WebAssembly 垃圾回收：托管内存与对象引用揭秘

WebAssembly (Wasm) 通过提供一个可移植、高效且安全的执行环境，彻底改变了 Web 开发。Wasm 最初旨在提升网页浏览器的性能，如今其能力已远超浏览器范畴，在无服务器计算、边缘计算乃至嵌入式系统中都找到了用武之地。这一演进过程中的一个关键环节，便是在 WebAssembly 内部对垃圾回收 (GC) 的持续开发与实现。本文将深入探讨 Wasm GC 的复杂性，剖析其对托管内存、对象引用以及更广泛的 Wasm 生态系统的影响。

什么是 WebAssembly 垃圾回收 (WasmGC)？

历史上，WebAssembly 缺乏对垃圾回收的原生支持。这意味着像 Java、C#、Kotlin 等严重依赖 GC 的语言，要么必须编译成 JavaScript（这会削弱 Wasm 的部分性能优势），要么就得在 Wasm 提供的线性内存空间内实现自己的内存管理方案。这些自定义解决方案虽然可行，但往往会带来性能开销，并增加编译后代码的复杂性。

WasmGC 通过直接在 Wasm 运行时中引入一个标准化且高效的垃圾回收机制，解决了这一局限。这使得拥有现有 GC 实现的语言能够更有效地将 Wasm 作为编译目标，从而提升性能并减小代码体积。它也为那些可以从一开始就利用 GC、专为 Wasm 设计的新语言打开了大门。

为什么垃圾回收对 WebAssembly 如此重要？

• 简化语言支持： WasmGC 简化了将带有垃圾回收器的语言移植到 WebAssembly 的过程。开发者可以避免手动内存管理或自定义 GC 实现的复杂性，转而专注于其应用程序的核心逻辑。
• 提升性能： 一个设计精良、集成在 Wasm 运行时中的 GC，其性能可以超越用 Wasm 本身编写的自定义 GC 解决方案。这是因为运行时可以利用平台特定的优化和底层内存管理技术。
• 减小代码体积： 使用自定义 GC 实现的语言通常需要大量代码来处理内存分配、垃圾回收和对象管理。WasmGC 减少了这部分开销，从而产生更小的 Wasm 模块。
• 增强安全性： 手动内存管理容易出错，例如内存泄漏和悬空指针，这些都可能引入安全漏洞。垃圾回收通过自动回收未使用的内存，降低了这些风险。
• 催生新的用例： WasmGC 的出现，扩展了可以在 WebAssembly 上有效部署的应用范围。那些严重依赖面向对象编程和动态内存分配的复杂应用程序变得更加可行。

理解 WebAssembly 中的托管内存

在深入探讨 WasmGC 之前，了解 WebAssembly 中内存的管理方式至关重要。Wasm 在一个沙盒环境中运行，并拥有自己的线性内存空间。这块内存是 Wasm 模块可以访问的一个连续字节块。在没有 GC 的情况下，这块内存必须由开发者或编译器显式管理。

线性内存与手动内存管理

在没有 WasmGC 的情况下，开发者通常依赖以下技术：

• 显式内存分配与释放： 使用像 `malloc` 和 `free` 这样的函数（通常由 libc 等标准库提供）来分配和释放内存块。这种方法需要仔细跟踪已分配的内存，并且容易出错。
• 自定义内存管理系统： 在 Wasm 模块内部实现自定义的内存分配器或垃圾回收器。这种方法提供了更多的控制权，但增加了复杂性和开销。

尽管这些技术是有效的，但它们给开发者带来了沉重的负担，并可能导致性能问题和安全漏洞。WasmGC 旨在通过提供一个内置的托管内存系统来缓解这些挑战。

使用 WasmGC 的托管内存

有了 WasmGC，内存管理就由 Wasm 运行时自动处理。运行时会跟踪已分配的对象，并在对象不再可达时回收内存。这消除了手动内存管理的需求，并降低了内存泄漏和悬空指针的风险。

WasmGC 中的托管内存空间与用于其他数据的线性内存是分开的。这使得运行时可以专门为托管对象优化内存分配和垃圾回收。

WasmGC 中的对象引用

WasmGC 的一个关键方面是它如何处理对象引用。与传统的线性内存模型不同，WasmGC 引入了引用类型，允许 Wasm 模块直接引用托管内存空间中的对象。这些引用类型提供了一种类型安全且高效的方式来访问和操作对象。

引用类型

WasmGC 引入了新的引用类型，例如：

• `anyref`: 一种通用引用类型，可以指向任何托管对象。
• `eqref`: 一种指向外部拥有对象的引用类型。
• 自定义引用类型： 开发者可以定义自己的自定义引用类型，以表示其应用程序中的特定对象类型。

这些引用类型使 Wasm 模块能够以类型安全的方式处理对象。Wasm 运行时会强制进行类型检查，以确保引用被正确使用并防止类型错误。

对象的创建与访问

使用 WasmGC，对象通过在托管内存空间中分配内存的特殊指令来创建。这些指令返回对新创建对象的引用。

为了访问对象的字段，Wasm 模块使用接收一个引用和一个字段偏移量作为输入的指令。运行时利用这些信息来访问正确的内存位置并检索字段值。这个过程类似于 Java 和 C# 等其他带垃圾回收的语言中访问对象的方式。

示例：WasmGC 中的对象创建与访问（假设语法）

尽管确切的语法和指令可能因具体的 Wasm 工具链和语言而异，但这里有一个简化的例子来说明对象创建和访问在 WasmGC 中可能如何工作：

; 定义一个表示点的结构体
(type $point (struct (field i32 x) (field i32 y)))

; 创建一个新点的函数
(func $create_point (param i32 i32) (result (ref $point))
  (local.get 0)  ; x 坐标
  (local.get 1)  ; y 坐标
  (struct.new $point) ; 创建一个新的 point 对象
)

; 访问一个点的 x 坐标的函数
(func $get_point_x (param (ref $point)) (result i32)
  (local.get 0) ; Point 引用
  (struct.get $point 0) ; 获取 x 字段（偏移量 0）
)

这个例子演示了如何使用 `struct.new` 创建一个新的 `point` 对象，以及如何使用 `struct.get` 访问其 `x` 字段。`ref` 类型表明该函数正在处理一个对托管对象的引用。

WasmGC 对不同编程语言的好处

WasmGC 为各种编程语言带来了显著的好处，使其更容易以 WebAssembly 为目标并实现更好的性能。

Java 和 Kotlin

Java 和 Kotlin 拥有强大的垃圾回收器，并已深度集成到它们的运行时中。WasmGC 允许这些语言利用其现有的 GC 算法和基础设施，减少了对自定义内存管理解决方案的需求。这可以带来显著的性能提升和代码体积的减小。

示例： 一个复杂的基于 Java 的应用程序，如大规模数据处理系统或游戏引擎，可以以最小的修改编译到 Wasm，并利用 WasmGC 进行高效的内存管理。最终的 Wasm 模块可以部署在 Web 或其他支持 WebAssembly 的平台上。

C# 和 .NET

C# 和 .NET 生态系统也严重依赖垃圾回收。WasmGC 使 .NET 应用程序能够以更高的性能和更低的开销编译到 Wasm。这为在 Web 浏览器和其他环境中运行 .NET 应用程序开辟了新的可能性。

示例： 一个基于 .NET 的 Web 应用程序，如 ASP.NET Core 应用或 Blazor 应用，可以编译到 Wasm 并在浏览器中完全运行，利用 WasmGC 进行内存管理。这可以提高性能并减少对服务器端处理的依赖。

其他语言

WasmGC 也使其他使用垃圾回收的语言受益，例如：

• Python： 虽然 Python 的垃圾回收与 Java 或 .NET 不同，但 WasmGC 可以为在 Wasm 中处理内存管理提供一种更标准化的方式。
• Go： Go 有自己的垃圾回收器，而能够以 WasmGC 为目标则为当前的 TinyGo for Wasm 开发方式提供了另一种选择。
• 新语言： WasmGC 使得创建专为 WebAssembly 设计、从一开始就可以利用 GC 的新语言成为可能。

挑战与考量

尽管 WasmGC 带来了诸多好处，但它也提出了一些挑战和需要考量的问题：

垃圾回收暂停

垃圾回收在运行时回收未使用内存时，可能会导致执行暂停。在要求实时性能或低延迟的应用程序中，这些暂停可能会很明显。像增量式垃圾回收和并发垃圾回收这样的技术有助于减轻这些暂停，但它们也增加了运行时的复杂性。

示例： 在一个实时游戏或金融交易应用中，垃圾回收暂停可能导致掉帧或错过交易。在这些场景中，需要精心的设计和优化来最小化 GC 暂停的影响。

内存占用

垃圾回收可能会增加应用程序的整体内存占用。运行时需要分配额外的内存来跟踪对象和执行垃圾回收。在内存资源有限的环境中，如嵌入式系统或移动设备，这可能是一个问题。

示例： 在一个 RAM 有限的嵌入式系统中，WasmGC 的内存开销可能是一个重要的限制因素。开发者需要仔细考虑其应用程序的内存使用情况，并优化代码以最小化内存占用。

与 JavaScript 的互操作性

Wasm 和 JavaScript 之间的互操作性是 Web 开发的一个关键方面。使用 WasmGC 时，考虑对象如何在 Wasm 和 JavaScript 之间传递非常重要。`anyref` 类型提供了一种在两种环境之间传递托管对象引用的机制，但需要特别注意以确保对象得到妥善管理并避免内存泄漏。

示例： 一个使用 Wasm 进行计算密集型任务的 Web 应用程序可能需要在 Wasm 和 JavaScript 之间传递数据。使用 WasmGC 时，开发者需要仔细管理在两个环境之间共享的对象的生命周期，以防止内存泄漏。

性能调优

要通过 WasmGC 实现最佳性能，需要进行仔细的性能调优。开发者需要了解垃圾回收器的工作原理，以及如何编写能够最小化垃圾回收开销的代码。这可能涉及对象池、最小化对象创建和避免循环引用等技术。

示例： 一个使用 Wasm 进行图像处理的 Web 应用程序可能需要仔细调优以最小化垃圾回收开销。开发者可以使用对象池等技术来重用现有对象，并减少需要被垃圾回收的对象数量。

WebAssembly 垃圾回收的未来

WasmGC 是一项快速发展的技术。Wasm 社区正在积极致力于改进规范和开发新功能。一些潜在的未来方向包括：

• 高级垃圾回收算法： 探索更高级的垃圾回收算法，如分代垃圾回收和并发垃圾回收，以进一步减少 GC 暂停并提高性能。
• 与 WebAssembly 系统接口 (WASI) 集成： 将 WasmGC 与 WASI 集成，以在非 Web 环境中实现更好的内存管理。
• 改进与 JavaScript 的互操作性： 开发更好的 WasmGC 和 JavaScript 互操作机制，如自动对象转换和无缝对象共享。
• 性能分析和调试工具： 创建更好的性能分析和调试工具，帮助开发者理解和优化其 WasmGC 应用程序的性能。

示例： 将 WasmGC 与 WASI 集成，可以让开发者用 Java 和 C# 等语言编写高性能的服务器端应用程序，并将其部署在 WebAssembly 运行时上。这将为无服务器计算和边缘计算开辟新的可能性。

实际应用与用例

WasmGC 正在为 WebAssembly 催生一系列广泛的新应用和用例。

Web 应用

WasmGC 使得使用 Java、C# 和 Kotlin 等语言开发复杂的 Web 应用程序变得更加容易。这些应用程序可以利用 Wasm 的性能优势和 WasmGC 的内存管理能力，提供更好的用户体验。

示例： 一个大型 Web 应用程序，如在线办公套件或协作设计工具，可以用 Java 或 C# 实现，并使用 WasmGC 编译成 Wasm。这可以提高应用程序的性能和响应能力，尤其是在处理复杂数据结构和算法时。

游戏

WasmGC 特别适合在 WebAssembly 中开发游戏。游戏引擎通常严重依赖面向对象编程和动态内存分配。WasmGC 为在这些环境中管理内存提供了一种更高效、更便捷的方式。

示例： 一个 3D 游戏引擎，如 Unity 或 Unreal Engine，可以被移植到 WebAssembly，并利用 WasmGC 进行内存管理。这可以提高游戏的性能和稳定性，尤其是在资源有限的平台上。

无服务器计算

WasmGC 也在无服务器计算中找到了应用。WebAssembly 为无服务器函数提供了一个轻量级、可移植的执行环境。WasmGC 通过提供一个内置的内存管理系统，可以提高这些函数的性能和效率。

示例： 一个处理图像或执行数据分析的无服务器函数，可以用 Java 或 C# 实现，并使用 WasmGC 编译成 Wasm。这可以提高函数的性能和可伸缩性，尤其是在处理大型数据集时。

嵌入式系统

虽然内存限制可能是一个问题，但 WasmGC 对嵌入式系统也可能是有益的。WebAssembly 的安全性和可移植性使其成为在嵌入式环境中运行应用程序的一个有吸引力的选择。WasmGC 可以帮助简化内存管理并降低与内存相关的错误的风险。

示例： 一个控制机械臂或监测环境传感器的嵌入式系统，可以用 Rust 或 C++ 等语言编程，并使用 WasmGC 编译成 Wasm。这可以提高系统的可靠性和安全性。

结论

WebAssembly 垃圾回收是 WebAssembly 演进过程中的一项重大进步。通过提供一个标准化且高效的内存管理系统，WasmGC 为开发者开启了新的可能性，并使更广泛的应用能够在 WebAssembly 上部署。尽管挑战依然存在，但 WasmGC 的未来是光明的，它有望在 WebAssembly 跨越各种平台和领域的持续增长和普及中扮演关键角色。随着各种语言不断优化其对 WasmGC 的支持，以及 Wasm 规范本身的发展，我们可以期待 WebAssembly 应用程序带来更高的性能和效率。从手动内存管理到托管环境的转变标志着一个转折点，它使开发者能够摆脱手动处理内存的负担，专注于构建创新和复杂的应用程序。