WebAssembly Multi-Value ABI: Optimering av funktionsgränssnitt för prestanda

WebAssembly (Wasm) har vuxit fram som en central teknik för moderna webb- och icke-webbapplikationer, och erbjuder prestanda nära den hos nativ kod, säkerhet och portabilitet. En nyckelaspekt i WebAssemblys design är dess Application Binary Interface (ABI), som definierar hur funktioner anropas och data utbyts. Införandet av multi-value ABI representerar en betydande utveckling, vilket gör det möjligt för funktioner att returnera flera värden direkt, vilket leder till märkbara prestandaförbättringar och förenklad kodgenerering. Denna artikel ger en omfattande översikt över WebAssemblys multi-value ABI, dess fördelar, användningsfall och påverkan på det bredare ekosystemet.

Förståelse för WebAssembly ABI

WebAssembly ABI specificerar anropskonventionerna för funktioner, inklusive hur argument skickas, hur returvärden hanteras och hur minne hanteras. Ursprungligen var WebAssembly-funktioner begränsade till att returnera ett enda värde. Denna begränsning krävde ofta lösningar som att returnera en pekare till en struktur som innehöll flera värden, eller att använda utdataparametrar som skickades med referens. Dessa metoder introducerade overhead på grund av minnesallokering, indirektion och ökad komplexitet i kodgenereringen.

Begränsningen med ett enda värde

Före förslaget om multi-value, tänk dig ett scenario där en funktion behöver returnera både ett resultat och en felkod. I språk som C eller C++ kan detta hanteras genom att returnera en struktur:

            
struct Result {
  int value;
  int error_code;
};

struct Result my_function() {
  // ... beräkning ...
  struct Result result;
  result.value = ...;
  result.error_code = ...;
  return result;
}

            

              
                Copy
              
            
          

När detta kompileras till WebAssembly skulle det översättas till att allokera minne för `Result`-strukturen inom Wasms linjära minne, fylla i fälten och returnera en pekare till denna minnesplats. Den anropande funktionen skulle sedan behöva avreferera denna pekare för att komma åt de enskilda värdena. Denna process innebär extra minnesoperationer och pekarhantering, vilket ökar exekveringstiden och kodstorleken.

Multi-Value-revolutionen

Förslaget om multi-value tar bort denna begränsning genom att tillåta WebAssembly-funktioner att direkt returnera flera värden. Detta eliminerar behovet av mellanliggande minnesallokeringar och pekarmanipulationer, vilket resulterar i mer effektiv kodgenerering och snabbare exekvering.

Fördelar med Multi-Value ABI

• Prestandaförbättring: Genom att eliminera minnesallokering och pekareavreferering minskar multi-value ABI overhead, vilket leder till snabbare exekveringstider, särskilt för funktioner som ofta returnerar flera värden.
• Förenklad kodgenerering: Kompilatorer kan direkt mappa flera returvärden till WebAssemblys multi-value-instruktioner, vilket förenklar kodgenereringsprocessen och minskar kompilatorns komplexitet.
• Förbättrad kodtydlighet: Funktioner med flera värden gör koden lättare att läsa och förstå, eftersom avsikten att returnera flera relaterade värden är mer explicit.
• Förbättrad interoperabilitet: Multi-value ABI underlättar sömlös interoperabilitet mellan WebAssembly-moduler och andra språk, eftersom det ligger närmare semantiken i språk som har inbyggt stöd för flera returvärden (t.ex. Go, Rust, Python).

Praktiska exempel och användningsfall

Multi-value ABI är fördelaktigt i ett brett spektrum av applikationer. Låt oss undersöka några praktiska exempel:

1. Felhantering

Som nämnts tidigare är det ett vanligt mönster att returnera ett resultat och en felkod. Med multi-value ABI kan detta uttryckas direkt:

            
;; WebAssembly-funktion som returnerar (result:i32, error_code:i32)
(func $my_function (result i32 i32)
  ;; ... beräkning ...
  (i32.const 42)
  (i32.const 0)  ;; 0 indikerar framgång
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

Detta undviker overheaden med att allokera en struktur och skicka en pekare. Den anropande funktionen kan direkt komma åt resultatet och felkoden:

            
(func $caller
  (local $result i32)
  (local $error_code i32)
  (call $my_function)
  (local.set $result (result 0))
  (local.set $error_code (result 1))
  ;; ... använd $result och $error_code ...
)

            

              
                Copy
              
            
          

2. Komplexa datastrukturer och tupler

Funktioner som behöver returnera flera relaterade värden, såsom koordinater (x, y, z) eller statistiska sammanfattningar (medelvärde, standardavvikelse), kan dra nytta av multi-value ABI. Tänk på en funktion som beräknar den omslutande rektangeln (bounding box) för en uppsättning punkter:

            
;; WebAssembly-funktion som returnerar (min_x:f64, min_y:f64, max_x:f64, max_y:f64)
(func $bounding_box (param $points i32) (result f64 f64 f64 f64)
  ;; ... beräkning ...
  (f64.const 10.0)
  (f64.const 20.0)
  (f64.const 30.0)
  (f64.const 40.0)
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

Detta eliminerar behovet av att skapa en anpassad struktur för att hålla koordinaterna för den omslutande rektangeln.

3. Optimering av kompilatorutdata

Kompilatorer kan utnyttja multi-value ABI för att producera mer effektiv WebAssembly-kod. Till exempel, tänk på en funktion som utför division och returnerar både kvoten och resten. Språk som C förlitar sig ofta på kompilatorns inbyggda funktioner (intrinsics) eller biblioteksfunktioner för detta ändamål. Med multi-value ABI kan kompilatorn direkt mappa kvoten och resten till separata returvärden:

            
;; WebAssembly-funktion som returnerar (quotient:i32, remainder:i32)
(func $div_rem (param $a i32) (param $b i32) (result i32 i32)
  (local $quotient i32)
  (local $remainder i32)
  ;; ... beräkning av division och rest ...
  (i32.div_s (get_local $a) (get_local $b))
  (i32.rem_s (get_local $a) (get_local $b))
  (return))

            

              
                Copy
              
            
          

4. Spelutveckling och multimedia

Spelutveckling involverar ofta funktioner som returnerar flera informationsdelar, såsom position, hastighet och acceleration för spelobjekt. På samma sätt kan multimediaapplikationer kräva funktioner som returnerar flera ljud- eller videoprover. Multi-value ABI kan avsevärt förbättra prestandan för dessa funktioner.

Till exempel kan en funktion som beräknar skärningspunkten mellan en stråle och en triangel returnera ett booleskt värde som indikerar om en skärning inträffade, tillsammans med skärningspunktens koordinater. Att returnera dessa värden som separata enheter är mer effektivt än att packa dem i en struktur.

Implementering och verktygsstöd

Stöd för multi-value ABI har integrerats i de stora WebAssembly-verktygskedjorna och körtidsmiljöerna, inklusive:

• Kompilatorer: LLVM, Emscripten, Binaryen och andra kompilatorer har uppdaterats för att stödja generering av WebAssembly-kod som använder multi-value ABI.
• Körtidsmiljöer: Stora webbläsare (Chrome, Firefox, Safari, Edge) och fristående WebAssembly-körtidsmiljöer (Wasmtime, Wasmer) stöder multi-value ABI.
• Utvecklingsverktyg: Debuggers, disassemblers och andra utvecklingsverktyg har uppdaterats för att hantera funktioner med flera värden.

För att dra nytta av multi-value ABI måste utvecklare se till att deras verktygskedja och körtidsmiljö stöder det. Detta innebär vanligtvis att man använder de senaste versionerna av kompilatorer och körtidsmiljöer och aktiverar lämpliga flaggor eller inställningar.

Exempel: Använda Emscripten

När du kompilerar C/C++-kod till WebAssembly med Emscripten kan du aktivera multi-value ABI genom att skicka flaggan `-s SUPPORT_MULTIVALUE=1` till kommandot `emcc`:

            
emcc -s SUPPORT_MULTIVALUE=1 my_code.c -o my_module.js

            

              
                Copy
              
            
          

Detta instruerar Emscripten att generera WebAssembly-kod som använder multi-value ABI när det är möjligt. Notera att den JavaScript-limkod som genereras av Emscripten också måste uppdateras för att hantera returer med flera värden. Vanligtvis hanteras detta transparent av den uppdaterade Emscripten-verktygskedjan.

Prestandaöverväganden och benchmarking

Prestandafördelarna med multi-value ABI kan variera beroende på det specifika användningsfallet och kodens egenskaper. Funktioner som ofta returnerar flera värden kommer sannolikt att se de mest betydande förbättringarna. Det är avgörande att benchmarka kod med och utan multi-value ABI för att kvantifiera de faktiska prestandavinsterna.

Faktorer som kan påverka prestandan inkluderar:

• Frekvensen av returer med flera värden: Ju oftare en funktion returnerar flera värden, desto större är den potentiella fördelen.
• Storleken på de returnerade värdena: Att returnera stora datastrukturer som flera värden kan ha andra prestandaegenskaper jämfört med att returnera skalära värden.
• Kompilatoroptimering: Kvaliteten på kompilatorns kodgenerering kan ha en betydande inverkan på prestandan.
• Implementering i körtidsmiljön: Effektiviteten i WebAssembly-körtidsmiljöns hantering av flera värden kan också påverka prestandan.

Benchmarking bör utföras på realistiska arbetsbelastningar och över olika WebAssembly-körtidsmiljöer för att få en heltäckande förståelse för prestandapåverkan.

Exempel: Prestandajämförelse

Tänk på en enkel funktion som beräknar summan och produkten av två tal:

            
int calculate(int a, int b, int *sum, int *product) {
  *sum = a + b;
  *product = a * b;
  return 0; // Framgång
}

            

              
                Copy
              
            
          

Utan multi-value skulle detta kräva att man skickar pekare till `sum` och `product`. Med multi-value skulle funktionen kunna skrivas om för att returnera summan och produkten direkt:

            
// C++ - Kräver lämpliga kompilatorflaggor för att returnera två värden från C++.
std::tuple<int, int> calculate(int a, int b) {
  return std::make_tuple(a + b, a * b);
}

            

              
                Copy
              
            
          

Benchmarking av båda versionerna skulle sannolikt avslöja en prestandaförbättring med multi-value-versionen, särskilt om denna funktion anropas ofta.

Utmaningar och överväganden

Även om multi-value ABI erbjuder betydande fördelar, finns det några utmaningar och överväganden att vara medveten om:

• Verktygskedjestöd: Se till att din kompilator, körtidsmiljö och utvecklingsverktyg har fullt stöd för multi-value ABI.
• Interoperabilitet med JavaScript: Att interagera med WebAssembly-moduler från JavaScript kräver noggrann hantering av returer med flera värden. JavaScript API:et måste uppdateras för att korrekt extrahera de flera värdena. Nyare versioner av WebAssembly-gränssnittstyper, eller "wit", är utformade för att hantera utmaningarna med interoperabilitet och typkonvertering.
• Kodportabilitet: Även om WebAssembly är utformat för att vara portabelt, kan beteendet hos kod som förlitar sig på multi-value ABI variera något mellan olika körtidsmiljöer. Grundlig testning rekommenderas.
• Felsökning: Att felsöka funktioner med flera värden kan vara mer komplext än att felsöka funktioner med ett enda värde. Se till att din debugger stöder inspektion av flera returvärden.

Framtiden för WebAssembly ABI:er

Multi-value ABI representerar ett betydande steg framåt i utvecklingen av WebAssembly. Framtida utvecklingar kan inkludera:

• Förbättrat stöd för komplexa datatyper: Att utöka multi-value ABI för att stödja mer komplexa datatyper, såsom structs och arrayer, skulle kunna förbättra prestandan ytterligare och förenkla kodgenereringen.
• Standardiserade interoperabilitetsmekanismer: Att utveckla standardiserade mekanismer för interoperabilitet med WebAssembly-moduler från andra språk skulle kunna minska komplexiteten i utveckling över språkliga gränser.
• Avancerade optimeringstekniker: Att utforska avancerade optimeringstekniker som utnyttjar multi-value ABI skulle kunna leda till ännu större prestandavinster.

Slutsats

WebAssemblys multi-value ABI är en kraftfull funktion som möjliggör optimering av funktionsgränssnitt, vilket leder till prestandaförbättringar, förenklad kodgenerering och förbättrad interoperabilitet. Genom att tillåta funktioner att direkt returnera flera värden, eliminerar det overheaden som är förknippad med minnesallokering och pekarmanipulation. I takt med att WebAssembly fortsätter att utvecklas kommer multi-value ABI att spela en allt viktigare roll för att möjliggöra högpresterande webb- och icke-webbapplikationer. Utvecklare uppmuntras att utforska fördelarna med multi-value ABI och införliva det i sina utvecklingsflöden för WebAssembly.

Genom att utnyttja multi-value ABI kan utvecklare över hela världen skapa mer effektiva, högpresterande och underhållbara WebAssembly-applikationer, och därmed tänja på gränserna för vad som är möjligt på webben och bortom den.