Розкриваємо секрети .wasm: Посібник з користувацьких секцій WebAssembly

WebAssembly (Wasm) докорінно змінив наше уявлення про високопродуктивний код в Інтернеті та за його межами. Його часто хвалять як портативну, ефективну та безпечну ціль компіляції для таких мов, як C++, Rust та Go. Але модуль Wasm — це більше, ніж просто послідовність низькорівневих інструкцій. Бінарний формат WebAssembly — це складна структура, розроблена не лише для виконання, але й для розширюваності. Ця розширюваність досягається переважно завдяки потужній, але часто недооціненій функції: користувацьким секціям.

Якщо ви коли-небудь налагоджували код C++ в інструментах розробника браузера або цікавилися, звідки файл Wasm знає, який компілятор його створив, ви стикалися з роботою користувацьких секцій. Вони є спеціальним місцем для метаданих, налагоджувальної інформації та інших необов'язкових даних, які збагачують досвід розробника та розширюють можливості всієї екосистеми інструментів. Ця стаття пропонує всебічне глибоке занурення в користувацькі секції WebAssembly, досліджуючи, що вони собою являють, чому вони є важливими, і як ви можете використовувати їх у своїх проєктах.

Анатомія модуля WebAssembly

Перш ніж ми зможемо оцінити користувацькі секції, ми повинні спершу зрозуміти базову структуру бінарного файлу .wasm. Модуль Wasm організований у серію чітко визначених "секцій". Кожна секція служить певній меті та ідентифікується числовим ID.

Специфікація WebAssembly визначає набір стандартних, або "відомих", секцій, які потрібні рушію Wasm для виконання коду. До них належать:

• Type (ID 1): Визначає сигнатури функцій (типи параметрів та повернення), що використовуються в модулі.
• Import (ID 2): Оголошує функції, пам'ять або таблиці, які модуль імпортує зі свого хост-середовища (наприклад, функції JavaScript).
• Function (ID 3): Пов'язує кожну функцію в модулі з сигнатурою із секції Type.
• Table (ID 4): Визначає таблиці, які переважно використовуються для реалізації непрямих викликів функцій.
• Memory (ID 5): Визначає лінійну пам'ять, що використовується модулем.
• Global (ID 6): Оголошує глобальні змінні для модуля.
• Export (ID 7): Робить функції, пам'ять, таблиці або глобальні змінні з модуля доступними для хост-середовища.
• Start (ID 8): Вказує функцію, яка має виконуватися автоматично при інстанціюванні модуля.
• Element (ID 9): Ініціалізує таблицю посиланнями на функції.
• Code (ID 10): Містить фактичний виконуваний байт-код для кожної з функцій модуля.
• Data (ID 11): Ініціалізує сегменти лінійної пам'яті, що часто використовуються для статичних даних та рядків.

Ці стандартні секції є ядром будь-якого модуля Wasm. Рушій Wasm суворо аналізує їх, щоб зрозуміти та виконати програму. Але що, якщо ланцюжку інструментів або мові потрібно зберігати додаткову інформацію, яка не потрібна для виконання? Саме тут у гру вступають користувацькі секції.

Що таке користувацькі секції?

Користувацька секція — це контейнер загального призначення для довільних даних у модулі Wasm. Вона визначена у специфікації зі спеціальним ID секції 0. Структура проста, але потужна:

1. ID секції: Завжди 0, щоб позначити, що це користувацька секція.
2. Розмір секції: Загальний розмір наступного вмісту в байтах.
3. Назва: Рядок у кодуванні UTF-8, що ідентифікує призначення користувацької секції (наприклад, "name", ".debug_info").
4. Корисне навантаження (Payload): Послідовність байтів, що містить фактичні дані для секції.

Найважливіше правило щодо користувацьких секцій таке: рушій WebAssembly, який не розпізнає назву користувацької секції, повинен ігнорувати її корисне навантаження. Він просто пропускає байти, визначені розміром секції. Цей елегантний дизайнерський вибір надає кілька ключових переваг:

• Пряма сумісність: Нові інструменти можуть вводити нові користувацькі секції, не ламаючи старіші середовища виконання Wasm.
• Розширюваність екосистеми: Розробники мов, інструментів та збирачів проєктів можуть вбудовувати власні метадані без необхідності змінювати основну специфікацію Wasm.
• Роз'єднання: Логіка виконання повністю відокремлена від метаданих. Наявність або відсутність користувацьких секцій не впливає на поведінку програми під час виконання.

Вважайте користувацькі секції еквівалентом даних EXIF у зображенні JPEG або тегів ID3 у файлі MP3. Вони надають цінний контекст, але не є необхідними для відображення зображення чи відтворення музики.

Поширений випадок використання 1: Секція "name" для людиночитнoго налагодження

Однією з найбільш широко використовуваних користувацьких секцій є секція name. За замовчуванням функції, змінні та інші елементи Wasm посилаються за їхнім числовим індексом. Коли ви дивитеся на сирий дизасембльований код Wasm, ви можете побачити щось на зразок call $func42. Хоча це ефективно для машини, для розробника-людини це не дуже корисно.

Секція name вирішує цю проблему, надаючи відповідність між індексами та людиночитними рядковими іменами. Це дозволяє інструментам, таким як дизасемблери та налагоджувачі, відображати значущі ідентифікатори з оригінального вихідного коду.

Наприклад, якщо ви компілюєте функцію на C:

            int calculate_total(int items, int price) {
    return items * price;
}
            

              
                Copy
              
            
          

Компілятор може згенерувати секцію name, яка пов'язує внутрішній індекс функції (наприклад, 42) з рядком "calculate_total". Він також може назвати локальні змінні "items" та "price". Коли ви перевіряєте модуль Wasm в інструменті, що підтримує цю секцію, ви побачите набагато інформативніший вивід, що допомагає в налагодженні та аналізі.

Структура секції `name`

Сама секція name далі поділяється на підсекції, кожна з яких ідентифікується одним байтом:

• Назва модуля (ID 0): Надає назву для всього модуля.
• Назви функцій (ID 1): Відображає індекси функцій на їхні назви.
• Локальні імена (ID 2): Відображає індекси локальних змінних у кожній функції на їхні назви.
• Назви міток, типи, таблиці тощо: Існують інші підсекції для іменування майже кожної сутності в модулі Wasm.

Секція name — це перший крок до хорошого досвіду розробника, але це лише початок. Для справжнього налагодження на рівні вихідного коду нам потрібно щось набагато потужніше.

Потужний інструмент налагодження: DWARF у користувацьких секціях

Святий Грааль розробки на Wasm — це налагодження на рівні вихідного коду: можливість встановлювати точки зупину, перевіряти змінні та покроково виконувати ваш оригінальний код на C++, Rust або Go безпосередньо в інструментах розробника браузера. Цей магічний досвід стає можливим майже повністю завдяки вбудовуванню налагоджувальної інформації DWARF у серію користувацьких секцій.

Що таке DWARF?

DWARF (Debugging With Attributed Record Formats) — це стандартизований, незалежний від мови формат даних для налагодження. Це той самий формат, який використовується нативними компіляторами, такими як GCC та Clang, для роботи з налагоджувачами, такими як GDB та LLDB. Він неймовірно багатий і може кодувати величезну кількість інформації, зокрема:

• Відображення вихідного коду: Точна карта від кожної інструкції WebAssembly до вихідного файлу, номера рядка та номера стовпця.
• Інформація про змінні: Імена, типи та області видимості локальних і глобальних змінних. Формат знає, де зберігається змінна в будь-який момент виконання коду (в регістрі, на стеці тощо).
• Визначення типів: Повні описи складних типів, таких як структури, класи, переліки та об'єднання з вихідної мови.
• Інформація про функції: Деталі про сигнатури функцій, включаючи імена та типи параметрів.
• Відображення вбудованих функцій: Інформація для відновлення стека викликів, навіть коли функції були вбудовані оптимізатором.

Як DWARF працює з WebAssembly

Компілятори, такі як Emscripten (що використовує Clang/LLVM) та `rustc`, мають прапорець (зазвичай -g або -g4), який вказує їм генерувати інформацію DWARF разом з байт-кодом Wasm. Потім ланцюжок інструментів бере ці дані DWARF, розбиває їх на логічні частини та вбудовує кожну частину в окрему користувацьку секцію у файлі .wasm. За домовленістю, ці секції називаються з крапкою на початку:

• .debug_info: Основна секція, що містить первинні записи для налагодження.
• .debug_abbrev: Містить скорочення для зменшення розміру .debug_info.
• .debug_line: Таблиця номерів рядків для відображення коду Wasm на вихідний код.
• .debug_str: Таблиця рядків, що використовується іншими секціями DWARF.
• .debug_ranges, .debug_loc та багато інших.

Коли ви завантажуєте цей модуль Wasm у сучасному браузері, такому як Chrome або Firefox, і відкриваєте інструменти розробника, парсер DWARF всередині інструментів зчитує ці користувацькі секції. Він відновлює всю інформацію, необхідну для представлення вам вашого оригінального вихідного коду, дозволяючи налагоджувати його так, ніби він виконується нативно.

Це кардинально змінює правила гри. Без DWARF у користувацьких секціях налагодження Wasm було б болісним процесом вдивляння в сиру пам'ять та нерозбірливий дизасембльований код. З ним цикл розробки стає таким же безшовним, як налагодження JavaScript.

Не лише налагодження: інші способи використання користувацьких секцій

Хоча налагодження є основним випадком використання, гнучкість користувацьких секцій призвела до їх застосування для широкого спектра інструментальних та специфічних для мови потреб.

Специфічні для інструментів метадані: секція `producers`

Часто корисно знати, які інструменти використовувалися для створення певного модуля Wasm. Для цього була розроблена секція producers. Вона зберігає інформацію про ланцюжок інструментів, таку як компілятор, компонувальник та їхні версії. Наприклад, секція producers може містити:

• Мова: "C++ 17", "Rust 1.65.0"
• Оброблено: "Clang 16.0.0", "binaryen 111"
• SDK: "Emscripten 3.1.25"

Ці метадані є безцінними для відтворення збірок, повідомлення про помилки відповідним авторам інструментів та для автоматизованих систем, яким потрібно розуміти походження бінарного файлу Wasm.

Компонування та динамічні бібліотеки

Специфікація WebAssembly у своїй початковій формі не мала концепції компонування. Щоб уможливити створення статичних та динамічних бібліотек, було встановлено угоду з використанням користувацьких секцій. Користувацька секція linking містить метадані, необхідні для Wasm-компонувальника (наприклад, wasm-ld) для розв'язання символів, обробки переміщень та керування залежностями спільних бібліотек. Це дозволяє розбивати великі додатки на менші, керовані модулі, як і в нативній розробці.

Специфічні для мов середовища виконання

Мови з керованими середовищами виконання, такі як Go, Swift або Kotlin, часто вимагають метаданих, які не є частиною основної моделі Wasm. Наприклад, збирач сміття (GC) повинен знати структуру даних у пам'яті для ідентифікації вказівників. Ця інформація про структуру може зберігатися в користувацькій секції. Аналогічно, такі функції, як рефлексія в Go, можуть покладатися на користувацькі секції для зберігання назв типів та метаданих під час компіляції, які середовище виконання Go в модулі Wasm може потім зчитувати під час виконання.

Майбутнє: Модель компонентів WebAssembly

Одним з найцікавіших майбутніх напрямків для WebAssembly є Модель компонентів (Component Model). Ця пропозиція має на меті забезпечити справжню, незалежну від мови взаємодію між модулями Wasm. Уявіть, що компонент на Rust безшовно викликає компонент на Python, який, у свою чергу, використовує компонент на C++, і все це з передачею між ними багатих типів даних.

Модель компонентів значною мірою покладається на користувацькі секції для визначення високорівневих інтерфейсів, типів та "світів". Ці метадані описують, як компоненти взаємодіють, дозволяючи інструментам автоматично генерувати необхідний "клейовий" код. Це яскравий приклад того, як користувацькі секції створюють основу для розробки складних нових можливостей поверх основного стандарту Wasm.

Практичний посібник: Перевірка та маніпуляція користувацькими секціями

Розуміти користувацькі секції — це чудово, але як з ними працювати? Для цієї мети доступно кілька стандартних інструментів.

Основні інструменти

• WABT (The WebAssembly Binary Toolkit): Цей набір інструментів є незамінним для будь-якого розробника Wasm. Утиліта wasm-objdump є особливо корисною. Запуск wasm-objdump -h your_module.wasm виведе список усіх секцій у модулі, включаючи користувацькі.
• Binaryen: Це потужна інфраструктура компілятора та ланцюжка інструментів для Wasm. Вона включає wasm-strip, утиліту для видалення користувацьких секцій з модуля.
• Dwarfdump: Стандартна утиліта (часто постачається з Clang/LLVM) для аналізу та виведення вмісту налагоджувальних секцій DWARF у людиночитному форматі.

Приклад робочого процесу: Збірка, перевірка, очищення

Розгляньмо типовий робочий процес розробки на прикладі простого файлу C++, main.cpp:

            #include 

int main() {
    std::cout << "Hello from WebAssembly!" << std::endl;
    return 0;
}
            

              
                Copy
              
            
          

1. Компіляція з налагоджувальною інформацією: Ми використовуємо Emscripten для компіляції цього коду в Wasm, використовуючи прапорець -g для включення налагоджувальної інформації DWARF.

emcc main.cpp -g -o main.wasm

2. Перевірка секцій: Тепер давайте використаємо wasm-objdump, щоб побачити, що всередині.

wasm-objdump -h main.wasm

Вивід покаже стандартні секції (Type, Function, Code тощо), а також довгий список користувацьких секцій, таких як name, .debug_info, .debug_line і так далі. Зверніть увагу на розмір файлу; він буде значно більшим, ніж у збірці без налагоджувальної інформації.

3. Очищення для продакшену: Для релізу в продакшен ми не хочемо постачати цей великий файл з усією налагоджувальною інформацією. Ми використовуємо wasm-strip, щоб видалити її.

wasm-strip main.wasm -o main.stripped.wasm

4. Перевірка знову: Якщо ви запустите wasm-objdump -h main.stripped.wasm, ви побачите, що всі користувацькі секції зникли. Розмір файлу main.stripped.wasm буде лише частиною від початкового, що робить його набагато швидшим для завантаження.

Компроміси: розмір, продуктивність та зручність використання

Користувацькі секції, особливо для DWARF, мають один головний компроміс: розмір файлу. Нерідко дані DWARF у 5-10 разів перевищують розмір фактичного коду Wasm. Це може суттєво вплинути на вебдодатки, де час завантаження є критичним.

Ось чому робочий процес "очищення для продакшену" є таким важливим. Найкращою практикою є:

• Під час розробки: Використовуйте збірки з повною інформацією DWARF для багатого досвіду налагодження на рівні вихідного коду.
• Для продакшену: Постачайте користувачам повністю очищений бінарний файл Wasm, щоб забезпечити найменший можливий розмір та найшвидший час завантаження.

Деякі просунуті налаштування навіть розміщують налагоджувальну версію на окремому сервері. Інструменти розробника в браузері можна налаштувати так, щоб вони завантажували цей більший файл за вимогою, коли розробник хоче налагодити проблему в продакшені, що дає найкраще з обох світів. Це схоже на те, як працюють source maps для JavaScript.

Важливо зазначити, що користувацькі секції практично не впливають на продуктивність під час виконання. Рушій Wasm швидко ідентифікує їх за ID 0 і просто пропускає їхнє корисне навантаження під час аналізу. Після завантаження модуля дані користувацьких секцій не використовуються рушієм, тому вони не сповільнюють виконання вашого коду.

Висновок

Користувацькі секції WebAssembly — це майстер-клас у розробці розширюваних бінарних форматів. Вони надають стандартизований, прямо сумісний механізм для вбудовування багатих метаданих, не ускладнюючи основну специфікацію та не впливаючи на продуктивність під час виконання. Вони є невидимим рушієм, що живить сучасний досвід розробника Wasm, перетворюючи налагодження з таємничого мистецтва на безшовний, продуктивний процес.

Від простих назв функцій до всеосяжного всесвіту DWARF та майбутнього Моделі компонентів, саме користувацькі секції підносять WebAssembly від простої цілі компіляції до процвітаючої екосистеми з багатим інструментарієм. Наступного разу, коли ви встановите точку зупину у своєму коді на Rust, що виконується в браузері, знайдіть хвилинку, щоб оцінити тиху, але потужну роботу користувацьких секцій, які зробили це можливим.