Обробка винятків у WebAssembly: Глибоке занурення в розкручування стека

WebAssembly (Wasm) здійснив революцію в Інтернеті, надавши високопродуктивну, портативну ціль для компіляції. Хоча спочатку Wasm був зосереджений на числових обчисленнях, він все частіше використовується для складних додатків, що вимагають надійних механізмів обробки помилок. Саме тут на допомогу приходить обробка винятків. Ця стаття заглиблюється в обробку винятків у WebAssembly, зосереджуючись зокрема на вирішальному процесі розкручування стека. Ми розглянемо деталі реалізації, аспекти продуктивності та загальний вплив на розробку на Wasm.

Що таке обробка винятків?

Обробка винятків — це конструкція мови програмування, призначена для обробки помилок або виняткових ситуацій, що виникають під час виконання програми. Замість аварійного завершення або невизначеної поведінки, програма може "згенерувати" виняток, який потім "перехоплюється" спеціальним обробником. Це дозволяє програмі коректно відновлюватися після помилок, записувати діагностичну інформацію або виконувати операції очищення перед продовженням виконання або коректним завершенням роботи.

Розглянемо ситуацію, коли ви намагаєтеся отримати доступ до файлу. Файл може не існувати, або у вас може не бути необхідних дозволів для його читання. Без обробки винятків ваша програма може аварійно завершитися. З обробкою винятків ви можете обернути код доступу до файлу в блок try і надати блок catch для обробки потенційних винятків (наприклад, FileNotFoundException, SecurityException). Це дозволяє вам показати користувачеві інформативне повідомлення про помилку або спробувати відновитися після неї.

Потреба в обробці винятків у WebAssembly

У міру того, як WebAssembly еволюціонує від ізольованого середовища виконання для невеликих модулів до платформи для великомасштабних додатків, потреба в належній обробці винятків стає все більш важливою. Без винятків обробка помилок стає громіздкою та схильною до помилок. Розробникам доводиться покладатися на повернення кодів помилок або використання інших спеціальних механізмів, що може ускладнити читання, підтримку та налагодження коду.

Розглянемо складний додаток, написаний такою мовою, як C++, і скомпільований у WebAssembly. Код на C++ може значною мірою покладатися на винятки для обробки помилок. Без належної обробки винятків у WebAssembly скомпільований код або не працюватиме коректно, або вимагатиме значних змін для заміни механізмів обробки винятків. Це особливо актуально для проєктів, що переносять існуючі кодові бази в екосистему WebAssembly.

Пропозиція щодо обробки винятків у WebAssembly

Спільнота WebAssembly працює над стандартизованою пропозицією щодо обробки винятків (часто згадується як WasmEH). Ця пропозиція має на меті надати портативний та ефективний спосіб обробки винятків у WebAssembly. Пропозиція визначає нові інструкції для генерації та перехоплення винятків, а також механізм розкручування стека, який є фокусом цієї статті.

Ключові компоненти пропозиції щодо обробки винятків WebAssembly включають:

• Блоки try/catch: Подібно до обробки винятків в інших мовах, WebAssembly надає блоки try та catch для оточення коду, який може генерувати винятки, та для їх обробки.
• Об'єкти винятків: Винятки WebAssembly представлені як об'єкти, що можуть нести дані. Це дозволяє обробнику винятків отримувати доступ до інформації про помилку, що сталася.
• Інструкція throw: Ця інструкція використовується для генерації винятку.
• Інструкція rethrow: Дозволяє обробнику винятків поширити виняток на вищий рівень.
• Розкручування стека: Процес очищення стека викликів після генерації винятку, що є важливим для забезпечення належного управління ресурсами та стабільності програми.

Розкручування стека: ядро обробки винятків

Розкручування стека є критично важливою частиною процесу обробки винятків. Коли генерується виняток, середовище виконання WebAssembly повинно "розкрутити" стек викликів, щоб знайти відповідний обробник винятків. Це включає наступні кроки:

1. Виняток генерується: Виконується інструкція throw, сигналізуючи про виникнення винятку.
2. Пошук обробника: Середовище виконання шукає в стеку викликів блок catch, який може обробити виняток. Цей пошук відбувається від поточної функції до кореня стека викликів.
3. Розкручування стека: Під час проходження стека викликів середовище виконання повинно "розкрутити" кадровий фрейм кожної функції. Це включає:
   • Відновлення попереднього вказівника стека.
   • Виконання будь-яких блоків finally (або еквівалентного коду очищення в мовах, які не мають явних блоків finally), пов'язаних з функціями, що розкручуються. Це забезпечує належне звільнення ресурсів і підтримання програми в узгодженому стані.
   • Видалення кадрового фрейму зі стека викликів.
4. Обробник знайдено: Якщо відповідний обробник винятків знайдено, середовище виконання передає керування обробнику. Обробник може отримати доступ до інформації про виняток і вжити відповідних заходів.
5. Обробник не знайдено: Якщо в стеку викликів не знайдено відповідного обробника винятків, виняток вважається неперехопленим. Середовище виконання WebAssembly зазвичай завершує програму в цьому випадку (хоча вбудовувачі можуть налаштовувати цю поведінку).

Приклад: Розглянемо наступний спрощений стек викликів:

Функція A викликає функцію B
Функція B викликає функцію C
Функція C генерує виняток

Якщо функція C генерує виняток, а функція B має блок try/catch, який може обробити цей виняток, процес розкручування стека буде таким:

1. Розкрутити кадровий фрейм функції C.
2. Передати керування блоку catch у функції B.

Якщо функція B *не* має блоку catch, процес розкручування продовжиться до функції A.

Реалізація розкручування стека в WebAssembly

Реалізація розкручування стека в WebAssembly включає кілька ключових компонентів:

• Представлення стека викликів: Середовище виконання WebAssembly повинно підтримувати представлення стека викликів, що дозволяє ефективно проходити по кадрових фреймах. Зазвичай це включає зберігання інформації про виконувану функцію, локальні змінні та адресу повернення.
• Вказівники кадру: Вказівники кадру (або подібні механізми) використовуються для визначення місцезнаходження кадрових фреймів кожної функції в стеку викликів. Це дозволяє середовищу виконання легко отримувати доступ до локальних змінних функції та іншої відповідної інформації.
• Таблиці обробки винятків: Ці таблиці зберігають інформацію про обробники винятків, пов'язані з кожною функцією. Середовище виконання використовує ці таблиці, щоб швидко визначити, чи має функція обробник, який може обробити даний виняток.
• Код очищення: Середовище виконання повинно виконувати код очищення (наприклад, блоки finally) під час розкручування стека. Це забезпечує належне звільнення ресурсів і підтримання програми в узгодженому стані.

Для реалізації розкручування стека в WebAssembly можна використовувати кілька різних підходів, кожен зі своїми компромісами щодо продуктивності та складності. Деякі поширені підходи включають:

• Обробка винятків нульової вартості (ZCEH): Цей підхід має на меті мінімізувати накладні витрати на обробку винятків, коли винятки не генеруються. ZCEH зазвичай включає використання статичного аналізу для визначення, які функції можуть генерувати винятки, а потім генерацію спеціального коду для цих функцій. Функції, які, як відомо, не генерують винятків, можуть виконуватися без будь-яких накладних витрат на обробку винятків. LLVM часто використовує варіант цього підходу.
• Розкручування на основі таблиць: Цей підхід використовує таблиці для зберігання інформації про кадри стека та обробники винятків. Середовище виконання може використовувати ці таблиці для швидкого розкручування стека при виникненні винятку.
• Розкручування на основі DWARF: DWARF (Debugging With Attributed Record Formats) — це стандартний формат налагодження, який містить інформацію про кадри стека. Середовище виконання може використовувати інформацію DWARF для розкручування стека при виникненні винятку.

Конкретна реалізація розкручування стека в WebAssembly буде залежати від середовища виконання WebAssembly та компілятора, який використовується для генерації коду WebAssembly.

Вплив розкручування стека на продуктивність

Розкручування стека може суттєво вплинути на продуктивність додатків WebAssembly. Накладні витрати на розкручування стека можуть бути значними, особливо якщо стек викликів глибокий або якщо потрібно розкрутити велику кількість функцій. Тому при розробці додатків WebAssembly важливо ретельно враховувати наслідки обробки винятків для продуктивності.

На продуктивність розкручування стека можуть впливати кілька факторів:

• Глибина стека викликів: Чим глибший стек викликів, тим більше функцій потрібно розкрутити, і тим більші накладні витрати.
• Частота винятків: Якщо винятки генеруються часто, накладні витрати на розкручування стека можуть стати значними.
• Складність коду очищення: Якщо код очищення (наприклад, блоки finally) складний, накладні витрати на його виконання можуть бути суттєвими.
• Реалізація розкручування стека: Конкретна реалізація розкручування стека може суттєво вплинути на продуктивність. Техніки обробки винятків нульової вартості можуть мінімізувати накладні витрати, коли винятки не генеруються, але можуть призводити до вищих накладних витрат, коли винятки все ж виникають.

Щоб мінімізувати вплив розкручування стека на продуктивність, розгляньте наступні стратегії:

• Мінімізуйте використання винятків: Використовуйте винятки тільки для справді виняткових ситуацій. Уникайте використання винятків для звичайного керування потоком виконання. Такі мови, як Rust, повністю уникають винятків на користь явної обробки помилок (наприклад, тип Result).
• Зберігайте стеки викликів неглибокими: Уникайте глибоких стеків викликів, коли це можливо. Розгляньте можливість рефакторингу коду для зменшення глибини стека викликів.
• Оптимізуйте код очищення: Переконайтеся, що код очищення є максимально ефективним. Уникайте виконання непотрібних операцій у блоках finally.
• Використовуйте середовище виконання WebAssembly з ефективною реалізацією розкручування стека: Обирайте середовище виконання WebAssembly, яке використовує ефективну реалізацію розкручування стека, таку як обробка винятків нульової вартості.

Приклад: Розглянемо додаток WebAssembly, який виконує велику кількість обчислень. Якщо додаток використовує винятки для обробки помилок в обчисленнях, накладні витрати на розкручування стека можуть стати значними. Щоб зменшити це, додаток можна змінити так, щоб він використовував коди помилок замість винятків. Це усуне накладні витрати на розкручування стека, але також вимагатиме від додатку явної перевірки помилок після кожного обчислення.

Приклади коду (концептуально - асемблер WASM)

Хоча ми не можемо надати тут безпосередньо виконуваний код WASM через формат блог-посту, давайте концептуально проілюструємо, як обробка винятків *може* виглядати на асемблері WASM (формат WAT - WebAssembly Text):

;; Визначення типу винятку
(type $exn_type (exception (result i32)))

;; Функція, яка може згенерувати виняток
(func $might_fail (result i32)
  (try $try_block
    i32.const 10
    i32.const 0
    i32.div_s  ;; Це згенерує виняток при діленні на нуль

    ;; Якщо винятку немає, повернути результат
    (return)

    (catch $exn_type
      ;; Обробити виняток: повернути -1
      i32.const -1
      (return))
  )
)

;; Функція, яка викликає функцію, що може зазнати невдачі
(func $caller (result i32)
  (call $might_fail)
)

;; Експорт функції-викликувача
(export "caller" (func $caller))

;; Визначення винятку
(global $my_exception (mut i32) (i32.const 0))

;; throw exception (псевдокод, фактична інструкція може відрізнятися)
;; throw $my_exception

Пояснення:

• (type $exn_type (exception (result i32))): Визначає тип винятку.
• (try ... catch ...): Визначає блок try-catch.
• Всередині $might_fail інструкція i32.div_s може спричинити помилку ділення на нуль (і виняток).
• Блок catch обробляє виняток типу $exn_type.

Примітка: Це спрощений концептуальний приклад. Фактичні інструкції та синтаксис обробки винятків WebAssembly можуть дещо відрізнятися залежно від конкретної версії специфікації WebAssembly та інструментів, що використовуються. Зверніться до офіційної документації WebAssembly для отримання найактуальнішої інформації.

Налагодження WebAssembly з винятками

Налагодження коду WebAssembly, який використовує винятки, може бути складним, особливо якщо ви не знайомі з середовищем виконання WebAssembly та механізмом обробки винятків. Однак існує кілька інструментів та технік, які можуть допомогти вам ефективно налагодити код WebAssembly з винятками:

• Інструменти розробника в браузері: Сучасні веб-браузери надають потужні інструменти розробника, які можна використовувати для налагодження коду WebAssembly. Ці інструменти зазвичай дозволяють встановлювати точки зупину, покроково виконувати код, перевіряти змінні та переглядати стек викликів. Коли генерується виняток, інструменти розробника можуть надати інформацію про виняток, таку як тип винятку та місце, де він був згенерований.
• Налагоджувачі WebAssembly: Існує кілька спеціалізованих налагоджувачів WebAssembly, таких як WebAssembly Binary Toolkit (WABT) та інструментарій Binaryen. Ці налагоджувачі надають більш розширені функції налагодження, такі як можливість перевіряти внутрішній стан модуля WebAssembly та встановлювати точки зупину на конкретних інструкціях.
• Логування: Логування може бути цінним інструментом для налагодження коду WebAssembly з винятками. Ви можете додавати оператори логування до свого коду, щоб відстежувати потік виконання та записувати інформацію про винятки, що генеруються. Це може допомогти вам визначити першопричину винятків і зрозуміти, як вони обробляються.
• Карти джерел (Source maps): Карти джерел дозволяють зіставити код WebAssembly з вихідним кодом. Це може значно полегшити налагодження коду WebAssembly, особливо якщо код був скомпільований з мови вищого рівня. Коли генерується виняток, карта джерел може допомогти вам визначити відповідний рядок коду у вихідному файлі.

Майбутні напрямки для обробки винятків у WebAssembly

Пропозиція щодо обробки винятків у WebAssembly все ще розвивається, і існує кілька напрямків, де досліджуються подальші вдосконалення:

• Стандартизація типів винятків: Наразі WebAssembly дозволяє визначати власні типи винятків. Стандартизація набору поширених типів винятків може покращити взаємодію між різними модулями WebAssembly.
• Інтеграція зі збирачем сміття: Оскільки WebAssembly отримує підтримку збирача сміття, важливо буде інтегрувати обробку винятків зі збирачем сміття. Це забезпечить належне звільнення ресурсів при генерації винятків.
• Покращені інструменти: Подальші вдосконалення інструментів налагодження WebAssembly будуть вирішальними для полегшення налагодження коду WebAssembly з винятками.
• Оптимізація продуктивності: Необхідні подальші дослідження та розробки для оптимізації продуктивності розкручування стека та обробки винятків у WebAssembly.

Висновок

Обробка винятків у WebAssembly є важливою функцією для розробки складних і надійних додатків WebAssembly. Розуміння розкручування стека є необхідним для розуміння того, як обробляються винятки в WebAssembly, і для оптимізації продуктивності додатків, що їх використовують. Оскільки екосистема WebAssembly продовжує розвиватися, ми можемо очікувати подальших удосконалень у механізмі обробки винятків, що зробить WebAssembly ще більш привабливою платформою для широкого спектра додатків.

Ретельно враховуючи наслідки обробки винятків для продуктивності та використовуючи відповідні інструменти й техніки налагодження, розробники можуть ефективно використовувати обробку винятків у WebAssembly для створення надійних та підтримуваних додатків.