Налагодження WebAssembly: Карти вихідного коду та інструменти для налагодження

WebAssembly (Wasm) здійснив революцію у веб-розробці, уможлививши продуктивність, близьку до нативної, для додатків, що працюють у браузері. Оскільки Wasm стає все більш поширеним, ефективні методи налагодження є вирішальними для розробників, щоб ефективно виявляти та вирішувати проблеми. Цей посібник надає вичерпний огляд налагодження WebAssembly, зосереджуючись на картах вихідного коду та потужних інструментах, доступних для розробників. Ми розглянемо все, від базового налаштування до передових технік, щоб ви були добре підготовлені до будь-яких викликів у налагодженні Wasm.

Що таке WebAssembly (Wasm)?

WebAssembly – це бінарний формат інструкцій для стекової віртуальної машини. Він розроблений як портативний цільовий формат компіляції для високорівневих мов, таких як C, C++ та Rust, що дозволяє розробникам запускати код, написаний цими мовами, зі швидкістю, близькою до нативної, у веб-браузерах. Wasm забезпечує значне підвищення продуктивності порівняно з традиційним JavaScript, що робить його придатним для обчислювально інтенсивних завдань, таких як:

• Розробка ігор
• Обробка зображень та відео
• Наукові симуляції
• Криптографія
• Машинне навчання

Поза браузером, WebAssembly також знаходить застосування в безсерверних обчисленнях, вбудованих системах та інших середовищах, де продуктивність та портативність є критично важливими.

Важливість налагодження у WebAssembly

Налагодження коду WebAssembly може бути складнішим, ніж налагодження JavaScript, через його бінарний формат. Прямий огляд бінарного файлу Wasm часто є непрактичним, що робить інструменти та техніки налагодження надзвичайно важливими. Ключові причини, чому налагодження є вирішальним для розробки на Wasm, включають:

• Виявлення вузьких місць продуктивності: Налагодження допомагає визначити ділянки, де код Wasm працює неоптимально.
• Вирішення логічних помилок: Пошук та виправлення помилок у скомпільованому коді для забезпечення очікуваної поведінки додатка.
• Перевірка коректності: Переконання, що код Wasm видає правильні результати за різних умов.
• Розуміння поведінки коду: Налагодження допомагає розробникам глибше зрозуміти, як їхній код виконується в середовищі Wasm.

Карти вихідного коду: подолання розриву між Wasm та вихідним кодом

Карти вихідного коду є критично важливими для налагодження WebAssembly, оскільки вони зіставляють скомпільований код Wasm з оригінальним вихідним кодом (наприклад, C++, Rust). Це дозволяє розробникам налагоджувати свій код у термінах оригінальної мови, замість того, щоб працювати безпосередньо з бінарним файлом Wasm або його дизасембльованим представленням.

Як працюють карти вихідного коду

Карта вихідного коду – це JSON-файл, що містить інформацію про відповідність між згенерованим кодом (Wasm) та оригінальним вихідним кодом. Ця інформація включає:

• Імена файлів: Імена оригінальних вихідних файлів.
• Відображення рядків та стовпців: Відповідність між рядками та стовпцями у згенерованому коді та оригінальному вихідному коді.
• Імена символів: Імена змінних та функцій в оригінальному вихідному коді.

Коли налагоджувач зустрічає код Wasm, він використовує карту вихідного коду для визначення відповідного місця в оригінальному вихідному коді. Це дозволяє налагоджувачу відображати оригінальний вихідний код, встановлювати точки зупинки та покроково виконувати код у більш знайомий та інтуїтивно зрозумілий спосіб.

Генерація карт вихідного коду

Карти вихідного коду зазвичай генеруються під час процесу компіляції. Більшість компіляторів та інструментів збірки, що підтримують WebAssembly, надають опції для генерації карт вихідного коду. Ось кілька прикладів:

Emscripten (C/C++)

Emscripten – це популярний набір інструментів для компіляції коду C та C++ у WebAssembly. Щоб згенерувати карти вихідного коду за допомогою Emscripten, використовуйте прапор -g під час компіляції:

            emcc -g input.c -o output.js
            

              
                Copy
              
            
          

Ця команда генерує output.js (клейовий код JavaScript) та output.wasm (бінарний файл WebAssembly), а також output.wasm.map (файл карти вихідного коду).

Rust

Rust також підтримує генерацію карт вихідного коду при компіляції в WebAssembly. Щоб увімкнути карти вихідного коду, додайте наступне до вашого файлу Cargo.toml:

            [profile.release]
debug = true
            

              
                Copy
              
            
          

Потім зберіть ваш проєкт у режимі релізу:

            cargo build --target wasm32-unknown-unknown --release
            

              
                Copy
              
            
          

Це згенерує файл Wasm та відповідну карту вихідного коду в каталозі target/wasm32-unknown-unknown/release/.

AssemblyScript

AssemblyScript, мова, подібна до TypeScript, що компілюється безпосередньо в WebAssembly, також підтримує карти вихідного коду. Карти вихідного коду увімкнені за замовчуванням при використанні компілятора asc.

            asc input.ts -o output.wasm -t output.wat -m output.wasm.map
            

              
                Copy
              
            
          

Завантаження карт вихідного коду в браузері

Сучасні браузери автоматично виявляють та завантажують карти вихідного коду, якщо вони доступні. Браузер читає коментар sourceMappingURL у згенерованому файлі JavaScript або Wasm, який вказує на місцезнаходження файлу карти вихідного коду. Наприклад, згенерований JavaScript може містити:

            //# sourceMappingURL=output.wasm.map
            

              
                Copy
              
            
          

Переконайтеся, що файл карти вихідного коду доступний для браузера (наприклад, він роздається з того ж домену або має відповідні заголовки CORS). Якщо карта вихідного коду не завантажується автоматично, вам може знадобитися завантажити її вручну в інструментах розробника браузера.

Інструменти для налагодження WebAssembly

Для розробки на WebAssembly доступно кілька потужних інструментів налагодження. Ці інструменти надають такі функції, як:

• Встановлення точок зупинки
• Покрокове виконання коду
• Перевірка змінних
• Перегляд стеку викликів
• Профілювання продуктивності

Інструменти розробника в браузері (Chrome DevTools, Firefox Developer Tools)

Сучасні браузери містять вбудовані інструменти розробника, які підтримують налагодження WebAssembly. Ці інструменти надають повний набір функцій для перевірки та налагодження коду Wasm.

Chrome DevTools

Chrome DevTools пропонує чудову підтримку для налагодження WebAssembly. Щоб налагодити код Wasm у Chrome DevTools:

1. Відкрийте Chrome DevTools (зазвичай натисканням F12 або правим кліком миші та вибором "Inspect").
2. Перейдіть до панелі "Sources".
3. Завантажте сторінку, що містить код WebAssembly.
4. Якщо карти вихідного коду налаштовані правильно, ви побачите оригінальні вихідні файли в панелі "Sources".
5. Встановіть точки зупинки, клацнувши в полі поруч з номерами рядків у вихідному коді.
6. Запустіть код WebAssembly. Коли буде досягнуто точки зупинки, налагоджувач призупинить виконання і дозволить вам перевіряти змінні, покроково виконувати код та переглядати стек викликів.

Chrome DevTools також надає панель "WebAssembly", яка дозволяє переглядати сирий код Wasm, встановлювати точки зупинки в коді Wasm та покроково виконувати інструкції Wasm. Це може бути корисно для налагодження критичних до продуктивності ділянок коду або для розуміння низькорівневих деталей виконання Wasm.

Firefox Developer Tools

Firefox Developer Tools також надає надійну підтримку для налагодження WebAssembly. Процес схожий на Chrome DevTools:

1. Відкрийте Firefox Developer Tools (зазвичай натисканням F12 або правим кліком миші та вибором "Inspect").
2. Перейдіть до панелі "Debugger".
3. Завантажте сторінку, що містить код WebAssembly.
4. Якщо карти вихідного коду налаштовані правильно, ви побачите оригінальні вихідні файли в панелі "Debugger".
5. Встановіть точки зупинки, клацнувши в полі поруч з номерами рядків у вихідному коді.
6. Запустіть код WebAssembly. Коли буде досягнуто точки зупинки, налагоджувач призупинить виконання і дозволить вам перевіряти змінні, покроково виконувати код та переглядати стек викликів.

Firefox Developer Tools також містить панель "WebAssembly", яка надає функціональність, подібну до Chrome DevTools, для перегляду сирого коду Wasm та встановлення точок зупинки.

WebAssembly Studio

WebAssembly Studio – це онлайн-IDE для написання, збирання та налагодження коду WebAssembly. Вона надає зручне середовище для експериментів з WebAssembly без необхідності налаштовувати локальне середовище розробки.

WebAssembly Studio підтримує карти вихідного коду та надає візуальний налагоджувач, який дозволяє встановлювати точки зупинки, покроково виконувати код та перевіряти змінні. Вона також містить вбудований дизасемблер, що дозволяє переглядати сирий код Wasm.

VS Code з розширеннями для WebAssembly

Visual Studio Code (VS Code) – це популярний редактор коду, який можна розширити різними розширеннями для підтримки розробки на WebAssembly. Доступно кілька розширень, що надають такі функції, як:

• Підсвічування синтаксису для файлів текстового формату WebAssembly (WAT)
• Підтримка налагодження для WebAssembly
• Інтеграція з інструментами WebAssembly

Деякі популярні розширення VS Code для розробки на WebAssembly включають:

• WebAssembly (від dtsvetkov): Надає підсвічування синтаксису, автодоповнення коду та інші функції для файлів WAT.
• Wasm Language Support (від Hai Nguyen): Пропонує розширену підтримку мови та можливості налагодження.

Для налагодження коду WebAssembly у VS Code зазвичай потрібно налаштувати конфігурацію запуску, яка вказує, як запускати налагоджувач та підключатися до середовища виконання Wasm. Це може включати використання адаптера налагоджувача, такого як той, що надається Chrome або Firefox DevTools.

Binaryen

Binaryen – це бібліотека інфраструктури компілятора та інструментів для WebAssembly. Вона надає інструменти для оптимізації, валідації та перетворення коду WebAssembly. Хоча це не налагоджувач сам по собі, Binaryen містить інструменти, які можуть допомогти в налагодженні, такі як:

• wasm-opt: Оптимізатор, який може спростити код Wasm, роблячи його легшим для розуміння та налагодження.
• wasm-validate: Валідатор, який перевіряє код Wasm на наявність помилок.
• wasm-dis: Дизасемблер, який перетворює код Wasm у читабельний текстовий формат (WAT).

Binaryen часто використовується як частина більшого набору інструментів WebAssembly і може бути інтегрований з іншими інструментами налагодження.

Просунуті техніки налагодження

Окрім базових функцій налагодження, що надаються вищезгаданими інструментами, можна використовувати кілька просунутих технік для вирішення складніших завдань налагодження WebAssembly.

Логування та інструментація

Додавання операторів логування до вашого коду WebAssembly може бути корисним способом відстеження потоку виконання та перевірки значень змінних. Це можна зробити, викликаючи функції JavaScript з вашого коду Wasm для запису повідомлень у консоль. Наприклад, у C/C++:

            #include 

extern "C" {
  void logMessage(const char* message);
}

int main() {
  int x = 10;
  logMessage("Value of x: %d\n");
  return 0;
}

            

              
                Copy
              
            
          

І в JavaScript:

            Module.logMessage = function(messagePtr) {
  const message = UTF8ToString(messagePtr);
  console.log(message);
};

            

              
                Copy
              
            
          

Інструментація передбачає додавання коду для вимірювання продуктивності різних частин вашого коду WebAssembly. Це можна зробити, відстежуючи час виконання функцій або підраховуючи кількість виконань певних шляхів коду. Ці метрики можуть допомогти виявити вузькі місця продуктивності та оптимізувати ваш код.

Перевірка пам'яті

WebAssembly надає доступ до лінійного простору пам'яті, який можна перевіряти за допомогою інструментів налагодження. Це дозволяє вам досліджувати вміст пам'яті, включаючи змінні, структури даних та інші дані. Браузери, такі як Chrome та Firefox, надають доступ до лінійної пам'яті WebAssembly через свої інструменти розробника, часто доступні через панель "Memory" або спеціалізовані панелі WebAssembly.

Розуміння того, як ваші дані розташовані в пам'яті, є вирішальним для налагодження проблем, пов'язаних з пам'яттю, таких як переповнення буфера або витоки пам'яті.

Налагодження оптимізованого коду

При компіляції коду WebAssembly з увімкненими оптимізаціями отриманий код може значно відрізнятися від оригінального вихідного коду. Це може ускладнити налагодження, оскільки зв'язок між кодом Wasm та вихідним кодом може бути менш очевидним. Карти вихідного коду допомагають пом'якшити цю проблему, але оптимізований код все ще може демонструвати несподівану поведінку через вбудовування функцій (inlining), розгортання циклів та інші оптимізації.

Для ефективного налагодження оптимізованого коду важливо розуміти, які оптимізації були застосовані та як вони могли вплинути на поведінку коду. Вам може знадобитися вивчити сирий код Wasm або дизасембльований код, щоб зрозуміти ефекти оптимізацій.

Віддалене налагодження

У деяких випадках вам може знадобитися налагодити код WebAssembly, що працює на віддаленому пристрої або в іншому середовищі. Віддалене налагодження дозволяє підключатися до середовища виконання Wasm з налагоджувача, що працює на вашому локальному комп'ютері, і налагоджувати код так, ніби він працює локально.

Деякі інструменти, такі як Chrome DevTools, підтримують віддалене налагодження через протокол Chrome Remote Debugging Protocol. Це дозволяє підключатися до екземпляра Chrome, що працює на віддаленому пристрої, і налагоджувати код WebAssembly, що виконується в цьому екземплярі. Інші інструменти налагодження можуть надавати власні механізми для віддаленого налагодження.

Найкращі практики для налагодження WebAssembly

Щоб забезпечити ефективне та результативне налагодження WebAssembly, дотримуйтесь наступних найкращих практик:

• Завжди генеруйте карти вихідного коду: Переконайтеся, що карти вихідного коду генеруються під час процесу компіляції, щоб уможливити налагодження в термінах оригінального вихідного коду.
• Використовуйте надійний інструмент налагодження: Виберіть інструмент налагодження, який надає функції та можливості, необхідні для ваших конкретних завдань.
• Розумійте модель виконання Wasm: Отримайте тверде розуміння того, як виконується код WebAssembly, включаючи стекову архітектуру, модель пам'яті та набір інструкцій.
• Пишіть код, що тестується: Проєктуйте свій код WebAssembly таким чином, щоб його було легко тестувати, з чіткими входами та виходами. Пишіть юніт-тести для перевірки коректності вашого коду.
• Починайте з простих прикладів: Вивчаючи налагодження WebAssembly, починайте з простих прикладів і поступово збільшуйте складність, коли ви станете більш знайомими з інструментами та техніками.
• Читайте документацію: Звертайтеся до документації для вашого компілятора, інструментів збірки та інструментів налагодження, щоб зрозуміти їхні функції та використання.
• Будьте в курсі новин: WebAssembly та пов'язані з ним інструменти постійно розвиваються. Слідкуйте за останніми розробками та найкращими практиками, щоб переконатися, що ви використовуєте найефективніші методи налагодження.

Приклади з реального світу

Давайте розглянемо деякі реальні приклади, де налагодження WebAssembly є вирішальним.

Розробка ігор

У розробці ігор Wasm використовується для створення високопродуктивних ігор, що працюють у браузері. Налагодження є важливим для виявлення та виправлення помилок, які можуть вплинути на ігровий процес, таких як неправильні розрахунки фізики, проблеми з рендерингом або проблеми синхронізації мережі. Наприклад, розробник ігор може використовувати карти вихідного коду та Chrome DevTools для налагодження алгоритму виявлення зіткнень, написаного на C++ та скомпільованого в WebAssembly.

Обробка зображень та відео

WebAssembly також використовується для завдань обробки зображень та відео, таких як фільтрація зображень, кодування відео та відеоефекти в реальному часі. Налагодження є вирішальним для забезпечення правильного та ефективного виконання цих завдань. Наприклад, розробник може використовувати Firefox Developer Tools для налагодження бібліотеки кодування відео, написаної на Rust та скомпільованої в WebAssembly, виявляючи та виправляючи вузькі місця продуктивності, що впливають на відтворення відео.

Наукові симуляції

WebAssembly добре підходить для запуску наукових симуляцій у браузері, таких як симуляції молекулярної динаміки або динаміки рідин. Налагодження є важливим для забезпечення того, щоб ці симуляції давали точні результати. Вчений може використовувати WebAssembly Studio для налагодження алгоритму симуляції, написаного на Fortran та скомпільованого в WebAssembly, перевіряючи, що симуляція збігається до правильного рішення.

Кросплатформна мобільна розробка

Фреймворки, такі як Flutter, тепер підтримують компіляцію додатків у WebAssembly. Налагодження стає важливим, коли неочікувана поведінка виникає саме на цільовій платформі WebAssembly. Це включає перевірку скомпільованого коду Wasm та використання карт вихідного коду для відстеження проблем до вихідного коду на Dart.

Висновок

Ефективне налагодження коду WebAssembly є важливим для створення високопродуктивних та надійних веб-додатків. Розуміючи роль карт вихідного коду та використовуючи потужні доступні інструменти налагодження, розробники можуть ефективно виявляти та вирішувати проблеми. Цей посібник надав вичерпний огляд налагодження WebAssembly, охоплюючи все від базового налаштування до просунутих технік. Дотримуючись найкращих практик, викладених у цьому посібнику, ви можете забезпечити, що ваш код WebAssembly буде надійним, продуктивним та без помилок. Оскільки WebAssembly продовжує розвиватися і ставати все більш поширеним, оволодіння цими техніками налагодження буде безцінною навичкою для будь-якого веб-розробника.