Операції з таблицями WebAssembly: Динамічне керування таблицями функцій

WebAssembly (Wasm) стала потужною технологією для створення високопродуктивних додатків, які можуть працювати на різних платформах, включаючи веб-браузери та автономні середовища. Одним із ключових компонентів WebAssembly є таблиця, динамічний масив непрозорих значень, зазвичай посилань на функції. Ця стаття надає вичерпний огляд таблиць WebAssembly, з особливим акцентом на динамічному керуванні таблицями функцій, операціях з таблицями та їхньому впливі на продуктивність і безпеку.

Що таке таблиця WebAssembly?

Таблиця WebAssembly — це, по суті, масив посилань. Ці посилання можуть вказувати на функції, а також на інші значення Wasm, залежно від типу елемента таблиці. Таблиці відрізняються від лінійної пам'яті WebAssembly. У той час як лінійна пам'ять зберігає необроблені байти і використовується для даних, таблиці зберігають типізовані посилання, які часто використовуються для динамічної диспетчеризації та непрямих викликів функцій. Тип елемента таблиці, визначений під час компіляції, вказує на вид значень, які можуть зберігатися в таблиці (наприклад, funcref для посилань на функції, externref для зовнішніх посилань на значення JavaScript або специфічний тип Wasm, якщо використовуються "типи посилань").

Уявіть таблицю як індекс до набору функцій. Замість того, щоб безпосередньо викликати функцію за її назвою, ви викликаєте її за індексом у таблиці. Це забезпечує рівень опосередкованості, який уможливлює динамічне зв'язування та дозволяє розробникам змінювати поведінку модулів WebAssembly під час виконання.

Ключові характеристики таблиць WebAssembly:

• Динамічний розмір: Розмір таблиць можна змінювати під час виконання, що дозволяє динамічно розподіляти посилання на функції. Це критично важливо для динамічного зв'язування та гнучкого керування вказівниками на функції.
• Типізовані елементи: Кожна таблиця пов'язана з певним типом елементів, що обмежує вид посилань, які можуть зберігатися в таблиці. Це забезпечує безпеку типів і запобігає ненавмисним викликам функцій.
• Індексований доступ: Доступ до елементів таблиці здійснюється за допомогою числових індексів, що забезпечує швидкий та ефективний спосіб пошуку посилань на функції.
• Змінність: Таблиці можна змінювати під час виконання. Ви можете додавати, видаляти або замінювати елементи в таблиці.

Таблиці функцій та непрямі виклики функцій

Найпоширеніший випадок використання таблиць WebAssembly — це посилання на функції (funcref). У WebAssembly непрямі виклики функцій (виклики, де цільова функція невідома на етапі компіляції) здійснюються через таблицю. Саме так Wasm досягає динамічної диспетчеризації, подібно до віртуальних функцій в об'єктно-орієнтованих мовах або вказівників на функції в таких мовах, як C та C++.

Ось як це працює:

1. Модуль WebAssembly визначає таблицю функцій і заповнює її посиланнями на функції.
2. Модуль містить інструкцію call_indirect, яка вказує індекс таблиці та сигнатуру функції.
3. Під час виконання інструкція call_indirect отримує посилання на функцію з таблиці за вказаним індексом.
4. Отримана функція викликається з наданими аргументами.

Сигнатура функції, вказана в інструкції call_indirect, є надзвичайно важливою для безпеки типів. Середовище виконання WebAssembly перевіряє, чи має функція, на яку посилається таблиця, очікувану сигнатуру перед виконанням виклику. Це допомагає запобігти помилкам і гарантує, що програма поводиться як очікувалося.

Приклад: проста таблиця функцій

Розглянемо сценарій, у якому ви хочете реалізувати простий калькулятор у WebAssembly. Ви можете визначити таблицю функцій, яка містить посилання на різні арифметичні операції:

  
  (module
    (table $functions 10 funcref)
    (func $add (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.add)
    (func $subtract (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.sub)
    (func $multiply (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.mul)
    (func $divide (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.div_s)

    (elem (i32.const 0) $add $subtract $multiply $divide)

    (func (export "calculate") (param $op i32) (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $op
      local.get $p1
      local.get $p2
      call_indirect (type $return_i32_i32_i32))

    (type $return_i32_i32_i32 (func (param i32 i32) (result i32)))
  )
  

У цьому прикладі сегмент elem ініціалізує перші чотири елементи таблиці $functions посиланнями на функції $add, $subtract, $multiply та $divide. Експортована функція calculate приймає код операції $op як вхідні дані, а також два цілочисельні параметри. Потім вона використовує інструкцію call_indirect для виклику відповідної функції з таблиці на основі коду операції. Тип $return_i32_i32_i32 вказує очікувану сигнатуру функції.

Викликаюча сторона надає індекс ($op) у таблицю. Таблиця перевіряється, щоб переконатися, що цей індекс містить функцію очікуваного типу ($return_i32_i32_i32). Якщо обидві перевірки проходять успішно, викликається функція за цим індексом.

Динамічне керування таблицями функцій

Динамічне керування таблицями функцій означає можливість змінювати вміст таблиці функцій під час виконання. Це уможливлює різні розширені функції, такі як:

• Динамічне зв'язування: Завантаження та зв'язування нових модулів WebAssembly в існуючий додаток під час виконання.
• Архітектури плагінів: Реалізація систем плагінів, де нову функціональність можна додавати до додатка без перекомпіляції основного коду.
• Гаряча заміна: Заміна існуючих функцій оновленими версіями без переривання виконання додатка.
• Прапорці функцій: Увімкнення або вимкнення певних функцій на основі умов під час виконання.

WebAssembly надає кілька інструкцій для маніпулювання елементами таблиці:

• table.get: Читає елемент з таблиці за заданим індексом.
• table.set: Записує елемент у таблицю за заданим індексом.
• table.grow: Збільшує розмір таблиці на вказану величину.
• table.size: Повертає поточний розмір таблиці.
• table.copy: Копіює діапазон елементів з однієї таблиці в іншу.
• table.fill: Заповнює діапазон елементів у таблиці вказаним значенням.

Приклад: динамічне додавання функції до таблиці

Розширимо попередній приклад калькулятора, щоб динамічно додавати нову функцію до таблиці. Припустимо, ми хочемо додати функцію квадратного кореня:

  
  (module
    (table $functions 10 funcref)
    (import "js" "sqrt" (func $js_sqrt (param i32) (result i32)))
    (func $add (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.add)
    (func $subtract (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.sub)
    (func $multiply (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.mul)
    (func $divide (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $p1
      local.get $p2
      i32.div_s)
    (func $sqrt (param $p1 i32) (result i32)
        local.get $p1
        call $js_sqrt
    )

    (elem (i32.const 0) $add $subtract $multiply $divide)

    (func (export "add_sqrt")
        i32.const 4  ;; Index where to insert the sqrt function
        ref.func $sqrt ;; Push a reference to the $sqrt function
        table.set $functions
    )

    (func (export "calculate") (param $op i32) (param $p1 i32) (param $p2 i32) (result i32)
      local.get $op
      local.get $p1
      local.get $p2
      call_indirect (type $return_i32_i32_i32))

    (type $return_i32_i32_i32 (func (param i32 i32) (result i32)))
  )
  

У цьому прикладі ми імпортуємо функцію sqrt з JavaScript. Потім ми визначаємо функцію WebAssembly $sqrt, яка обгортає імпорт з JavaScript. Функція add_sqrt потім розміщує функцію $sqrt у наступному доступному місці (індекс 4) в таблиці. Тепер, якщо викликаюча сторона передасть '4' як перший аргумент функції calculate, вона викличе функцію квадратного кореня.

Важлива примітка: Ми імпортуємо sqrt з JavaScript тут як приклад. У реальних сценаріях ідеально було б використовувати реалізацію квадратного кореня на WebAssembly для кращої продуктивності.

Аспекти безпеки

Таблиці WebAssembly вносять деякі аспекти безпеки, про які розробники повинні знати:

• Плутанина типів: Якщо сигнатура функції, вказана в інструкції call_indirect, не відповідає фактичній сигнатурі функції, на яку посилається таблиця, це може призвести до вразливостей плутанини типів. Середовище виконання Wasm запобігає цьому, виконуючи перевірку сигнатури перед викликом функції з таблиці.
• Доступ за межами масиву: Доступ до елементів таблиці за межами її діапазону може призвести до збоїв або непередбачуваної поведінки. Завжди переконуйтеся, що індекс таблиці знаходиться в допустимому діапазоні. Реалізації WebAssembly зазвичай викликають помилку, якщо відбувається доступ за межами діапазону.
• Неініціалізовані елементи таблиці: Виклик неініціалізованого елемента в таблиці може призвести до невизначеної поведінки. Переконайтеся, що всі відповідні частини вашої таблиці були ініціалізовані перед використанням.
• Змінні глобальні таблиці: Якщо таблиці визначені як глобальні змінні, які можуть бути змінені кількома модулями, це може створити потенційні ризики безпеки. Ретельно керуйте доступом до глобальних таблиць, щоб запобігти ненавмисним змінам.

Щоб зменшити ці ризики, дотримуйтесь наступних найкращих практик:

• Перевіряйте індекси таблиці: Завжди перевіряйте індекси таблиці перед доступом до її елементів, щоб запобігти доступу за межами діапазону.
• Використовуйте типобезпечні виклики функцій: Переконайтеся, що сигнатура функції, вказана в інструкції call_indirect, відповідає фактичній сигнатурі функції, на яку посилається таблиця.
• Ініціалізуйте елементи таблиці: Завжди ініціалізуйте елементи таблиці перед їх викликом, щоб запобігти невизначеній поведінці.
• Обмежуйте доступ до глобальних таблиць: Ретельно керуйте доступом до глобальних таблиць, щоб запобігти ненавмисним змінам. Розглядайте можливість використання локальних таблиць замість глобальних, коли це можливо.
• Використовуйте функції безпеки WebAssembly: Скористайтеся вбудованими функціями безпеки WebAssembly, такими як безпека пам'яті та цілісність потоку керування, щоб ще більше зменшити потенційні ризики безпеки.

Аспекти продуктивності

Хоча таблиці WebAssembly надають гнучкий і потужний механізм для динамічної диспетчеризації функцій, вони також вносять деякі аспекти продуктивності:

• Накладні витрати на непрямий виклик функції: Непрямі виклики функцій через таблицю можуть бути трохи повільнішими, ніж прямі виклики функцій, через додаткову опосередкованість.
• Затримка доступу до таблиці: Доступ до елементів таблиці може вносити певну затримку, особливо якщо таблиця велика або зберігається у віддаленому місці.
• Накладні витрати на зміну розміру таблиці: Зміна розміру таблиці може бути відносно дорогою операцією, особливо якщо таблиця велика.

Щоб оптимізувати продуктивність, враховуйте наступні поради:

• Мінімізуйте непрямі виклики функцій: Використовуйте прямі виклики функцій, коли це можливо, щоб уникнути накладних витрат на непрямі виклики.
• Кешуйте елементи таблиці: Якщо ви часто звертаєтеся до одних і тих же елементів таблиці, розгляньте можливість їх кешування в локальних змінних, щоб зменшити затримку доступу до таблиці.
• Попередньо виділяйте розмір таблиці: Якщо ви заздалегідь знаєте приблизний розмір таблиці, попередньо виділіть її розмір, щоб уникнути частих змін розміру.
• Використовуйте ефективні структури даних таблиць: Вибирайте відповідну структуру даних таблиці залежно від потреб вашого додатка. Наприклад, якщо вам потрібно часто вставляти та видаляти елементи з таблиці, розгляньте можливість використання геш-таблиці замість простого масиву.
• Профілюйте свій код: Використовуйте інструменти профілювання для виявлення вузьких місць продуктивності, пов'язаних з операціями з таблицями, та оптимізуйте свій код відповідно.

Розширені операції з таблицями

Окрім базових операцій з таблицями, WebAssembly пропонує більш розширені можливості для керування таблицями:

• table.copy: Ефективно копіює діапазон елементів з однієї таблиці в іншу. Це корисно для створення знімків таблиць функцій або для міграції посилань на функції між таблицями.
• table.fill: Встановлює діапазон елементів у таблиці на певне значення. Корисно для ініціалізації таблиці або скидання її вмісту.
• Кілька таблиць: Модуль Wasm може визначати та використовувати кілька таблиць. Це дозволяє розділяти різні категорії функцій або посилань на дані, потенційно покращуючи продуктивність та безпеку шляхом обмеження області видимості кожної таблиці.

Сценарії використання та приклади

Таблиці WebAssembly використовуються в різноманітних додатках, зокрема:

• Розробка ігор: Реалізація динамічної ігрової логіки, такої як поведінка ШІ та обробка подій. Наприклад, таблиця може містити посилання на різні функції ШІ ворогів, які можна динамічно перемикати залежно від стану гри.
• Веб-фреймворки: Створення динамічних веб-фреймворків, які можуть завантажувати та виконувати компоненти під час виконання. Бібліотеки компонентів, подібні до React, можуть використовувати таблиці Wasm для керування методами життєвого циклу компонентів.
• Серверні додатки: Реалізація архітектур плагінів для серверних додатків, що дозволяє розробникам розширювати функціональність сервера без перекомпіляції основного коду. Уявіть серверні додатки, які дозволяють динамічно завантажувати розширення, такі як відеокодеки або модулі автентифікації.
• Вбудовані системи: Керування вказівниками на функції у вбудованих системах, що дозволяє динамічно переконфігурувати поведінку системи. Невеликий розмір та детерміноване виконання WebAssembly роблять його ідеальним для середовищ з обмеженими ресурсами. Уявіть мікроконтролер, який динамічно змінює свою поведінку, завантажуючи різні модулі Wasm.

Реальні приклади:

• Unity WebGL: Unity широко використовує WebAssembly для своїх збірок WebGL. Хоча значна частина основної функціональності компілюється AOT (Ahead-of-Time), динамічне зв'язування та архітектури плагінів часто реалізуються за допомогою таблиць Wasm.
• FFmpeg.wasm: Популярний мультимедійний фреймворк FFmpeg був портований на WebAssembly. Він використовує таблиці для керування різними кодеками та фільтрами, що дозволяє динамічно вибирати та завантажувати компоненти обробки медіа.
• Різні емулятори: RetroArch та інші емулятори використовують таблиці Wasm для обробки динамічної диспетчеризації між різними компонентами системи (ЦП, ГП, пам'ять тощо), що дозволяє емулювати різні платформи.

Майбутні напрямки

Екосистема WebAssembly постійно розвивається, і існує кілька поточних зусиль для подальшого вдосконалення операцій з таблицями:

• Типи посилань: Пропозиція "Типи посилань" вводить можливість зберігати довільні посилання в таблицях, а не лише посилання на функції. Це відкриває нові можливості для керування даними та об'єктами в WebAssembly.
• Збирач сміття: Пропозиція "Збирач сміття" має на меті інтегрувати збирач сміття в WebAssembly, що полегшить керування пам'яттю та об'єктами в модулях Wasm. Це, ймовірно, матиме значний вплив на те, як використовуються та керуються таблиці.
• Функції після MVP: Майбутні функції WebAssembly, ймовірно, включатимуть більш розширені операції з таблицями, такі як атомарні оновлення таблиць та підтримка більших таблиць.

Висновок

Таблиці WebAssembly — це потужна та універсальна функція, яка уможливлює динамічну диспетчеризацію функцій, динамічне зв'язування та інші розширені можливості. Розуміючи, як працюють таблиці та як ефективно ними керувати, розробники можуть створювати високопродуктивні, безпечні та гнучкі додатки на WebAssembly.

Оскільки екосистема WebAssembly продовжує розвиватися, таблиці відіграватимуть все більш важливу роль у реалізації нових та захоплюючих сценаріїв використання на різних платформах та в різних додатках. Слідкуючи за останніми розробками та найкращими практиками, розробники можуть використовувати весь потенціал таблиць WebAssembly для створення інноваційних та ефективних рішень.