WebAssembly Export Object: Вичерпний посібник з конфігурації експорту модулів

WebAssembly (Wasm) здійснив революцію у веб-розробці, надаючи високопродуктивний, портативний і безпечний спосіб виконання коду в сучасних браузерах. Важливим аспектом функціональності WebAssembly є його здатність взаємодіяти з навколишнім середовищем JavaScript через свій об'єкт експорту. Цей об'єкт діє як міст, дозволяючи коду JavaScript отримувати доступ і використовувати функції, пам'ять, таблиці та глобальні змінні, визначені в модулі WebAssembly. Розуміння того, як налаштувати та керувати експортом WebAssembly, є важливим для створення ефективних і надійних веб-додатків. Цей посібник містить вичерпне дослідження об'єктів експорту WebAssembly, охоплюючи конфігурацію експорту модулів, різні типи експорту, найкращі практики та передові методи для оптимальної продуктивності та інтероперабельності.

Що таке об'єкт експорту WebAssembly?

Коли модуль WebAssembly компілюється та інстанціюється, він створює об'єкт екземпляра. Цей об'єкт екземпляра містить властивість під назвою exports, яка є об'єктом експорту. Об'єкт експорту - це об'єкт JavaScript, який містить посилання на різні сутності (функції, пам'ять, таблиці, глобальні змінні), які модуль WebAssembly робить доступними для використання кодом JavaScript.

Уявіть це як публічний API для вашого модуля WebAssembly. Це спосіб, яким JavaScript може "бачити" та взаємодіяти з кодом і даними всередині модуля Wasm.

Ключові поняття

• Модуль: скомпільований бінарний файл WebAssembly (.wasm).
• Екземпляр: екземпляр модуля WebAssembly під час виконання. Тут фактично виконується код і виділяється пам'ять.
• Об'єкт експорту: об'єкт JavaScript, що містить експортовані члени екземпляра WebAssembly.
• Експортовані члени: функції, пам'ять, таблиці та глобальні змінні, які модуль WebAssembly надає для використання JavaScript.

Налаштування експорту модуля WebAssembly

Процес налаштування того, що експортується з модуля WebAssembly, в основному здійснюється під час компіляції, у вихідному коді, який компілюється в WebAssembly. Конкретний синтаксис і методи залежать від мови вихідного коду, яку ви використовуєте (наприклад, C, C++, Rust, AssemblyScript). Давайте розглянемо, як експорти оголошуються в деяких поширених мовах:

C/C++ з Emscripten

Emscripten - це популярний інструментарій для компіляції коду C і C++ в WebAssembly. Щоб експортувати функцію, зазвичай використовують макрос EMSCRIPTEN_KEEPALIVE або вказують експорти в налаштуваннях Emscripten.

Приклад: Експорт функції за допомогою EMSCRIPTEN_KEEPALIVE

Код C:

#include <emscripten.h>

EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
int multiply(int a, int b) {
    return a * b;
}

У цьому прикладі функції add і multiply позначені як EMSCRIPTEN_KEEPALIVE, що вказує Emscripten включити їх в об'єкт експорту.

Приклад: Експорт функції за допомогою налаштувань Emscripten

Ви також можете вказати експорти за допомогою прапорця -s EXPORTED_FUNCTIONS під час компіляції:

emcc add.c -o add.js -s EXPORTED_FUNCTIONS='[_add,_multiply]'

Ця команда вказує Emscripten експортувати функції _add і `_multiply` (зверніть увагу на початнє підкреслення, яке часто додається Emscripten). Отриманий файл JavaScript (add.js) міститиме необхідний код для завантаження та взаємодії з модулем WebAssembly, а функції `add` і `multiply` будуть доступні через об'єкт експорту.

Rust з wasm-pack

Rust - ще одна чудова мова для розробки WebAssembly. Інструмент wasm-pack спрощує процес створення та пакування коду Rust для WebAssembly.

Приклад: Експорт функції в Rust

Код Rust:

#[no_mangle]
pub extern "C" fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
  a + b
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn multiply(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a * b
}

У цьому прикладі атрибут #[no_mangle] запобігає спотворенню імен функцій компілятором Rust, а pub extern "C" робить функції доступними з C-сумісних середовищ (включаючи WebAssembly). Вам також потрібно додати залежність `wasm-bindgen` у Cargo.toml.

Щоб створити це, ви б використали:

wasm-pack build

Отриманий пакет міститиме модуль WebAssembly (.wasm file) і файл JavaScript, який полегшує взаємодію з модулем.

AssemblyScript

AssemblyScript - це мова, схожа на TypeScript, яка компілюється безпосередньо в WebAssembly. Вона пропонує знайомий синтаксис для розробників JavaScript.

Приклад: Експорт функції в AssemblyScript

Код AssemblyScript:

export function add(a: i32, b: i32): i32 {
  return a + b;
}

export function multiply(a: i32, b: i32): i32 {
    return a * b;
}

В AssemblyScript ви просто використовуєте ключове слово export, щоб позначити функції, які мають бути включені в об'єкт експорту.

Компіляція:

asc assembly/index.ts -b build/index.wasm -t build/index.wat

Типи експорту WebAssembly

Модулі WebAssembly можуть експортувати чотири основні типи сутностей:

• Функції: Виконувані блоки коду.
• Пам'ять: Лінійна пам'ять, яка використовується модулем WebAssembly.
• Таблиці: Масиви посилань на функції.
• Глобальні змінні: Змінні або незмінні значення даних.

Функції

Експортовані функції є найпоширенішим типом експорту. Вони дозволяють коду JavaScript викликати функції, визначені в модулі WebAssembly.

Приклад (JavaScript): Виклик експортованої функції

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const add = wasm.instance.exports.add;
const result = add(5, 3); // result will be 8
console.log(result);

Пам'ять

Експорт пам'яті дозволяє JavaScript безпосередньо отримувати доступ і маніпулювати лінійною пам'яттю модуля WebAssembly. Це може бути корисним для обміну даними між JavaScript і WebAssembly, але також вимагає ретельного управління, щоб уникнути пошкодження пам'яті.

Приклад (JavaScript): Доступ до експортованої пам'яті

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const memory = wasm.instance.exports.memory;
const buffer = new Uint8Array(memory.buffer);

// Запис значення в пам'ять
buffer[0] = 42;

// Читання значення з пам'яті
const value = buffer[0]; // value will be 42

console.log(value);

Таблиці

Таблиці - це масиви посилань на функції. Вони використовуються для реалізації динамічної диспетчеризації та вказівників на функції в WebAssembly. Експорт таблиці дозволяє JavaScript викликати функції опосередковано через таблицю.

Приклад (JavaScript): Доступ до експортованої таблиці

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const table = wasm.instance.exports.table;

// Припускаючи, що таблиця містить посилання на функції
const functionIndex = 0; // Індекс функції в таблиці
const func = table.get(functionIndex);

// Виклик функції
const result = func(5, 3);
console.log(result);

Глобальні змінні

Експорт глобальних змінних дозволяє JavaScript читати та (якщо змінна є змінною) змінювати значення глобальних змінних, визначених у модулі WebAssembly.

Приклад (JavaScript): Доступ до експортованої глобальної змінної

const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'));
const globalVar = wasm.instance.exports.globalVar;

// Читання значення
const value = globalVar.value;
console.log(value);

// Зміна значення (якщо змінна)
globalVar.value = 100;

Найкращі практики для конфігурації експорту WebAssembly

При налаштуванні експорту WebAssembly важливо дотримуватися найкращих практик, щоб забезпечити оптимальну продуктивність, безпеку та зручність обслуговування.

Мінімізуйте експорт

Експортуйте лише ті функції та дані, які абсолютно необхідні для взаємодії з JavaScript. Надмірний експорт може збільшити розмір об'єкта експорту та потенційно вплинути на продуктивність.

Використовуйте ефективні структури даних

Під час обміну даними між JavaScript і WebAssembly використовуйте ефективні структури даних, які мінімізують накладні витрати на перетворення даних. Розгляньте можливість використання типізованих масивів (Uint8Array, Float32Array тощо) для оптимальної продуктивності.

Перевіряйте вхідні та вихідні дані

Завжди перевіряйте вхідні та вихідні дані до та з функцій WebAssembly, щоб запобігти несподіваній поведінці та потенційним вразливостям безпеки. Це особливо важливо при роботі з доступом до пам'яті.

Ретельно керуйте пам'яттю

При експорті пам'яті будьте надзвичайно обережні щодо того, як JavaScript отримує доступ і маніпулює нею. Неправильний доступ до пам'яті може призвести до пошкодження пам'яті та збоїв. Розгляньте можливість використання допоміжних функцій у модулі WebAssembly для управління доступом до пам'яті в контрольований спосіб.

Уникайте прямого доступу до пам'яті, коли це можливо

Хоча прямий доступ до пам'яті може бути ефективним, він також вносить складність і потенційні ризики. Розгляньте можливість використання абстракцій вищого рівня, таких як функції, які інкапсулюють доступ до пам'яті, щоб покращити зручність обслуговування коду та зменшити ризик помилок. Наприклад, ви можете мати функції WebAssembly для отримання та встановлення значень у певних місцях у межах простору пам'яті, а не дозволяти JavaScript безпосередньо колупатися в буфері.

Виберіть правильну мову для завдання

Виберіть мову програмування, яка найкраще підходить для конкретного завдання, яке ви виконуєте у WebAssembly. Для завдань, які потребують великих обчислювальних витрат, C, C++ або Rust можуть бути хорошим вибором. Для завдань, які вимагають тісної інтеграції з JavaScript, AssemblyScript може бути кращим варіантом.

Враховуйте наслідки для безпеки

Пам'ятайте про наслідки для безпеки експорту певних типів даних або функціональності. Наприклад, експорт пам'яті безпосередньо може піддати модуль WebAssembly потенційним атакам переповнення буфера, якщо з ним не поводитися обережно. Уникайте експорту конфіденційних даних, якщо це абсолютно необхідно.

Передові методи

Використання `SharedArrayBuffer` для спільної пам'яті

SharedArrayBuffer дозволяє створити буфер пам'яті, який можна спільно використовувати між JavaScript і кількома екземплярами WebAssembly (або навіть кількома потоками). Це може бути корисним для реалізації паралельних обчислень і спільних структур даних.

Приклад (JavaScript): Використання SharedArrayBuffer

// Створення SharedArrayBuffer
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(1024);

// Створення екземпляра модуля WebAssembly зі спільним буфером
const wasm = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'), {
  env: {
    memory: new WebAssembly.Memory({ shared: true, initial: 1024, maximum: 1024 }),
  },
});

// Доступ до спільного буфера з JavaScript
const buffer = new Uint8Array(sharedBuffer);

// Доступ до спільного буфера з WebAssembly (потребує певної конфігурації)
// (наприклад, використання атомарних операцій для синхронізації)

Важливо: Використання SharedArrayBuffer вимагає належних механізмів синхронізації (наприклад, атомарних операцій), щоб запобігти гонкам даних, коли кілька потоків або екземплярів отримують доступ до буфера одночасно.

Асинхронні операції

Для довготривалих або блокуючих операцій у WebAssembly розгляньте можливість використання асинхронних методів, щоб уникнути блокування основного потоку JavaScript. Цього можна досягти за допомогою функції Asyncify в Emscripten або шляхом реалізації власних асинхронних механізмів за допомогою Promises або зворотних викликів.

Стратегії управління пам'яттю

WebAssembly не має вбудованого збирача сміття. Вам потрібно буде керувати пам'яттю вручну, особливо для складніших програм. Це може включати використання власних розподільників пам'яті в модулі WebAssembly або використання зовнішніх бібліотек управління пам'яттю.

Потокова компіляція

Використовуйте WebAssembly.instantiateStreaming для компіляції та створення екземплярів модулів WebAssembly безпосередньо з потоку байтів. Це може покращити час запуску, дозволяючи браузеру почати компіляцію модуля до того, як буде завантажено весь файл. Це стало кращим методом завантаження модулів.

Оптимізація для продуктивності

Оптимізуйте свій код WebAssembly для продуктивності, використовуючи відповідні структури даних, алгоритми та прапорці компілятора. Профілюйте свій код, щоб виявити вузькі місця та відповідно оптимізувати. Розгляньте можливість використання інструкцій SIMD (Single Instruction, Multiple Data) для паралельної обробки.

Приклади з реального світу та випадки використання

WebAssembly використовується в широкому спектрі додатків, зокрема:

• Ігри: Портування існуючих ігор у веб і створення нових високопродуктивних веб-ігор.
• Обробка зображень і відео: Виконання складних завдань обробки зображень і відео в браузері.
• Наукові обчислення: Запуск інтенсивних обчислювальних симуляцій і додатків аналізу даних у браузері.
• Криптографія: Реалізація криптографічних алгоритмів і протоколів безпечним і портативним способом.
• Кодеки: Обробка медіакодеків і стиснення/розпакування в браузері, наприклад, кодування та декодування відео чи аудіо.
• Віртуальні машини: Реалізація віртуальних машин безпечним і продуктивним способом.
• Серверні програми: Хоча основне використання відбувається в браузерах, WASM також можна використовувати в серверних середовищах.

Приклад: Обробка зображень за допомогою WebAssembly

Уявіть, що ви створюєте веб-редактор зображень. Ви можете використовувати WebAssembly для реалізації критично важливих для продуктивності операцій обробки зображень, таких як фільтрація, зміна розміру та маніпулювання кольором. Модуль WebAssembly може експортувати функції, які приймають дані зображення як вхідні дані та повертають оброблені дані зображення як вихідні дані. Це розвантажує важку роботу з JavaScript, що призводить до більш плавної та чуйної роботи користувача.

Приклад: Розробка ігор за допомогою WebAssembly

Багато розробників ігор використовують WebAssembly для портування існуючих ігор у веб або для створення нових високопродуктивних веб-ігор. WebAssembly дозволяє їм досягти майже нативної продуктивності, дозволяючи їм запускати складну 3D-графіку та фізичні симуляції в браузері. Популярні ігрові двигуни, такі як Unity і Unreal Engine, підтримують експорт WebAssembly.

Висновок

Об'єкт експорту WebAssembly є важливим механізмом для забезпечення зв'язку та взаємодії між модулями WebAssembly та кодом JavaScript. Розуміючи, як налаштувати експорт модулів, керувати різними типами експорту та дотримуватися найкращих практик, розробники можуть створювати ефективні, безпечні та зручні в обслуговуванні веб-додатки, які використовують потужність WebAssembly. Оскільки WebAssembly продовжує розвиватися, освоєння його можливостей експорту матиме важливе значення для створення інноваційних і високопродуктивних веб-додатків.

Цей посібник надав вичерпний огляд об'єктів експорту WebAssembly, охоплюючи все: від основних концепцій до передових методів. Застосовуючи знання та найкращі практики, викладені в цьому посібнику, ви можете ефективно використовувати WebAssembly у своїх веб-розробницьких проектах і розкрити весь його потенціал.