WebAssembly Multi-Value: розкриваючи продуктивність та гнучкість

WebAssembly (Wasm) здійснив революцію у веб-розробці, надавши портативне, ефективне та безпечне середовище виконання коду. Однією з його ключових особливостей, що суттєво впливає на продуктивність та структуру коду, є multi-value (повернення кількох значень), що дозволяє функціям повертати кілька значень безпосередньо. Ця стаття присвячена концепції multi-value у WebAssembly, дослідженню її переваг, деталей реалізації та впливу на загальну продуктивність. Ми розглянемо, як вона контрастує з традиційними підходами з поверненням одного значення та як вона відкриває нові можливості для ефективної генерації коду та взаємодії з іншими мовами.

Що таке WebAssembly Multi-Value?

У багатьох мовах програмування функції можуть повертати лише одне значення. Щоб повернути кілька частин інформації, розробники часто вдаються до обхідних шляхів, таких як повернення структури, кортежу або зміна аргументів, переданих за посиланням. Функція multi-value у WebAssembly змінює цю парадигму, дозволяючи функціям оголошувати та повертати кілька значень безпосередньо. Це усуває потребу в проміжних структурах даних і спрощує обробку даних, сприяючи створенню більш ефективного коду. Уявіть, що функція може природним чином передати вам кілька окремих результатів одночасно, замість того, щоб змушувати вас розпаковувати їх з одного контейнера.

Наприклад, розглянемо функцію, яка обчислює і частку, і залишок від операції ділення. Без multi-value вам, можливо, довелося б повернути одну структуру, що містить обидва результати. З multi-value функція може безпосередньо повернути частку та залишок як два окремі значення.

Переваги Multi-Value

Підвищена продуктивність

Функції multi-value можуть призвести до значного підвищення продуктивності у WebAssembly завдяки кільком факторам:

• Зменшення виділення пам'яті: При поверненні кількох значень за допомогою структур або кортежів необхідно виділяти пам'ять для зберігання об'єднаних даних. Multi-value усуває ці накладні витрати, зменшуючи навантаження на пам'ять і підвищуючи швидкість виконання. Економія особливо помітна у функціях, що часто викликаються.
• Спрощена обробка даних: Передача та розпакування структур даних може вносити додаткові інструкції та складність. Multi-value спрощує потік даних, дозволяючи компілятору оптимізувати код більш ефективно.
• Краща генерація коду: Компілятори можуть генерувати більш ефективний код WebAssembly при роботі з функціями multi-value. Вони можуть безпосередньо відображати повернуті значення в регістрах, зменшуючи потребу в доступі до пам'яті.

Загалом, уникаючи створення та маніпулювання тимчасовими структурами даних, функції multi-value сприяють створенню більш "ощадливого" та швидкого середовища виконання.

Покращена ясність коду

Функції multi-value можуть зробити код легшим для читання та розуміння. Завдяки прямому поверненню кількох значень, намір функції стає чіткішим. Це призводить до більш підтримуваного та менш схильного до помилок коду.

• Покращена читабельність: Код, який безпосередньо виражає очікуваний результат, зазвичай легше читати та розуміти. Multi-value усуває необхідність розшифровувати, як кілька значень запаковані та розпаковані з одного повернутого значення.
• Зменшення шаблонного коду: Код, необхідний для створення, доступу та керування тимчасовими структурами даних, може бути значним. Multi-value зменшує цей шаблонний код, роблячи код більш лаконічним.
• Спрощене налагодження: При налагодженні коду, що використовує функції multi-value, значення легко доступні без необхідності навігації по складних структурах даних.

Покращена взаємодія

Функції multi-value можуть покращити взаємодію між WebAssembly та іншими мовами. Багато мов, таких як Rust, мають вбудовану підтримку повернення кількох значень. Використовуючи multi-value у WebAssembly, стає легше взаємодіяти з цими мовами без введення зайвих кроків конвертації.

• Безшовна інтеграція: Мови, які природно підтримують повернення кількох значень, можуть безпосередньо відображатися на функцію multi-value WebAssembly, створюючи більш безшовний досвід інтеграції.
• Зменшення накладних витрат на маршалінг: При перетині меж мов дані потрібно маршалізувати (конвертувати) між різними представленнями даних. Multi-value зменшує обсяг необхідного маршалінгу, підвищуючи продуктивність і спрощуючи процес інтеграції.
• Чистіші API: Multi-value дозволяє створювати чистіші та більш виразні API при взаємодії з іншими мовами. Сигнатури функцій можуть безпосередньо відображати кілька значень, що повертаються.

Як Multi-Value працює у WebAssembly

Система типів WebAssembly розроблена для підтримки функцій multi-value. Сигнатура функції визначає типи її параметрів та типи значень, що повертаються. З multi-value частина сигнатури, що відповідає за повернуті значення, може включати кілька типів.

Наприклад, функція, яка повертає ціле число та число з плаваючою комою, матиме таку сигнатуру (у спрощеному представленні):

(param i32) (result i32 f32)

Це вказує на те, що функція приймає одне 32-бітне ціле число на вхід і повертає 32-бітне ціле число та 32-бітне число з плаваючою комою на виході.

Набір інструкцій WebAssembly надає інструкції для роботи з функціями multi-value. Наприклад, інструкція return може використовуватися для повернення кількох значень, а інструкції local.get та local.set — для доступу та зміни локальних змінних, що містять кілька значень.

Приклади використання Multi-Value

Приклад 1: Ділення із залишком

Як уже згадувалося, функція, яка обчислює і частку, і залишок від операції ділення, є класичним прикладом того, де multi-value може бути корисним. Без multi-value вам, можливо, доведеться повернути структуру або кортеж. З multi-value ви можете безпосередньо повернути частку та залишок як два окремі значення.

Ось спрощена ілюстрація (це не справжній Wasm-код, але вона передає ідею): function divide(numerator: i32, denominator: i32) -> (quotient: i32, remainder: i32) { quotient = numerator / denominator; remainder = numerator % denominator; return quotient, remainder; }

Приклад 2: Обробка помилок

Multi-value також можна використовувати для більш ефективної обробки помилок. Замість того, щоб кидати виняток або повертати спеціальний код помилки, функція може повернути прапорець успіху разом із фактичним результатом. Це дозволяє коду, що викликає, легко перевіряти наявність помилок і належним чином їх обробляти.

Спрощена ілюстрація: function readFile(filename: string) -> (success: bool, content: string) { try { content = read_file_from_disk(filename); return true, content; } catch (error) { return false, ""; // Or a default value } }

У цьому прикладі функція readFile повертає булеве значення, що вказує, чи був файл успішно прочитаний, разом із вмістом файлу. Код, що викликає, може перевірити булеве значення, щоб визначити, чи була операція успішною.

Приклад 3: Операції з комплексними числами

Операції з комплексними числами часто вимагають повернення як дійсної, так і уявної частини. Multi-value дозволяє повертати їх безпосередньо.

Спрощена ілюстрація: function complexMultiply(a_real: f64, a_imag: f64, b_real: f64, b_imag: f64) -> (real: f64, imag: f64) { real = a_real * b_real - a_imag * b_imag; imag = a_real * b_imag + a_imag * b_real; return real, imag; }

Підтримка Multi-Value компіляторами

Щоб скористатися перевагами multi-value у WebAssembly, вам потрібен компілятор, який його підтримує. На щастя, багато популярних компіляторів, таких як для Rust, C++ та AssemblyScript, додали підтримку multi-value. Це означає, що ви можете писати код цими мовами та компілювати його у WebAssembly з функціями multi-value.

Rust

Rust має відмінну підтримку multi-value через свій вбудований тип повернення — кортеж. Функції Rust можуть легко повертати кортежі, які потім компілюються у функції multi-value WebAssembly. Це дозволяє легко писати ефективний та виразний код, що використовує multi-value.

Приклад:

fn divide(numerator: i32, denominator: i32) -> (i32, i32) { (numerator / denominator, numerator % denominator) }

C++

C++ може підтримувати multi-value через використання структур або кортежів. Однак для безпосереднього використання функції multi-value WebAssembly компілятори потрібно налаштувати для генерації відповідних інструкцій WebAssembly. Сучасні компілятори C++, особливо при компіляції під WebAssembly, все частіше здатні оптимізувати повернення кортежів у справжні multi-value повернення у скомпільованому Wasm.

AssemblyScript

AssemblyScript, TypeScript-подібна мова, що компілюється безпосередньо у WebAssembly, також підтримує функції multi-value. Це робить її хорошим вибором для написання коду WebAssembly, який має бути одночасно ефективним і легким для читання.

Аспекти продуктивності

Хоча multi-value може забезпечити значне підвищення продуктивності, важливо знати про потенційні пастки. У деяких випадках компілятор може не змогти оптимізувати функції multi-value так само ефективно, як функції з одним значенням. Завжди варто проводити бенчмаркінг вашого коду, щоб переконатися, що ви отримуєте очікувані переваги у продуктивності.

• Оптимізація компілятором: Ефективність multi-value значною мірою залежить від здатності компілятора оптимізувати згенерований код. Переконайтеся, що ви використовуєте компілятор з надійною підтримкою WebAssembly та стратегіями оптимізації.
• Накладні витрати на виклик функції: Хоча multi-value зменшує виділення пам'яті, накладні витрати на виклик функції все ще можуть бути фактором. Розгляньте можливість вбудовування (inlining) часто викликаних функцій multi-value для зменшення цих витрат.
• Локальність даних: Якщо повернуті значення не використовуються разом, переваги продуктивності multi-value можуть бути зменшені. Переконайтеся, що повернуті значення використовуються таким чином, що сприяє локальності даних.

Майбутнє Multi-Value

Multi-value — це відносно нова функція у WebAssembly, але вона має потенціал значно покращити продуктивність та виразність коду WebAssembly. Оскільки компілятори та інструменти продовжують вдосконалюватися, ми можемо очікувати ще більш широкого впровадження multi-value.

Одним з перспективних напрямків є інтеграція multi-value з іншими функціями WebAssembly, такими як WebAssembly System Interface (WASI). Це дозволить програмам WebAssembly взаємодіяти із зовнішнім світом більш ефективно та безпечно.

Висновок

WebAssembly multi-value — це потужна функція, яка може покращити продуктивність, ясність та взаємодію коду WebAssembly. Дозволяючи функціям повертати кілька значень безпосередньо, вона усуває потребу в проміжних структурах даних і спрощує обробку даних. Якщо ви пишете код на WebAssembly, вам обов'язково варто розглянути можливість використання multi-value для підвищення ефективності та підтримуваності вашого коду.

По мірі розвитку екосистеми WebAssembly ми можемо очікувати ще більш інноваційних способів використання multi-value. Розуміючи переваги та обмеження multi-value, ви можете ефективно використовувати її для створення високопродуктивних та підтримуваних додатків WebAssembly для широкого спектра платформ та середовищ у всьому світі.

Додаткові ресурси

• Офіційний сайт WebAssembly
• Пропозиція WebAssembly Multi-Value