Типи посилань у WebAssembly: посилання на об'єкти та інтеграція зі збирачем сміття (GC)

WebAssembly (Wasm) здійснив революцію у веброзробці, надавши портативне, ефективне та безпечне середовище для виконання коду. Спочатку зосереджений на лінійній пам'яті та числових типах, WebAssembly постійно розширює свої можливості. Значним досягненням є запровадження типів посилань, зокрема посилань на об'єкти та їхня інтеграція зі збирачем сміття (GC). Ця стаття глибоко розглядає тонкощі типів посилань у WebAssembly, досліджуючи їхні переваги, виклики та наслідки для майбутнього вебу та поза ним.

Що таке типи посилань у WebAssembly?

Типи посилань є вирішальним кроком уперед в еволюції WebAssembly. До їхнього запровадження взаємодія Wasm із JavaScript (та іншими мовами) обмежувалася передачею примітивних типів даних (числа, логічні значення) та доступом до лінійної пам'яті, що вимагало ручного керування пам'яттю. Типи посилань дозволяють WebAssembly безпосередньо утримувати та маніпулювати посиланнями на об'єкти, керовані збирачем сміття хост-середовища. Це значно спрощує сумісність та відкриває нові можливості для створення складних застосунків.

По суті, типи посилань дозволяють модулям WebAssembly:

• Зберігати посилання на об'єкти JavaScript.
• Передавати ці посилання між функціями Wasm та JavaScript.
• Взаємодіяти з властивостями та методами об'єктів безпосередньо (хоча з деякими обмеженнями – деталі нижче).

Необхідність збирання сміття (GC) у WebAssembly

Традиційний WebAssembly вимагає від розробників ручного керування пам'яттю, подібно до мов C або C++. Хоча це забезпечує детальний контроль, це також створює ризик витоків пам'яті, висячих вказівників та інших помилок, пов'язаних з пам'яттю, що значно ускладнює розробку, особливо для великих застосунків. Крім того, ручне керування пам'яттю може погіршити продуктивність через накладні витрати операцій malloc/free та складність алокаторів пам'яті. Збирання сміття автоматизує керування пам'яттю. Алгоритм GC ідентифікує та вивільняє пам'ять, яка більше не використовується програмою. Це спрощує розробку, зменшує ризик помилок пам'яті та, в багатьох випадках, може покращити продуктивність. Інтеграція GC у WebAssembly дозволяє розробникам ефективніше використовувати мови, такі як Java, C#, Kotlin та інші, що покладаються на збирання сміття, в екосистемі WebAssembly.

Посилання на об'єкти: подолання розриву між Wasm та JavaScript

Посилання на об'єкти — це специфічний тип посилань, що дозволяє WebAssembly безпосередньо взаємодіяти з об'єктами, керованими GC хост-середовища, переважно JavaScript у веббраузерах. Це означає, що модуль WebAssembly тепер може утримувати посилання на об'єкт JavaScript, такий як елемент DOM, масив або користувацький об'єкт. Модуль може передавати це посилання іншим функціям WebAssembly або назад до JavaScript.

Ось розбір ключових аспектів посилань на об'єкти:

1. Тип `externref`

Тип `externref` є фундаментальним будівельним блоком для посилань на об'єкти у WebAssembly. Він представляє посилання на об'єкт, керований зовнішнім середовищем (наприклад, JavaScript). Вважайте його загальним "дескриптором" об'єкта JavaScript. Він оголошується як тип WebAssembly, що дозволяє використовувати його як тип для параметрів функцій, значень, що повертаються, та локальних змінних.

Приклад (гіпотетичний текстовий формат WebAssembly):

            (module
  (func $get_element (import "js" "get_element") (result externref))
  (func $set_property (import "js" "set_property") (param externref i32 i32))

  (func $use_element
    (local $element externref)
    (local.set $element (call $get_element))
    (call $set_property $element (i32.const 10) (i32.const 20))
  )
)
            

              
                Copy
              
            
          

У цьому прикладі `$get_element` імпортує функцію JavaScript, яка повертає `externref` (імовірно, посилання на елемент DOM). Функція `$use_element` потім викликає `$get_element`, зберігає повернуте посилання в локальній змінній `$element`, а потім викликає іншу функцію JavaScript `$set_property` для встановлення властивості елемента.

2. Імпорт та експорт посилань

Модулі WebAssembly можуть імпортувати функції JavaScript, які приймають або повертають типи `externref`. Це дозволяє JavaScript передавати об'єкти до Wasm, а Wasm — повертати об'єкти до JavaScript. Аналогічно, модулі Wasm можуть експортувати функції, що використовують типи `externref`, дозволяючи JavaScript викликати ці функції та взаємодіяти з об'єктами, керованими Wasm.

Приклад (JavaScript):

            async function runWasm() {
  const importObject = {
    js: {
      get_element: () => document.getElementById("myElement"),
      set_property: (element, x, y) => {
        element.style.left = x + "px";
        element.style.top = y + "px";
      }
    }
  };

  const { instance } = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('module.wasm'), importObject);
  instance.exports.use_element();
}
            

              
                Copy
              
            
          

Цей код JavaScript визначає `importObject`, який надає реалізації JavaScript для імпортованих функцій `get_element` та `set_property`. Функція `get_element` повертає посилання на елемент DOM, а функція `set_property` змінює стиль елемента на основі наданих координат.

3. Перевірка типів (Type Assertions)

Хоча `externref` надає спосіб обробки посилань на об'єкти, він не забезпечує безпеки типів усередині WebAssembly. Щоб вирішити цю проблему, пропозиція GC WebAssembly містить інструкції для перевірки типів. Ці інструкції дозволяють коду Wasm перевіряти тип `externref` під час виконання, гарантуючи, що він відповідає очікуваному типу перед виконанням операцій над ним.

Без перевірки типів модуль Wasm потенційно міг би спробувати отримати доступ до властивості `externref`, якої не існує, що призвело б до помилки. Перевірка типів надає механізм для запобігання таким помилкам та забезпечення безпеки та цілісності застосунку.

Пропозиція щодо збирання сміття (GC) у WebAssembly

Пропозиція WebAssembly GC має на меті надати стандартизований спосіб для модулів WebAssembly використовувати внутрішнє збирання сміття. Це дозволяє ефективніше компілювати в WebAssembly мови, такі як Java, C# та Kotlin, які значною мірою покладаються на GC. Поточна пропозиція містить кілька ключових особливостей:

1. Типи GC

Пропозиція GC вводить нові типи, спеціально розроблені для об'єктів, що збираються збирачем сміття. Ці типи включають:

• `struct`: Представляє структуру (запис) з іменованими полями, подібно до структур у C або класів у Java.
• `array`: Представляє динамічно розмірний масив певного типу.
• `i31ref`: Спеціалізований тип, що представляє 31-бітне ціле число, яке також є об'єктом GC. Це дозволяє ефективно представляти малі цілі числа в купі GC.
• `anyref`: Супертип для всіх типів GC, подібний до `Object` в Java.
• `eqref`: Посилання на структуру зі змінними полями.

Ці типи дозволяють WebAssembly визначати складні структури даних, якими може керувати GC, що уможливлює створення більш складних застосунків.

2. Інструкції GC

Пропозиція GC вводить набір нових інструкцій для роботи з об'єктами GC. Ці інструкції включають:

• `gc.new`: Виділяє новий об'єкт GC вказаного типу.
• `gc.get`: Читає поле зі структури GC.
• `gc.set`: Записує поле у структуру GC.
• `gc.array.new`: Виділяє новий масив GC вказаного типу та розміру.
• `gc.array.get`: Читає елемент з масиву GC.
• `gc.array.set`: Записує елемент у масив GC.
• `gc.ref.cast`: Виконує приведення типу для посилання GC.
• `gc.ref.test`: Перевіряє, чи є посилання GC певного типу, не викликаючи винятку.

Ці інструкції надають необхідні інструменти для створення, маніпулювання та взаємодії з об'єктами GC в модулях WebAssembly.

3. Інтеграція з хост-середовищем

Ключовим аспектом пропозиції WebAssembly GC є її інтеграція з GC хост-середовища. Це дозволяє модулям WebAssembly ефективно взаємодіяти з об'єктами, керованими хост-середовищем, такими як об'єкти JavaScript у веббраузері. Тип `externref`, як обговорювалося раніше, відіграє життєво важливу роль у цій інтеграції.

Пропозиція GC розроблена для безшовної роботи з існуючими збирачами сміття, що дозволяє WebAssembly використовувати наявну інфраструктуру для керування пам'яттю. Це дозволяє уникнути необхідності реалізовувати власний збирач сміття у WebAssembly, що додало б значних накладних витрат і складності.

Переваги типів посилань WebAssembly та інтеграції з GC

Запровадження типів посилань та інтеграція з GC у WebAssembly пропонує численні переваги:

1. Покращена сумісність із JavaScript

Типи посилань значно покращують сумісність між WebAssembly та JavaScript. Пряма передача посилань на об'єкти між Wasm та JavaScript усуває потребу в складних механізмах серіалізації та десеріалізації, які часто є вузькими місцями продуктивності. Це дозволяє розробникам створювати більш безшовні та ефективні застосунки, що використовують сильні сторони обох технологій. Наприклад, обчислювально інтенсивне завдання, написане на Rust і скомпільоване у WebAssembly, може безпосередньо маніпулювати елементами DOM, наданими JavaScript, покращуючи продуктивність вебзастосунків.

2. Спрощена розробка

Автоматизуючи керування пам'яттю, збирання сміття спрощує розробку та зменшує ризик помилок, пов'язаних з пам'яттю. Розробники можуть зосередитися на написанні логіки застосунку, а не турбуватися про ручне виділення та звільнення пам'яті. Це особливо корисно для великих і складних проєктів, де керування пам'яттю може бути значним джерелом помилок.

3. Підвищена продуктивність

У багатьох випадках збирання сміття може покращити продуктивність порівняно з ручним керуванням пам'яттю. Алгоритми GC часто є високо оптимізованими і можуть ефективно керувати використанням пам'яті. Крім того, інтеграція GC з хост-середовищем дозволяє WebAssembly використовувати наявну інфраструктуру керування пам'яттю, уникаючи накладних витрат на реалізацію власного збирача сміття.

Наприклад, розглянемо ігровий рушій, написаний на C# і скомпільований у WebAssembly. Збирач сміття може автоматично керувати пам'яттю, що використовується ігровими об'єктами, звільняючи ресурси, коли вони більше не потрібні. Це може призвести до більш плавного ігрового процесу та покращеної продуктивності порівняно з ручним керуванням пам'яттю для цих об'єктів.

4. Підтримка ширшого спектра мов

Інтеграція з GC дозволяє ефективніше компілювати в WebAssembly мови, що покладаються на збирання сміття, такі як Java, C#, Kotlin та Go (з його GC). Це відкриває нові можливості для використання цих мов у веброзробці та інших середовищах на основі WebAssembly. Наприклад, розробники тепер можуть компілювати існуючі застосунки на Java у WebAssembly та запускати їх у веббраузерах без значних змін, розширюючи охоплення цих застосунків.

5. Повторне використання коду

Можливість компілювати мови, такі як C# та Java, у WebAssembly забезпечує повторне використання коду на різних платформах. Розробники можуть писати код один раз і розгортати його в вебі, на сервері та на мобільних пристроях, зменшуючи витрати на розробку та підвищуючи ефективність. Це особливо цінно для організацій, яким потрібно підтримувати кілька платформ за допомогою єдиної кодової бази.

Виклики та міркування

Хоча типи посилань та інтеграція з GC пропонують значні переваги, є також деякі виклики та міркування, які слід враховувати:

1. Додаткові витрати на продуктивність

Збирання сміття створює певні накладні витрати на продуктивність. Алгоритмам GC необхідно періодично сканувати пам'ять для виявлення та звільнення невикористовуваних об'єктів, що може споживати ресурси процесора. Вплив GC на продуктивність залежить від конкретного використовуваного алгоритму GC, розміру купи та частоти циклів збирання сміття. Розробникам потрібно ретельно налаштовувати параметри GC, щоб мінімізувати накладні витрати на продуктивність та забезпечити оптимальну роботу застосунку. Різні алгоритми GC (наприклад, generational, mark-and-sweep) мають різні характеристики продуктивності, і вибір алгоритму залежить від конкретних вимог застосунку.

2. Детермінована поведінка

Збирання сміття за своєю суттю є недетермінованим. Час циклів збирання сміття непередбачуваний і може змінюватися залежно від таких факторів, як тиск на пам'ять і завантаженість системи. Це може ускладнити написання коду, що вимагає точного таймінгу або детермінованої поведінки. У деяких випадках розробникам може знадобитися використовувати такі техніки, як пулинг об'єктів або ручне керування пам'яттю, для досягнення бажаного рівня детермінізму. Це особливо важливо в застосунках реального часу, таких як ігри або симуляції, де передбачувана продуктивність є критичною.

3. Аспекти безпеки

Хоча WebAssembly забезпечує безпечне середовище виконання, типи посилань та інтеграція з GC вводять нові аспекти безпеки. Важливо ретельно перевіряти посилання на об'єкти та виконувати перевірку типів, щоб запобігти доступу або маніпулюванню об'єктами зловмисним кодом несподіваними способами. Аудити безпеки та огляди коду є важливими для виявлення та усунення потенційних вразливостей. Наприклад, зловмисний модуль WebAssembly може спробувати отримати доступ до конфіденційних даних, що зберігаються в об'єкті JavaScript, якщо не виконано належну перевірку типів та валідацію.

4. Підтримка мов та інструментарій

Впровадження типів посилань та інтеграції з GC залежить від наявності підтримки мов та інструментарію. Компілятори та ланцюжки інструментів потрібно оновити для підтримки нових функцій WebAssembly. Розробникам потрібен доступ до бібліотек та фреймворків, які надають високорівневі абстракції для роботи з об'єктами GC. Розробка комплексного інструментарію та підтримки мов є важливою для широкого впровадження цих функцій. Проєкт LLVM, наприклад, потребує оновлення для належного таргетування WebAssembly GC для таких мов, як C++.

Практичні приклади та сценарії використання

Ось кілька практичних прикладів та сценаріїв використання типів посилань WebAssembly та інтеграції з GC:

1. Вебзастосунки зі складними інтерфейсами

WebAssembly можна використовувати для створення вебзастосунків зі складними інтерфейсами, що вимагають високої продуктивності. Типи посилань дозволяють модулям WebAssembly безпосередньо маніпулювати елементами DOM, покращуючи відгук та плавність інтерфейсу. Наприклад, модуль WebAssembly можна використовувати для реалізації кастомного компонента UI, який рендерить складну графіку або виконує обчислювально інтенсивні розрахунки розмітки. Це дозволяє розробникам створювати більш складні та продуктивні вебзастосунки.

2. Ігри та симуляції

WebAssembly є чудовою платформою для розробки ігор та симуляцій. Інтеграція з GC спрощує керування пам'яттю та дозволяє розробникам зосередитися на ігровій логіці, а не на виділенні та звільненні пам'яті. Це може призвести до скорочення циклів розробки та покращення продуктивності гри. Ігрові рушії, такі як Unity та Unreal Engine, активно досліджують WebAssembly як цільову платформу, і інтеграція з GC буде вирішальною для перенесення цих рушіїв у веб.

3. Серверні застосунки

WebAssembly не обмежується веббраузерами. Його також можна використовувати для створення серверних застосунків. Інтеграція з GC дозволяє розробникам використовувати мови, такі як Java та C#, для створення високопродуктивних серверних застосунків, що працюють на середовищах виконання WebAssembly. Це відкриває нові можливості для використання WebAssembly в хмарних обчисленнях та інших серверних середовищах. Wasmtime та інші серверні середовища виконання WebAssembly активно досліджують підтримку GC.

4. Кросплатформна мобільна розробка

WebAssembly можна використовувати для створення кросплатформних мобільних застосунків. Компілюючи код у WebAssembly, розробники можуть створювати застосунки, що працюють на платформах iOS та Android. Інтеграція з GC спрощує керування пам'яттю та дозволяє розробникам використовувати мови, такі як C# та Kotlin, для створення мобільних застосунків, орієнтованих на WebAssembly. Фреймворки, такі як .NET MAUI, досліджують WebAssembly як ціль для створення кросплатформних мобільних застосунків.

Майбутнє WebAssembly та GC

Типи посилань та інтеграція з GC у WebAssembly є значним кроком до того, щоб зробити WebAssembly справді універсальною платформою для виконання коду. З розвитком підтримки мов та інструментарію ми можемо очікувати ширшого впровадження цих функцій та зростання кількості застосунків, створених на WebAssembly. Майбутнє WebAssembly є світлим, і інтеграція з GC відіграватиме ключову роль у його подальшому успіху.

Подальша розробка триває. Спільнота WebAssembly продовжує вдосконалювати пропозицію GC, вирішуючи граничні випадки та оптимізуючи продуктивність. Майбутні розширення можуть включати підтримку більш просунутих функцій GC, таких як конкурентне збирання сміття та поколінне збирання сміття. Ці вдосконалення ще більше підвищать продуктивність та можливості WebAssembly.

Висновок

Типи посилань WebAssembly, зокрема посилання на об'єкти, та інтеграція з GC є потужними доповненнями до екосистеми WebAssembly. Вони долають розрив між Wasm та JavaScript, спрощують розробку, підвищують продуктивність та уможливлюють використання ширшого спектра мов програмування. Хоча є виклики, які слід враховувати, переваги цих функцій незаперечні. Оскільки WebAssembly продовжує розвиватися, типи посилань та інтеграція з GC відіграватимуть все більш важливу роль у формуванні майбутнього веброзробки та поза нею. Використовуйте ці нові можливості та досліджуйте потенціал, який вони відкривають для створення інноваційних та високопродуктивних застосунків.