En djupdykning i WebAssembly GC Structs: En närmare titt på hanterade strukturtyper

WebAssembly (Wasm) har i grunden förändrat landskapet för webb- och serverutveckling genom att erbjuda ett portabelt, högpresterande kompileringsmål. Initialt var dess kraft mest tillgänglig för systemspråk som C, C++ och Rust, vilka trivs med manuell minneshantering inom Wasms linjära minnesmodell. Denna modell utgjorde dock ett betydande hinder för det stora ekosystemet av hanterade språk som Java, C#, Kotlin, Dart och Python. Att portera dem krävde att man inkluderade en komplett skräpinsamlare (GC) och runtime-miljö, vilket ledde till större binärfiler och långsammare starttider. WebAssembly Garbage Collection (WasmGC)-förslaget är den banbrytande lösningen på denna utmaning, och i dess kärna ligger en kraftfull ny primitiv: den hanterade struct-typen.

Denna artikel ger en omfattande genomgång av WasmGC-strukturer. Vi börjar med de grundläggande koncepten, dyker djupt ner i deras definition och manipulation med hjälp av WebAssembly Text Format (WAT), och utforskar deras djupgående inverkan på framtiden för högnivåspråk i Wasm-ekosystemet. Oavsett om du är en språkimplementerare, en systemprogrammerare eller en webbutvecklare som är nyfiken på nästa prestandagräns, kommer den här guiden att ge dig en solid förståelse för denna omvälvande funktion.

Från manuellt minne till en hanterad heap: Wasm-evolutionen

För att verkligen uppskatta WasmGC-strukturer måste vi först förstå den värld de är utformade för att förbättra. De första versionerna av WebAssembly erbjöd ett enda, primärt verktyg för minneshantering: linjärt minne.

Den linjära minneserans tid

Föreställ dig linjärt minne som en massiv, sammanhängande array av bytes – ett `ArrayBuffer` i JavaScript-termer. Wasm-modulen kan läsa från och skriva till denna array, men den är i grunden ostrukturerad ur motorns perspektiv. Det är bara råa bytes. Ansvaret för att hantera detta utrymme – att allokera objekt, spåra användning och frigöra minne – föll helt på koden som kompilerats till Wasm-modulen.

Detta var perfekt för språk som Rust, som har sofistikerad minneshantering vid kompilering (ägarskap och lån), och C/C++, som använder manuell `malloc` och `free`. De kunde implementera sina minnesallokerare inom detta linjära minnesutrymme. För ett språk som Kotlin eller Java innebar det dock ett svårt val:

• Inkludera en komplett GC: Språkets egen skräpinsamlare var tvungen att kompileras till Wasm. Denna GC hanterade en del av det linjära minnet och behandlade det som sin heap. Detta ökade storleken på `.wasm`-filen avsevärt och medförde prestandakostnader, eftersom GC:n bara var en annan del av Wasm-koden och inte kunde utnyttja den högt optimerade, inbyggda GC:n i värdmotorn (som V8 eller SpiderMonkey).
• Komplex interaktion med värden: Att dela komplexa datastrukturer (som objekt eller träd) med värdmiljön (t.ex. JavaScript) var besvärligt. Det krävde serialisering – att konvertera objektet till bytes, skriva det till det linjära minnet och sedan låta den andra sidan läsa och deserialisera det. Denna process var långsam, felbenägen och skapade duplicerad data.

Paradigmskiftet med WasmGC

WasmGC-förslaget introducerar ett andra, separat minnesutrymme: den hanterade heapen. Till skillnad från det ostrukturerade havet av bytes i det linjära minnet, hanteras denna heap direkt av Wasm-motorn. Motorns inbyggda, högt optimerade skräpinsamlare är nu ansvarig för att allokera och, avgörande, avallokera objekt.

Detta erbjuder enorma fördelar:

• Mindre binärfiler: Språk behöver inte längre inkludera sin egen GC, vilket drastiskt minskar filstorlekarna.
• Snabbare exekvering: Wasm-modulen utnyttjar värdens inbyggda, beprövade GC, som är mycket effektivare än en GC kompilerad till Wasm.
• Sömlös interoperabilitet med värden: Referenser till hanterade objekt kan skickas direkt mellan Wasm och JavaScript utan någon serialisering. Detta är en monumental förbättring för prestanda och utvecklarupplevelse.

För att fylla denna hanterade heap introducerar WasmGC en uppsättning nya referenstyper, där `struct` är en av de mest grundläggande byggstenarna.

En djupdykning i `struct`-typdefinitionen

En WasmGC `struct` är ett hanterat, heap-allokerat objekt med en fast samling namngivna och statiskt typade fält. Tänk på det som en lättviktsklass i Java/C#, en struct i Go/C# eller ett typat JavaScript-objekt, men inbyggt direkt i Wasms virtuella maskin.

Att definiera en struct i WAT

Det tydligaste sättet att förstå `struct` är att titta på dess definition i WebAssembly Text Format (WAT). Typer definieras i en dedikerad typ-sektion i en Wasm-modul.

Här är ett grundläggande exempel på en 2D-punkt-struct:

            
(module
  ;; Definiera en ny typ med namnet '$point'.
  ;; Det är en struct med två fält: '$x' och '$y', båda av typen i32.
  (type $point (struct (field $x i32) (field $y i32)))
  
  ;; ... funktioner som använder denna typ skulle placeras här ...
)

            

              
                Copy
              
            
          

Låt oss bryta ner denna syntax:

• (type $point ...): Detta deklarerar en ny typ och ger den namnet `$point`. Namn är en bekvämlighet i WAT; i det binära formatet refereras typer via index.
• (struct ...): Detta specificerar att den nya typen är en struct.
• (field $x i32): Detta definierar ett fält. Det har ett namn (`$x`) och en typ (`i32`). Fält kan vara av vilken Wasm-värdetyp som helst (`i32`, `i64`, `f32`, `f64`) eller en referenstyp.

Strukturer kan också innehålla referenser till andra hanterade typer, vilket möjliggör skapandet av komplexa datastrukturer som länkade listor eller träd.

            
(module
  ;; Förhandsdeklarera nodtypen så att den kan refereras inuti sig själv.
  (rec
    (type $list_node (struct
      (field $value i32)
      ;; Ett fält som håller en referens till en annan nod, eller null.
      (field $next (ref null $list_node))
    ))
  )
)

            

              
                Copy
              
            
          

Här är fältet `$next` av typen `(ref null $list_node)`, vilket betyder att det kan hålla en referens till ett annat `$list_node`-objekt eller vara en `null`-referens. Blocket `(rec ...)` används för att definiera rekursiva eller ömsesidigt refererande typer.

Fält: Mutabilitet och immutabilitet

Som standard är struct-fält immutabla (oföränderliga). Det innebär att deras värde endast kan sättas en gång när objektet skapas. Detta är en kraftfull funktion som uppmuntrar till säkrare programmeringsmönster och kan utnyttjas av kompilatorer för optimering.

För att deklarera ett fält som mutabelt (föränderligt) omsluter du dess definition med `(mut ...)`.

            
(module
  (type $user_profile (struct
    ;; Detta ID är immutabelt och kan endast sättas vid skapandet.
    (field $id i64)
    ;; Detta användarnamn är mutabelt och kan ändras senare.
    (field (mut $username) (ref string))
  ))
)

            

              
                Copy
              
            
          

Försök att modifiera ett immutabelt fält efter instansiering kommer att resultera i ett valideringsfel när Wasm-modulen kompileras. Denna statiska garanti förhindrar en hel klass av runtime-buggar.

Arv och strukturell subtypning

WasmGC inkluderar stöd för enkelarv, vilket möjliggör polymorfism. En struct kan deklareras som en subtyp av en annan struct med nyckelordet `sub`. Detta etablerar en "är-en"-relation.

Tänk på vår `$point`-struct. Vi kan skapa en mer specialiserad `$colored_point` som ärver från den:

            
(module
  (type $point (struct (field $x i32) (field $y i32)))

  ;; '$colored_point' är en subtyp av '$point'.
  (type $colored_point (sub $point (struct
    ;; Den ärver fälten '$x' och '$y' från '$point'.
    ;; Den lägger till ett nytt fält '$color'.
    (field $color i32) ;; t.ex. ett RGBA-värde
  )))
)

            

              
                Copy
              
            
          

Reglerna för subtypning är enkla och strukturella:

1. En subtyp måste deklarera en supertyp.
2. Subtypen innehåller implicit alla fält från sin supertyp, i samma ordning och med samma typer.
3. Subtypen kan sedan definiera ytterligare fält.

Detta innebär att en funktion eller instruktion som förväntar sig en referens till en `$point` säkert kan ges en referens till en `$colored_point`. Detta kallas upcasting (uppåtgjutning) och är alltid säkert. Det omvända, downcasting (nedåtgjutning), kräver runtime-kontroller, vilket vi kommer att utforska senare.

Att arbeta med strukturer: Kärninstruktionerna

Att definiera typer är bara halva historien. WasmGC introducerar en ny uppsättning instruktioner för att skapa, komma åt och manipulera struct-instanser på stacken.

Skapa instanser: `struct.new`

Den primära instruktionen för att skapa en ny struct-instans är `struct.new`. Den fungerar genom att poppa de nödvändiga initiala värdena för alla fält från stacken och pusha en enda referens till det nyskapade, heap-allokerade objektet tillbaka till stacken.

Låt oss skapa en instans av vår `$point`-struct vid koordinaterna (10, 20).

            
(func $create_point (result (ref $point))
  ;; Pusha värdet för '$x'-fältet till stacken.
  i32.const 10
  
  ;; Pusha värdet för '$y'-fältet till stacken.
  i32.const 20
  
  ;; Poppa 10 och 20, skapa en ny '$point' på den hanterade heapen,
  ;; och pusha en referens till den till stacken.
  struct.new $point
  
  ;; Referensen är nu funktionens returvärde.
  return
)

            

              
                Copy
              
            
          

Ordningen på värdena som pushas till stacken måste exakt matcha ordningen på fälten som definieras i struct-typen, från den översta supertypen ner till den mest specifika subtypen.

Det finns också en variant, struct.new_default, som skapar en instans med alla fält initialiserade till sina standardvärden (noll för tal, `null` för referenser) utan att ta några argument från stacken.

Åtkomst till fält: `struct.get` och `struct.set`

När du har en referens till en struct måste du kunna läsa och skriva till dess fält.

`struct.get` läser ett fälts värde. Den poppar en struct-referens från stacken, läser det specificerade fältet och pushar fältets värde tillbaka till stacken.

            
(func $get_x_coordinate (param $p (ref $point)) (result i32)
  ;; Pusha struct-referensen från den lokala variabeln '$p'.
  local.get $p
  
  ;; Poppa referensen, hämta värdet från '$x'-fältet från '$point'-structen,
  ;; och pusha det till stacken.
  struct.get $point $x
  
  ;; i32-värdet för 'x' är nu returvärdet.
  return
)

            

              
                Copy
              
            
          

`struct.set` skriver till ett mutabelt fält. Den poppar ett nytt värde och en struct-referens från stacken och uppdaterar det specificerade fältet. Denna instruktion kan endast användas på fält som deklarerats med `(mut ...)`.

            
;; Anta en användarprofil med ett mutabelt användarnamnsfält.
(type $user_profile (struct (field $id i64) (field (mut $username) (ref string))))

(func $update_username (param $profile (ref $user_profile)) (param $new_name (ref string))
  ;; Pusha referensen till profilen som ska uppdateras.
  local.get $profile
  
  ;; Pusha det nya värdet för användarnamnsfältet.
  local.get $new_name
  
  ;; Poppa referensen och det nya värdet, och uppdatera '$username'-fältet.
  struct.set $user_profile $username
)

            

              
                Copy
              
            
          

En viktig egenskap hos subtypning är att du kan använda `struct.get` på ett fält definierat i en supertyp även om du har en referens till en subtyp. Till exempel kan du använda `struct.get $point $x` på en referens till en `$colored_point`.

Navigera i arvshierarkin: Typkontroll och typomvandling

Att arbeta med arvshierarkier kräver ett sätt att säkert kontrollera och ändra ett objekts typ vid runtime. WasmGC tillhandahåller en uppsättning kraftfulla instruktioner för detta.

• `ref.test`: Denna instruktion utför en typkontroll som inte orsakar en trap. Den poppar en referens, kontrollerar om den säkert kan omvandlas till en måltyp och pushar `1` (sant) eller `0` (falskt) till stacken. Det är motsvarigheten till en `instanceof`-kontroll.
• `ref.cast`: Denna instruktion utför en omvandling som kan orsaka en trap. Den poppar en referens och kontrollerar om den är en instans av måltypen. Om kontrollen lyckas pushar den tillbaka samma referens (men nu med den mer specifika typen känd för valideraren). Om kontrollen misslyckas utlöser den en runtime trap, vilket stoppar exekveringen.
• `br_on_cast`: Detta är en optimerad, kombinerad instruktion som utför en typkontroll och ett villkorligt hopp i en enda operation. Den är mycket effektiv för att implementera mönster som `if (x instanceof y) { ... }`.

Här är ett praktiskt exempel som visar hur man säkert kan göra en downcast och arbeta med en `$colored_point` som skickades som en generisk `$point`.

            
(func $get_color_or_default (param $p (ref $point)) (result i32)
  ;; Standardfärg är svart (0)
  i32.const 0
  
  ;; Hämta referensen till punktobjektet
  local.get $p

  ;; Kontrollera om '$p' faktiskt är en '$colored_point' och hoppa om det inte är det.
  ;; Instruktionen har två hopp-mål: ett för misslyckande, ett för lyckat resultat.
  ;; Vid lyckat resultat pushar den också den omvandlade referensen till stacken.
  br_on_cast_fail $is_not_colored $is_colored (ref $colored_point)

  block $is_colored (param (ref $colored_point))
    ;; Om vi är här, lyckades omvandlingen.
    ;; Den omvandlade referensen ligger nu överst på stacken.
    struct.get $colored_point $color
    return ;; Returnera den faktiska färgen
  end

  block $is_not_colored
    ;; Om vi är här, var det bara en vanlig punkt.
    ;; Standardvärdet (0) ligger fortfarande på stacken.
    return
  end
)

            

              
                Copy
              
            
          

Den bredare påverkan: WasmGC, strukturer och programmeringens framtid

WasmGC-strukturer är mer än bara en lågnivåfunktion; de är en grundpelare för en ny era av polyglot-utveckling på webben och bortom.

Sömlös integration med värdmiljöer

En av de mest betydande fördelarna med WasmGC är möjligheten att skicka referenser till hanterade objekt, som strukturer, direkt över Wasm-JavaScript-gränsen. En Wasm-funktion kan returnera en `(ref $point)`, och JavaScript kommer att ta emot en opak referens till det objektet. Denna referens kan lagras, skickas runt och skickas tillbaka till en annan Wasm-funktion som vet hur man opererar på en `$point`.

Detta eliminerar helt den kostsamma serialiseringsbördan som den linjära minnesmodellen medför. Det möjliggör byggandet av högst dynamiska applikationer där komplexa datastrukturer lever på den Wasm-hanterade heapen men orkestreras av JavaScript, vilket uppnår det bästa av två världar: högpresterande logik i Wasm och flexibel UI-manipulation i JS.

En port för hanterade språk

Den primära motivationen för WasmGC var att göra WebAssembly till en förstklassig medborgare för hanterade språk. Strukturer är mekanismen som gör detta möjligt.

• Kotlin/Wasm: Kotlin-teamet investerar kraftigt i en ny Wasm-backend som utnyttjar WasmGC. En Kotlin-`class` mappas nästan direkt till en Wasm-`struct`. Detta gör att Kotlin-kod kan kompileras till små, effektiva Wasm-moduler som kan köras i webbläsaren, på servrar eller var som helst där en Wasm-runtime finns.
• Dart och Flutter: Google arbetar med att göra det möjligt för Dart att kompilera till WasmGC. Detta kommer att låta Flutter, ett populärt UI-verktyg, köra webbapplikationer utan att förlita sig på sin traditionella JavaScript-baserade webbmotor, vilket potentiellt kan erbjuda betydande prestandaförbättringar.
• Java, C# och andra: Projekt pågår för att kompilera JVM- och .NET-bytecode till Wasm. WasmGC-strukturer och -arrayer tillhandahåller de nödvändiga primitiverna för att representera Java- och C#-objekt, vilket gör det möjligt att köra dessa ekosystem av företagsklass direkt i webbläsaren.

Prestanda och bästa praxis

WasmGC är designat för prestanda. Genom att integreras med motorns GC kan Wasm dra nytta av årtionden av optimering inom skräpinsamlingsalgoritmer, såsom generations-GC, samtidig markering och komprimerande insamlare.

När du arbetar med strukturer, överväg dessa bästa praxis:

• Föredra immutabilitet: Använd immutabla fält när det är möjligt. Detta gör din kod lättare att resonera kring och kan öppna upp för optimeringsmöjligheter för Wasm-motorn.
• Förstå strukturell subtypning: Utnyttja subtypning för polymorf kod, men var medveten om prestandakostnaden för runtime-typkontroller (`ref.cast` eller `br_on_cast`) i prestandakritiska loopar.
• Profilera din applikation: Interaktionen mellan linjärt minne och den hanterade heapen kan vara komplex. Använd profileringsverktyg i webbläsare och runtime för att förstå var tid spenderas och identifiera potentiella flaskhalsar i allokering eller GC-tryck.

Slutsats: En solid grund för en polyglot framtid

WebAssembly GC `struct` är mycket mer än en enkel datatyp. Den representerar en fundamental förändring i vad WebAssembly är och vad det kan bli. Genom att tillhandahålla ett högpresterande, statiskt typat och skräpinsamlat sätt att representera komplex data, låser den upp den fulla potentialen hos ett brett spektrum av programmeringsspråk som har format modern mjukvaruutveckling.

I takt med att WasmGC-stödet mognar i alla större webbläsare och server-side runtimes, kommer det att bana väg för en ny generation av webbapplikationer som är snabbare, effektivare och byggda med en mer mångsidig uppsättning verktyg än någonsin tidigare. Den ödmjuka `struct` är inte bara en funktion; den är en bro till en verkligt universell, polyglot beräkningsplattform.