WebAssembly Funkcije z več vrednostmi: Obvladovanje več povratnih vrednosti za globalne razvijalce

V hitro razvijajoči se pokrajini spletnega in sistemskega programiranja sta učinkovitost in izraznost najpomembnejši. WebAssembly (WASM) se je pojavil kot zmogljiv cilj prevajanja, ki razvijalcem omogoča izvajanje kode, napisane v jezikih, kot so C++, Rust, Go in AssemblyScript, s skoraj nativno hitrostjo v brskalniku in drugod. Eden najpomembnejših nedavnih dodatkov specifikaciji WebAssembly je podpora za funkcije z več vrednostmi. Ta funkcija, ki se zdi subtilna, ponuja pomemben preskok v načinu obravnavanja več povratnih vrednosti, racionalizaciji kode in izboljšanju zmogljivosti v raznoliki globalni skupnosti razvijalcev.

Izziv več povratnih vrednosti v tradicionalnem programiranju

Preden se potopimo v rešitev WebAssembly, si oglejmo običajne pristope k vračanju več vrednosti iz funkcije v tradicionalnih programskih paradigmah. Razvijalci se pogosto srečujejo s scenariji, kjer mora funkcija sporočiti več informacij nazaj klicatelju. Brez neposredne podpore za večkratno vračanje, običajne rešitve vključujejo:

• Vračanje strukture ali objekta: To je čist in idiomatičen pristop v mnogih jezikih. Klicatelj prejme eno samo sestavljeno podatkovno strukturo, ki vsebuje vse vrnjene vrednosti. Čeprav je robusten, lahko včasih povzroči stroške zaradi dodeljevanja pomnilnika in kopiranja, zlasti pri večjih strukturah ali v zankah, ki so kritične za zmogljivost.
• Uporaba izhodnih parametrov (kazalcev/referenc): V jezikih, kot sta C ali C++, funkcije pogosto spreminjajo spremenljivke, posredovane s sklicevanjem ali kazalcem. To je lahko učinkovito, vendar lahko vodi tudi do manj berljive kode, saj namen ni vedno takoj razviden iz podpisa funkcije. Prav tako zaplete koncept nespremenljivosti.
• Pakiranje vrednosti v en sam podatkovni tip: Za preproste primere lahko razvijalci spakirajo več logičnih zastavic ali majhnih celih števil v večji celoštevilčni tip z uporabo bitnih operacij. To je zelo učinkovito, vendar žrtvuje berljivost in je izvedljivo le za zelo omejene podatke.
• Vračanje tuple ali polja: Podobno strukturam, vendar pogosto manj močno tipizirano. To je lahko priročno, vendar lahko zahteva pretvorbo tipov ali skrbno indeksiranje s strani klicatelja.

Te metode, čeprav funkcionalne, pogosto prinašajo kompromise v smislu jasnosti, zmogljivosti ali obojega. Za globalno občinstvo, kjer lahko kodo vzdržujejo ekipe z različnimi jezikovnimi ozadji, sta doslednost in enostavnost razumevanja ključnega pomena. Pomanjkanje univerzalno učinkovitega in jasnega mehanizma za večkratno vračanje je bila vztrajna, čeprav pogosto manjša, točka trenja.

Predstavitev funkcij WebAssembly z več vrednostmi

Funkcija WebAssembly z več vrednostmi neposredno obravnava ta izziv. Omogoča, da funkcija WebAssembly vrne več vrednosti hkrati brez potrebe po vmesnih podatkovnih strukturah ali izhodnih parametrih. To je doseženo z definiranjem podpisov funkcij, ki neposredno navajajo več vrst vračanja.

Razmislite o podpisu funkcije v besedilni obliki WebAssembly (WAT), ki vrne dve celi števili:

            (func (result i32 i64) ...)
            

              
                Copy
              
            
          

To pomeni, da bo funkcija vrnila i32, ki ji sledi i64. Ko se ta funkcija pokliče iz JavaScripta ali drugega gostiteljskega okolja, lahko vrne obe vrednosti neposredno, pogosto kot tuple ali polje, odvisno od plasti vezave gostiteljskega okolja.

Prednosti za globalne razvijalce

Implikacije funkcij z več vrednostmi so daljnosežne, zlasti za globalno občinstvo:

• Izboljšana berljivost in izraznost: Koda postane bolj intuitivna. Podpis funkcije jasno deklarira vse svoje izhode, kar zmanjšuje kognitivno obremenitev za razvijalce, ki poskušajo razumeti njeno vedenje. To je neprecenljivo za mednarodne ekipe, kjer sta komunikacija in razumevanje ključnega pomena.
• Izboljšana zmogljivost: Z odpravo stroškov, povezanih z ustvarjanjem in posredovanjem začasnih podatkovnih struktur (kot so strukture ali polja) za povratne vrednosti, lahko funkcije z več vrednostmi privedejo do znatnih izboljšav zmogljivosti. To je še posebej koristno v aplikacijah, ki so občutljive na zmogljivost, igrah, simulacijah in nalogah obdelave podatkov, ki so pogoste v različnih globalnih industrijah.
• Poenostavljena interoperabilnost: Medtem ko se lahko natančna predstavitev več povratnih vrednosti v gostiteljskem okolju (npr. JavaScript) razlikuje (pogosto kot polje ali tuple), osnovna funkcija WebAssembly poenostavlja ustvarjanje teh podatkov. Orodja za jezikovno verigo, ki ciljajo na WASM, lahko to izkoristijo izvorno, kar vodi do učinkovitejših in idiomatičnih vezav.
• Čistejše ustvarjanje kode: Prevajalniki za jezike, kot so Rust, Go in C++, lahko ustvarijo bolj neposredno in učinkovito kodo WASM, ko mora funkcija vrniti več vrednosti. Namesto kompleksnih ročnih transformacij lahko jezikovne konstrukcije preslikajo neposredno v zmogljivosti WASM z več vrednostmi.
• Zmanjšana kompleksnost pri načrtovanju algoritmov: Nekateri algoritmi naravno proizvedejo več neodvisnih rezultatov. Funkcije z več vrednostmi omogočajo enostavnejšo implementacijo teh algoritmov v WASM in manj nagnjeno k napakam.

Praktični primeri v različnih jezikih

Prikažimo, kako se lahko funkcije z več vrednostmi uporabljajo s primeri iz priljubljenih jezikov, ki se prevedejo v WebAssembly.

1. Rust

Rust ima odlično podporo za tuple, ki se zelo naravno preslikajo v povratni tip WebAssembly z več vrednostmi.

            #[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
              
            
          

Ko se ta koda Rust prevede v WebAssembly, bo funkcija calculate_stats izvožena s podpisom, ki lahko vrne tri vrednosti i32. Klicatelj JavaScript lahko te prejme kot polje:

            // 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
              
            
          

S tem se izognemo potrebi, da Rust ustvari začasno strukturo samo za vrnitev teh vrednosti v modul WASM.

2. Go

Go tudi izvorno podpira več povratnih vrednosti, zaradi česar je njegova integracija s funkcijo WebAssembly z več vrednostmi brezhibna.

            
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
              
            
          

Funkcija process_data vrne celo število, drugo celo število in napako. Ko se prevede v WASM, lahko orodje Go izkoristi WASM z več vrednostmi za predstavitev teh treh povratnih vrednosti. Gostiteljsko okolje bi jih verjetno prejelo, potencialno kot polje, kjer bi bil zadnji element lahko objekt napake ali stražarska vrednost, ki označuje uspeh/neuspeh.

3. C/C++ (prek Emscripten/LLVM)

Medtem ko C in C++ sama nimata neposredne sintakse za vračanje več vrednosti, kot jo imata Rust ali Go, lahko prevajalniki, kot je Clang (prek Emscripten ali neposrednih ciljev WASM), prevedejo funkcije, ki vračajo več vrednosti, v učinkovit WASM. To pogosto vključuje, da prevajalnik interno uporablja tehnike, ki izkoriščajo zmogljivosti WASM z več vrednostmi, tudi če je videti, da izvorna koda C/C++ uporablja izhodne parametre ali vrača strukturo.

Na primer, funkcija C, ki želi vrniti več vrednosti, je lahko konceptualno strukturirana takole:

            
// 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
              
            
          

Sodoben prevajalnik WASM lahko to analizira in, če cilj podpira več vrednosti, potencialno ustvari WASM, ki neposredno vrne dve vrednosti (i32 in i64), namesto da ustvari in vrne strukturo na skladu. To optimizacijo poganja osnovna zmogljivost WASM.

4. AssemblyScript

AssemblyScript, jezik, podoben TypeScriptu, za WebAssembly, prav tako podpira vračanje več vrednosti, pogosto zrcali zmogljivosti JavaScript za vračanje v obliki tuple.

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

            

              
                Copy
              
            
          

Ta funkcija AssemblyScript vrne tuple dveh vrednosti f64. Ko se prevede, se bo preslikala v podpis funkcije WASM, ki vrača dva f64. Gostitelj JavaScript bi to prejel kot polje `[x_value, y_value]`.

Tehnični premisleki in podrobnosti implementacije

Specifikacija WebAssembly definira funkcije z več vrednostmi kot del predloga Funkcija in Nadzorni tok. Pomembno je opozoriti, da natančno predstavitev več povratnih vrednosti v gostiteljskem jeziku (kot je JavaScript) upravlja plast vezave ali specifična orodjarna, ki se uporablja za interakcijo z modulom WASM. Običajno:

• JavaScript: Pri klicu funkcije WASM z več povratnimi vrednostmi jih JavaScript pogosto prejme kot polje. Na primer, funkcija WASM, ki vrača (i32, i64), se lahko pokliče, klicatelj JavaScript pa prejme polje, kot je [intValue, longValue].
• Jezikovne vezave: Za jezike, kot so Python, Ruby ali Node.js, bodo določene knjižnice ali ogrodja, ki se uporabljajo za nalaganje in interakcijo z moduli WebAssembly, narekovale, kako so te več povratne vrednosti predstavljene razvijalcu.

Podpora prevajalnika

Široka uporaba funkcij z več vrednostmi je odvisna od robustne podpore prevajalnika. Glavni prevajalniki, ki ciljajo na WASM, in njihova orodja so bili posodobljeni, da bi izkoristili to funkcijo:

• LLVM: Osnovni pogon, ki stoji za številnimi prevajalniki WASM (vključno s Clang, Rustc in drugimi), je bil posodobljen za podporo navodilom z več vrednostmi.
• Rustc: Kot je razvidno iz primera, se jezikovne funkcije Rust dobro preslikajo in prevajalnik ustvari učinkovit WASM.
• Orodje Go: Vgrajena podpora Go za več povratnih vrednosti je neposredno prevedena.
• AssemblyScript: Zasnovan z mislijo na WASM, ponuja neposredno podporo.

Razvijalci bi morali zagotoviti, da uporabljajo nedavne različice svojih orodij, da bi v celoti izkoristili to funkcijo.

Morebitne pasti in najboljše prakse

Čeprav je močna, je pri implementaciji funkcij z več vrednostmi priporočljivo upoštevati najboljše prakse:

• Izogibajte se prekomerni uporabi: Funkcije z več vrednostmi so odlične za vračanje majhnega, kohezivnega niza rezultatov, ki so logično povezani. Če mora funkcija vrniti veliko različnih vrednosti, lahko to kaže na potrebo po refaktoriranju logike ali ponovnem premisleku o odgovornosti funkcije. Vračanje 2-3 vrednosti je običajno idealno.
• Jasnost pri poimenovanju: Zagotovite, da ime funkcije jasno sporoča, kaj počne. Podpis, skupaj z opisnim imenom, bi moral razjasniti namen in izhode.
• Ravnanje z gostiteljskim okoljem: Zavedajte se, kako vaše izbrano gostiteljsko okolje (npr. brskalnik JavaScript, Node.js itd.) predstavlja več povratnih vrednosti. Dosledno ravnanje v vašem projektu ali ekipi je ključnega pomena.
• Obravnava napak: Če je ena od povratnih vrednosti namenjena označevanju napake, zagotovite, da se uporablja dosleden vzorec, ne glede na to, ali vrača ekspliciten tip napake (kot v Go) ali določeno vrednost, ki označuje neuspeh.
• Različice orodja: Vedno uporabljajte posodobljene prevajalnike in izvajalna okolja WASM, da zagotovite združljivost in koristi zmogljivosti.

Globalni vpliv izboljšav WebAssembly

Nenehen razvoj WebAssembly, ki ga zaznamujejo funkcije, kot so funkcije z več vrednostmi, je ključnega pomena za njegovo globalno sprejetje. Ko se WASM premika izven brskalnika na področja, kot so računalništvo brez strežnika, robne funkcije in sistemi vtičnikov, postanejo standardizirane, učinkovite in izrazne funkcije še bolj kritične.

• Zmanjšano trenje za interoperabilnost jezikov: Za podjetja in projekte z odprto kodo, ki uporabljajo pristop poliglota, WASM deluje kot skupna osnova. Funkcije z več vrednostmi poenostavljajo vmesnik med moduli, napisanimi v različnih jezikih, kar olajša integracijo. To je pomembna prednost za globalne razvojne ekipe.
• Demokratizacija visoko zmogljivega računalništva: Z omogočanjem skoraj nativne zmogljivosti za jezike, ki so bili prej težavni za učinkovito uvedbo v spletu ali v različnih okoljih, WASM znižuje prag za vstop v kompleksne aplikacije. Funkcije z več vrednostmi prispevajo k temu z optimizacijo običajnih vzorcev kodiranja.
• Aplikacije, ki so pripravljene na prihodnost: Ko WASM dozori, bodo aplikacije, zgrajene s temi funkcijami, v boljšem položaju, da izkoristijo prihodnje optimizacije in nove zmogljivosti izvajalnega okolja WASM.

Zaključek

Funkcija WebAssembly z več vrednostmi je več kot le tehnična podrobnost; je omogočitelj čistejše, zmogljivejše in bolj izrazne kode. Za globalno skupnost razvijalcev poenostavlja običajne programske naloge, zmanjšuje stroške in izboljšuje berljivost kode. Z neposredno podporo vračanju več vrednosti se WASM približuje naravni izraznosti jezikov visoke ravni, hkrati pa ohranja svoje prednosti zmogljivosti in prenosljivosti.

Ko integrirate WebAssembly v svoje projekte, razmislite, kako lahko izkoristite funkcije z več vrednostmi za poenostavitev kode in izboljšanje zmogljivosti. Ta funkcija, skupaj s stalnimi inovacijami v ekosistemu WebAssembly, utrjuje njegov položaj kot temeljne tehnologije za prihodnost razvoja programske opreme po vsem svetu.