WebAssembly GC: Новий рубіж для високопродуктивних веб-додатків

WebAssembly (Wasm) з'явився з монументальною обіцянкою: забезпечити майже нативну продуктивність у вебі, створивши універсальну ціль для компіляції для безлічі мов програмування. Для розробників, що працюють із системними мовами, такими як C++, C та Rust, ця обіцянка була реалізована відносно швидко. Ці мови пропонують детальний контроль над пам'яттю, що чітко відповідає простій та потужній моделі лінійної пам'яті Wasm. Однак для величезного сегмента світової спільноти розробників — тих, хто використовує високорівневі, керовані мови, як-от Java, C#, Kotlin, Go та Dart — шлях до WebAssembly був сповнений труднощів.

Основною проблемою завжди було керування пам'яттю. Ці мови покладаються на збирач сміття (GC) для автоматичного звільнення пам'яті, яка більше не використовується, позбавляючи розробників складнощів ручного виділення та звільнення. Інтеграція цієї моделі з ізольованою лінійною пам'яттю Wasm історично вимагала громіздких обхідних шляхів, що призводило до роздутих бінарних файлів, вузьких місць у продуктивності та складного 'клейового коду'.

І тут з'являється WebAssembly GC (WasmGC). Цей трансформаційний набір пропозицій — не просто інкрементальне оновлення; це зміна парадигми, яка фундаментально переосмислює, як керовані мови працюють у вебі. WasmGC впроваджує першокласну, високопродуктивну систему збирання сміття безпосередньо у стандарт Wasm, забезпечуючи безшовну, ефективну та пряму інтеграцію між керованими мовами та веб-платформою. У цьому вичерпному посібнику ми розглянемо, що таке WasmGC, які проблеми він вирішує, як він працює, і чому він представляє майбутнє для нового класу потужних, складних веб-додатків.

Проблема пам'яті в класичному WebAssembly

Щоб повною мірою оцінити значущість WasmGC, ми повинні спочатку зрозуміти обмеження, які він усуває. Оригінальна специфікація WebAssembly MVP (Minimum Viable Product) мала геніально просту модель пам'яті: великий, неперервний та ізольований блок пам'яті, що називається лінійною пам'яттю.

Уявіть це як гігантський масив байтів, з якого модуль Wasm може читати та в який може писати за бажанням. Хост JavaScript також може отримувати доступ до цієї пам'яті, але лише шляхом читання та запису її частин. Ця модель неймовірно швидка та безпечна, оскільки модуль Wasm знаходиться в пісочниці у власному просторі пам'яті. Це ідеально підходить для таких мов, як C++ та Rust, які розроблені навколо концепції керування пам'яттю за допомогою вказівників (представлених у Wasm як цілочисельні зміщення в цьому масиві лінійної пам'яті).

Податок на 'клейовий код'

Проблема виникає, коли ви хочете передати складні структури даних між JavaScript та Wasm. Оскільки лінійна пам'ять Wasm розуміє лише числа (цілі та з плаваючою комою), ви не можете просто передати об'єкт JavaScript у функцію Wasm. Натомість вам доводилося виконувати дорогий процес перетворення:

• Серіалізація: Об'єкт JavaScript перетворювався у формат, який міг зрозуміти Wasm, зазвичай у потік байтів, як-от JSON, або бінарний формат, як-от Protocol Buffers.
• Копіювання пам'яті: Ці серіалізовані дані потім копіювалися в лінійну пам'ять модуля Wasm.
• Обробка у Wasm: Модуль Wasm отримував вказівник (цілочисельне зміщення) на місцезнаходження даних у лінійній пам'яті, десеріалізовував їх назад у свої внутрішні структури даних, а потім обробляв.
• Зворотний процес: Для повернення складного результату весь процес доводилося виконувати у зворотному порядку.

Увесь цей процес керувався 'клейовим кодом', часто автоматично згенерованим інструментами на кшталт `wasm-bindgen` для Rust або Emscripten для C++. Хоча ці інструменти є інженерними дивами, вони не можуть усунути властиві накладні витрати на постійну серіалізацію, десеріалізацію та копіювання пам'яті. Ці накладні витрати, які часто називають 'вартістю межі JS/Wasm', могли звести нанівець багато переваг у продуктивності від використання Wasm для додатків із частою взаємодією з хостом.

Тягар автономного збирача сміття

Для керованих мов проблема була ще глибшою. Як запустити мову, що вимагає збирача сміття, в середовищі, де його немає? Основним рішенням було скомпілювати все середовище виконання мови, включаючи власний збирач сміття, в сам модуль Wasm. Збирач сміття потім керував би власною купою, яка була лише великою виділеною областю в межах лінійної пам'яті Wasm.

Цей підхід мав кілька суттєвих недоліків:

• Величезні розміри бінарних файлів: Включення повного GC та середовища виконання мови може додати кілька мегабайтів до кінцевого файлу `.wasm`. Для веб-додатків, де початковий час завантаження є критичним, це часто неприйнятно.
• Проблеми з продуктивністю: Вбудований GC не має жодної інформації про GC хостового середовища (тобто браузера). Дві системи працюють незалежно, що може призвести до неефективності. Збирач сміття JavaScript у браузері — це високооптимізована, поколіннєва та конкурентна технологія, вдосконалена десятиліттями. Власний GC, скомпільований у Wasm, не може конкурувати з таким рівнем складності.
• Витоки пам'яті: Це створює складну ситуацію з керуванням пам'яттю, де GC браузера керує об'єктами JavaScript, а GC модуля Wasm керує своїми внутрішніми об'єктами. Поєднати їх без витоків пам'яті надзвичайно складно.

Зустрічайте WebAssembly GC: Зміна парадигми

WebAssembly GC вирішує ці проблеми напряму, розширюючи основний стандарт Wasm новими можливостями для керування пам'яттю. Замість того, щоб змушувати модулі Wasm керувати всім у лінійній пам'яті, WasmGC дозволяє їм брати безпосередню участь в екосистемі збирання сміття хоста.

Пропозиція вводить два основні поняття: типи-посилання та керовані структури даних (структури та масиви).

Типи-посилання: міст до хоста

Типи-посилання дозволяють модулю Wasm утримувати пряме, непрозоре посилання на об'єкт, керований хостом. Найважливішим із них є `externref` (зовнішнє посилання). `externref` — це, по суті, безпечний 'дескриптор' об'єкта JavaScript (або будь-якого іншого об'єкта хоста, як-от вузол DOM, Web API тощо).

За допомогою `externref` ви можете передати об'єкт JavaScript у функцію Wasm за посиланням. Модуль Wasm не знає внутрішньої структури об'єкта, але може утримувати посилання, зберігати його та передавати назад у JavaScript або в інші API хоста. Це повністю усуває потребу в серіалізації для багатьох сценаріїв взаємодії. Це різниця між відправкою детального креслення автомобіля (серіалізація) та простою передачею ключів від машини (посилання).

Структури та масиви: керовані дані в єдиній купі

Хоча `externref` є революційним для взаємодії з хостом, друга частина WasmGC ще потужніша для реалізації мов. WasmGC визначає нові, високорівневі конструкції типів безпосередньо у WebAssembly: `struct` (колекція іменованих полів) та `array` (послідовність елементів).

Важливо, що екземпляри цих структур та масивів не виділяються в лінійній пам'яті модуля Wasm. Натомість вони виділяються у спільній, керованій збирачем сміття купі, якою керує хостове середовище (рушій V8, SpiderMonkey або JavaScriptCore браузера).

Це центральне нововведення WasmGC. Тепер модуль Wasm може створювати складні, структуровані дані, які GC хоста розуміє нативно. Результатом є єдина купа, де об'єкти JavaScript та Wasm можуть співіснувати та посилатися один на одного безперешкодно.

Як працює WebAssembly GC: глибший погляд

Розглянемо механіку цієї нової моделі. Коли мова, така як Kotlin або Dart, компілюється в WasmGC, вона націлюється на новий набір інструкцій Wasm для керування пам'яттю.

• Виділення пам'яті: Замість виклику `malloc` для резервування блоку лінійної пам'яті, компілятор генерує інструкції, як-от `struct.new` або `array.new`. Рушій Wasm перехоплює ці інструкції та виконує виділення пам'яті в купі GC.
• Доступ до полів: Інструкції, як-от `struct.get` та `struct.set`, використовуються для доступу до полів цих керованих об'єктів. Рушій обробляє доступ до пам'яті безпечно та ефективно.
• Збирання сміття: Модулю Wasm не потрібен власний GC. Коли GC хоста запускається, він може бачити весь граф посилань на об'єкти, незалежно від того, чи походять вони з JavaScript чи з Wasm. Якщо на об'єкт, виділений у Wasm, більше не посилається ні модуль Wasm, ні хост JavaScript, GC хоста автоматично звільнить його пам'ять.

Історія про дві купи, що стали однією

Стара модель вимагала суворого розділення: купа JS та купа лінійної пам'яті Wasm. З WasmGC ця стіна руйнується. Об'єкт JavaScript може утримувати посилання на структуру Wasm, а ця структура Wasm може утримувати посилання на інший об'єкт JavaScript. Збирач сміття хоста може обходити весь цей граф, забезпечуючи ефективне, уніфіковане управління пам'яттю для всього додатка.

Саме ця глибока інтеграція дозволяє мовам позбутися своїх власних середовищ виконання та збирачів сміття. Тепер вони можуть покладатися на потужний, високооптимізований GC, який вже присутній у кожному сучасному веб-браузері.

Відчутні переваги WasmGC для розробників у всьому світі

Теоретичні переваги WasmGC перетворюються на конкретні, революційні переваги для розробників та кінцевих користувачів у всьому світі.

1. Радикальне зменшення розміру бінарних файлів

Це найбільш очевидна перевага. Усуваючи необхідність включати середовище керування пам'яттю та GC мови, модулі Wasm стають значно меншими. Ранні експерименти від команд Google та JetBrains показали вражаючі результати:

• Простий додаток 'Hello, World' на Kotlin/Wasm, який раніше важив кілька мегабайтів (МБ) через включення власного середовища виконання, зменшується до кількох сотень кілобайтів (КБ) з WasmGC.
• Веб-додаток Flutter (Dart) побачив зменшення розміру скомпільованого коду більш ніж на 30% після переходу на компілятор на базі WasmGC.

Для глобальної аудиторії, де швидкість інтернету може суттєво відрізнятися, менші розміри завантажень означають швидший час завантаження додатків, менші витрати на дані та набагато кращий користувацький досвід.

2. Значне підвищення продуктивності

Приріст продуктивності походить з кількох джерел:

• Швидший запуск: Менші бінарні файли не тільки швидше завантажуються, але й швидше аналізуються, компілюються та інстанціюються рушієм браузера.
• Взаємодія без витрат: Дорогі кроки серіалізації та копіювання пам'яті на межі JS/Wasm значною мірою усуваються. Передача об'єктів між двома світами стає такою ж дешевою, як передача вказівника. Це величезна перемога для додатків, які часто спілкуються з API браузера або бібліотеками JS.
• Ефективний, зрілий GC: Рушії GC браузерів — це шедеври інженерії. Вони є поколіннєвими, інкрементальними та часто конкурентними, що означає, що вони можуть виконувати свою роботу з мінімальним впливом на основний потік додатка, запобігаючи затримкам та 'ривкам'. Додатки WasmGC отримують можливість безкоштовно використовувати цю технологію світового класу.

3. Спрощений та потужніший досвід розробника

WasmGC робить розробку для вебу на керованих мовах природною та ергономічною.

• Менше 'клейового коду': Розробники витрачають менше часу на написання та налагодження складного коду взаємодії, необхідного для переміщення даних туди-сюди через межу Wasm.
• Пряма маніпуляція DOM: З `externref` модуль Wasm тепер може утримувати прямі посилання на елементи DOM. Це відкриває двері для високопродуктивних UI-фреймворків, написаних на таких мовах, як C# або Kotlin, для маніпулювання DOM так само ефективно, як і нативні JavaScript-фреймворки.
• Простіше портування коду: Стає набагато простіше брати існуючі кодові бази для настільних або серверних додатків, написані на Java, C# або Go, і перекомпілювати їх для вебу, оскільки основна модель керування пам'яттю залишається послідовною.

Практичні наслідки та шлях уперед

WasmGC — це вже не далека мрія, а реальність. Станом на кінець 2023 року він увімкнений за замовчуванням у Google Chrome (рушій V8) та Mozilla Firefox (SpiderMonkey). Apple Safari (JavaScriptCore) має реалізацію в розробці. Ця широка підтримка від основних виробників браузерів сигналізує, що WasmGC — це майбутнє.

Впровадження у мовах та фреймворках

Екосистема швидко освоює цю нову можливість:

• Kotlin/Wasm: JetBrains є одним з головних прихильників, і Kotlin — одна з перших мов із зрілою, готовою до виробництва підтримкою цілі WasmGC.
• Dart & Flutter: Команда Flutter у Google активно використовує WasmGC для створення високопродуктивних додатків Flutter для вебу, відходячи від своєї попередньої стратегії компіляції на основі JavaScript.
• Java & TeaVM: Проєкт TeaVM, компілятор ahead-of-time для байт-коду Java, підтримує ціль WasmGC, що дозволяє додаткам Java ефективно працювати в браузері.
• C# & Blazor: Хоча Blazor традиційно використовував середовище виконання .NET, скомпільоване у Wasm (з власним вбудованим GC), команда активно досліджує WasmGC як спосіб значно покращити продуктивність та зменшити розмір корисного навантаження.
• Go: Офіційний компілятор Go додає ціль на основі WasmGC (`-target=wasip1/wasm-gc`).

Важлива примітка для розробників на C++ та Rust: WasmGC — це додаткова функція. Вона не замінює і не скасовує лінійну пам'ять. Мови, які самостійно керують пам'яттю, можуть і будуть продовжувати використовувати лінійну пам'ять точно так само, як і раніше. WasmGC просто надає новий, необов'язковий інструмент для мов, які можуть отримати від нього користь. Дві моделі можуть навіть співіснувати в одному додатку.

Концептуальний приклад: до та після WasmGC

Щоб зробити різницю наочною, розглянемо концептуальний процес передачі об'єкта з даними користувача від JavaScript до Wasm.

До WasmGC (напр., Rust з wasm-bindgen)

На боці JavaScript:

            
const user = { id: 101, name: "Alice", isActive: true };
// 1. Serialize the object
const userJson = JSON.stringify(user);

// 2. Encode to UTF-8 and write to Wasm memory
const wasmMemoryBuffer = new Uint8Array(wasmModule.instance.exports.memory.buffer);
const pointer = wasmModule.instance.exports.allocate_memory(userJson.length + 1);
// ... code to write string to wasmMemoryBuffer at 'pointer' ...

// 3. Call Wasm function with pointer and length
const resultPointer = wasmModule.instance.exports.process_user(pointer, userJson.length);
// ... code to read result string from Wasm memory ...

            

              
                Copy
              
            
          

Це включає багато кроків, перетворення даних та ретельне управління пам'яттю з обох боків.

Після WasmGC (напр., Kotlin/Wasm)

На боці JavaScript:

            
const user = { id: 101, name: "Alice", isActive: true };

// 1. Simply call the exported Wasm function and pass the object
const result = wasmModule.instance.exports.process_user(user);

console.log(`Received processed name: ${result.name}`);

            

              
                Copy
              
            
          

Різниця разюча. Складність на межі взаємодії зникає. Розробник може працювати з об'єктами природним чином як у JavaScript, так і в скомпільованій у Wasm мові, а рушій Wasm обробляє комунікацію ефективно та прозоро.

Зв'язок з компонентною моделлю

WasmGC також є критично важливим кроком до ширшого бачення WebAssembly: компонентної моделі. Компонентна модель має на меті створити майбутнє, де програмні компоненти, написані будь-якою мовою, можуть безперешкодно спілкуватися один з одним, використовуючи багаті, високорівневі інтерфейси, а не лише прості числа. Щоб досягти цього, потрібен стандартизований спосіб опису та передачі складних типів даних — як-от рядки, списки та записи — між компонентами. WasmGC забезпечує фундаментальну технологію керування пам'яттю, щоб зробити обробку цих високорівневих типів ефективною та можливою.

Висновок: майбутнє — кероване та швидке

WebAssembly GC — це більше, ніж просто технічна функція; це ключ, що відкриває нові можливості. Він руйнує головний бар'єр, який заважав величезній екосистемі керованих мов та їхнім розробникам повноцінно брати участь у революції WebAssembly. Інтегруючи високорівневі мови з нативним, високооптимізованим збирачем сміття браузера, WasmGC виконує нову потужну обіцянку: вам більше не потрібно обирати між високорівневою продуктивністю розробки та високою продуктивністю виконання у вебі.

Вплив буде глибоким. Ми побачимо нову хвилю складних, насичених даними та продуктивних веб-додатків — від креативних інструментів та візуалізацій даних до повноцінного корпоративного програмного забезпечення — створених за допомогою мов та фреймворків, які раніше були непрактичними для браузера. Це демократизує веб-продуктивність, даючи розробникам по всьому світу можливість використовувати свої існуючі навички в таких мовах, як Java, C# та Kotlin, для створення веб-досвіду наступного покоління.

Епоха вибору між зручністю керованої мови та продуктивністю Wasm закінчилася. Завдяки WasmGC майбутнє веб-розробки є одночасно керованим та неймовірно швидким.