na blok catch v funkciji B.

Če funkcija B *nima* bloka catch, se bo postopek razvijanja nadaljeval do funkcije A.

Implementacija razvijanja sklada v WebAssembly

Implementacija razvijanja sklada v WebAssembly vključuje več ključnih komponent:

• Predstavitev klicnega sklada: Izvajalno okolje WebAssembly mora vzdrževati predstavitev klicnega sklada, ki mu omogoča učinkovito prehajanje po okvirih sklada. To običajno vključuje shranjevanje informacij o funkciji, ki se izvaja, lokalnih spremenljivkah in povratnem naslovu.
• Kazalci okvirjev: Kazalci okvirjev (ali podobni mehanizmi) se uporabljajo za iskanje okvirjev sklada vsake funkcije v klicnem skladu. To omogoča izvajalnemu okolju enostaven dostop do lokalnih spremenljivk funkcije in drugih ustreznih informacij.
• Tabele za obravnavo izjem: Te tabele shranjujejo informacije o obravnavalnikih izjem, ki so povezani z vsako funkcijo. Izvajalno okolje uporablja te tabele za hitro ugotavljanje, ali ima funkcija obravnavalnik, ki lahko obravnava dano izjemo.
• Koda za čiščenje: Izvajalno okolje mora izvesti kodo za čiščenje (npr. bloke finally), ko razvija sklad. To zagotavlja, da so viri pravilno sproščeni in da program ostane v doslednem stanju.

Za implementacijo razvijanja sklada v WebAssembly je mogoče uporabiti več različnih pristopov, vsak s svojimi kompromisi glede zmogljivosti in kompleksnosti. Nekateri pogosti pristopi vključujejo:

• Obravnava izjem z ničelnimi stroški (ZCEH): Ta pristop želi zmanjšati režijske stroške obravnave izjem, ko niso vržene nobene izjeme. ZCEH običajno vključuje uporabo statične analize za ugotavljanje, katere funkcije lahko vržejo izjeme, in nato ustvarjanje posebne kode za te funkcije. Funkcije, za katere je znano, da ne vržejo izjem, se lahko izvajajo brez kakršnih koli režijskih stroškov obravnave izjem. LLVM pogosto uporablja različico tega.
• Razvijanje na podlagi tabel: Ta pristop uporablja tabele za shranjevanje informacij o okvirjih sklada in obravnavalnikih izjem. Izvajalno okolje lahko nato uporabi te tabele za hitro razvijanje sklada, ko je izjema vržena.
• Razvijanje na podlagi DWARF: DWARF (Debugging With Attributed Record Formats) je standardni format za razhroščevanje, ki vključuje informacije o okvirjih sklada. Izvajalno okolje lahko uporabi informacije DWARF za razvijanje sklada, ko je izjema vržena.

Specifična implementacija razvijanja sklada v WebAssembly se bo razlikovala glede na izvajalno okolje WebAssembly in prevajalnik, ki se uporablja za ustvarjanje kode WebAssembly.

Vpliv razvijanja sklada na zmogljivost

Razvijanje sklada lahko pomembno vpliva na zmogljivost aplikacij WebAssembly. Režijski stroški razvijanja sklada so lahko precejšnji, zlasti če je klicni sklad globok ali če je treba razviti veliko število funkcij. Zato je pri načrtovanju aplikacij WebAssembly ključnega pomena, da natančno preučite vpliv obravnave izjem na zmogljivost.

Na zmogljivost razvijanja sklada lahko vpliva več dejavnikov:

• Globina klicnega sklada: Globlji kot je klicni sklad, več funkcij je treba razviti in več režijskih stroškov nastane.
• Pogostost izjem: Če so izjeme pogosto vržene, lahko režijski stroški razvijanja sklada postanejo pomembni.
• Kompleksnost kode za čiščenje: Če je koda za čiščenje (npr. bloki finally) kompleksna, so lahko režijski stroški izvajanja kode za čiščenje precejšnji.
• Implementacija razvijanja sklada: Specifična implementacija razvijanja sklada lahko pomembno vpliva na zmogljivost. Tehnike obravnave izjem z ničelnimi stroški lahko zmanjšajo režijske stroške, ko niso vržene nobene izjeme, vendar lahko povzročijo večje režijske stroške, ko se izjeme pojavijo.

Za zmanjšanje vpliva razvijanja sklada na zmogljivost razmislite o naslednjih strategijah:

• Zmanjšajte uporabo izjem: Uporabljajte izjeme samo za resnično izjemne razmere. Izogibajte se uporabi izjem za običajen nadzor poteka. Jeziki, kot je Rust, se popolnoma izogibajo izjemam v korist eksplicitnega obravnavanja napak (npr. vrsta Result).
• Ohranite plitve klicne sklade: Izogibajte se globokim klicnim skladom, kadar je to mogoče. Razmislite o preoblikovanju kode, da zmanjšate globino klicnega sklada.
• Optimizirajte kodo za čiščenje: Zagotovite, da je koda za čiščenje čim bolj učinkovita. Izogibajte se izvajanju nepotrebnih operacij v blokih finally.
• Uporabite izvajalno okolje WebAssembly z učinkovito implementacijo razvijanja sklada: Izberite izvajalno okolje WebAssembly, ki uporablja učinkovito implementacijo razvijanja sklada, kot je obravnava izjem z ničelnimi stroški.

Primer: Razmislite o aplikaciji WebAssembly, ki izvaja veliko število izračunov. Če aplikacija uporablja izjeme za obravnavo napak v izračunih, lahko režijski stroški razvijanja sklada postanejo pomembni. Za ublažitev tega bi lahko aplikacijo spremenili tako, da bi namesto izjem uporabljala kode napak. To bi odpravilo režijske stroške razvijanja sklada, vendar bi zahtevalo tudi, da aplikacija eksplicitno preveri napake po vsakem izračunu.

Primeri odlomkov kode (konceptualno - WASM Assembly)

Čeprav tukaj ne moremo zagotoviti neposredno izvedljive kode WASM zaradi formata bloga, ponazorimo, kako bi lahko obravnava izjem *izgledala* v sestavu WASM (WAT - format besedila WebAssembly), konceptualno:

;; Določite vrsto izjeme
(type $exn_type (exception (result i32)))

;; Funkcija, ki lahko vrže izjemo
(func $might_fail (result i32)
  (try $try_block
    i32.const 10
    i32.const 0
    i32.div_s  ;; To bo vrglo izjemo, če delite z nič

    ;; Če ni izjeme, vrnite rezultat
    (return)

    (catch $exn_type
      ;; Obravnavajte izjemo: vrnite -1
      i32.const -1
      (return))
  )
)

;; Funkcija, ki kliče potencialno neuspešno funkcijo
(func $caller (result i32)
  (call $might_fail)
)

;; Izvozi funkcijo klicatelja
(export "caller" (func $caller))

;; Določite izjemo
(global $my_exception (mut i32) (i32.const 0))

;; vrzi izjemo (psevdo koda, dejanski ukaz se razlikuje)
;; throw $my_exception

Pojasnilo:

• (type $exn_type (exception (result i32))): Določa vrsto izjeme.
• (try ... catch ...): Določa blok try-catch.
• Znotraj $might_fail lahko i32.div_s povzroči napako pri deljenju z nič (in izjemo).
• Blok catch obravnava izjemo vrste $exn_type.

Opomba: To je poenostavljen konceptualni primer. Dejanski ukazi in sintaksa obravnave izjem WebAssembly se lahko nekoliko razlikujejo, odvisno od specifične različice specifikacije WebAssembly in orodij, ki se uporabljajo. Za najnovejše informacije si oglejte uradno dokumentacijo WebAssembly.

Razhroščevanje WebAssembly z izjemami

Razhroščevanje kode WebAssembly, ki uporablja izjeme, je lahko zahtevno, še posebej, če niste seznanjeni z izvajalnim okoljem WebAssembly in mehanizmom obravnave izjem. Vendar pa vam lahko več orodij in tehnik pomaga učinkovito razhroščevati kodo WebAssembly z izjemami:

• Orodja za razvijalce brskalnika: Sodobni spletni brskalniki ponujajo zmogljiva orodja za razvijalce, ki jih lahko uporabite za razhroščevanje kode WebAssembly. Ta orodja vam običajno omogočajo nastavitev prelomnih točk, korakanje po kodi, pregledovanje spremenljivk in ogled klicnega sklada. Ko je izjema vržena, lahko orodja za razvijalce zagotovijo informacije o izjemi, kot sta vrsta izjeme in lokacija, kjer je bila izjema vržena.
• Razhroščevalniki WebAssembly: Na voljo je več namenskih razhroščevalnikov WebAssembly, kot sta WebAssembly Binary Toolkit (WABT) in Binaryen toolkit. Ti razhroščevalniki ponujajo naprednejše funkcije za razhroščevanje, kot je možnost pregleda notranjega stanja modula WebAssembly in nastavitev prelomnih točk na določenih ukazih.
• Beleženje: Beleženje je lahko dragoceno orodje za razhroščevanje kode WebAssembly z izjemami. V kodo lahko dodate stavke za beleženje, da sledite poteku izvajanja in beležite informacije o izjemah, ki so vržene. To vam lahko pomaga prepoznati glavni vzrok izjem in razumeti, kako se izjeme obravnavajo.
• Izvorne karte: Izvorne karte vam omogočajo, da kodo WebAssembly preslikate nazaj v izvirno izvorno kodo. To lahko močno olajša razhroščevanje kode WebAssembly, še posebej, če je bila koda prevedena iz jezika višje ravni. Ko je izjema vržena, vam lahko izvorna karta pomaga prepoznati ustrezno vrstico kode v izvirni izvorni datoteki.

Prihodnje smeri za obravnavo izjem WebAssembly

Predlog obravnave izjem WebAssembly se še vedno razvija in obstaja več področij, kjer se raziskujejo nadaljnje izboljšave:

• Standardizacija vrst izjem: Trenutno WebAssembly omogoča določitev vrst izjem po meri. Standardizacija nabora pogostih vrst izjem bi lahko izboljšala interoperabilnost med različnimi moduli WebAssembly.
• Integracija s smetarskim zbiranjem: Ko bo WebAssembly pridobil podporo za smetarsko zbiranje, bo pomembno integrirati obravnavo izjem s smetarskim zbiralnikom. To bo zagotovilo, da bodo viri pravilno sproščeni, ko bodo izjeme vržene.
• Izboljšana orodja: Nadaljnje izboljšave orodij za razhroščevanje WebAssembly bodo ključnega pomena za lažje razhroščevanje kode WebAssembly z izjemami.
• Optimizacija zmogljivosti: Potrebne so nadaljnje raziskave in razvoj za optimizacijo zmogljivosti razvijanja sklada in obravnave izjem v WebAssembly.

Zaključek

Obravnava izjem WebAssembly je ključna funkcija za omogočanje razvoja kompleksnih in robustnih aplikacij WebAssembly. Razumevanje razvijanja sklada je bistvenega pomena za razumevanje, kako se obravnavajo izjeme v WebAssembly, in za optimizacijo zmogljivosti aplikacij WebAssembly, ki uporabljajo izjeme. Ker se ekosistem WebAssembly še naprej razvija, lahko pričakujemo nadaljnje izboljšave mehanizma obravnave izjem, zaradi česar bo WebAssembly še privlačnejša platforma za širok spekter aplikacij.

S skrbnim preučevanjem vpliva obravnave izjem na zmogljivost in z uporabo ustreznih orodij in tehnik za razhroščevanje lahko razvijalci učinkovito izkoristijo obravnavo izjem WebAssembly za izgradnjo zanesljivih in vzdržljivih aplikacij WebAssembly.