探索 WebAssembly 的多值返回優化對函數介面的重大影響，從而提高效能並簡化全球受眾的跨語言開發。
WebAssembly 多值返回優化：增強全球開發格局的函數介面
Web 技術的快速發展不斷推動瀏覽器內外可能實現的界限。處於這項創新前沿的是 WebAssembly (Wasm)，一種二進位指令格式，設計為程式設計語言的可移植編譯目標，可在 Web 上部署用於 Web 應用程式，並作為其他平臺的獨立目標。在塑造 Wasm 功能的眾多進展中，多值返回優化作為對其函數介面設計的特別有影響的增強而脫穎而出。此功能現在是 WebAssembly 規範的標準部分，允許函數直接返回多個值，這是一個看似很小的更改，但在效能、程式碼簡潔性和跨各種程式設計語言的互操作性方面產生了顯著的好處。
函數返回的演變：歷史視角
傳統上，程式設計語言以兩種主要方式處理函數返回：
- 單值返回：大多數語言，如 C、C++ 和早期形式的 JavaScript，主要支援函數返回單個值。如果函數需要傳達多條資訊，開發人員會求助於變通方法。
- 元組/結構返回：Python、Go 以及 C++ 和 Rust 的更現代版本等語言允許函數返回多個值，通常將它們打包到元組、結構或物件中。
在編譯到 WebAssembly 的上下文中，挑戰始終是將這些不同的返回機制對應到一個通用的、高效的指令集。在引入多值返回之前，Wasm 函數嚴格限制為最多返回一個值。這種限制需要變通方法，這些方法可能會帶來額外的開銷和複雜性。
WebAssembly 中多值返回之前的挑戰
在多值返回在 WebAssembly 中成為現實之前，開發人員和編譯器工程師在翻譯自然返回多個值的程式碼時面臨著幾個障礙：
- 返回值優化 (RVO) 和命名返回值優化 (NRVO) 限制：雖然像 LLVM 這樣的編譯器擅長優化單個返回值（例如，通過省略副本），但在處理多個概念返回值時，這些優化效果較差或更難以實現。
- 手動聚合：為了從 Wasm 函數返回多個值，開發人員通常必須手動將它們聚合到單個實體中，例如結構、陣列或指向可以儲存結果的記憶體位置的指標。這涉及額外的記憶體分配、指標解引用和複製，所有這些都會對效能產生負面影響。
- 增加樣板程式碼：手動聚合的需求通常會導致更多冗長和複雜的程式碼，無論是在原始程式碼中還是在產生的 Wasm 中。這增加了開發人員的認知負荷，並使產生的 Wasm 更難以閱讀和維護。
- 互操作性摩擦：在與 JavaScript 或其他 Wasm 模組互動時，傳遞和接收多個值需要仔細的協調和顯式的資料結構，從而為跨語言通訊增加了另一層複雜性。
考慮一個簡單的 C++ 函數，旨在返回兩個整數：計數和狀態碼。
多值返回之前（概念 C++）：
struct CountStatus {
int count;
int status;
};
CountStatus get_data() {
// ... calculation ...
int count = 10;
int status = 0;
return {count, status};
}
// In Wasm caller:
auto result = get_data();
int count = result.count;
int status = result.status;
此 C++ 程式碼通常會被編譯為 Wasm，方法是建立一個結構，返回它，然後可能在呼叫端解包它，或者將指標傳遞給輸出參數。
使用輸出參數的替代方法（概念 C）：
int get_data(int* status) {
// ... calculation ...
int count = 10;
*status = 0;
return count;
}
// In Wasm caller:
int status;
int count = get_data(&status);
這兩種方法都涉及間接存取或資料聚合，從而增加了 WebAssembly 的多值返回直接解決的開銷。
引入 WebAssembly 多值返回
WebAssembly 多值返回功能通過允許函數直接聲明和返回可能不同類型的多個值來從根本上改變函數簽章。這在 Wasm 類型系統中由返回值類型列表表示。
概念 Wasm 類型簽章：
函數之前具有像 (param_types) -> result_type 這樣的簽章。使用多值返回，它變為 (param_types) -> (result_type1, result_type2, ... result_typeN)。
運作方式：
當函數定義為返回多個值時，WebAssembly 執行引擎可以直接將這些返回值繫結到呼叫端的變數，而無需中間資料結構或顯式的記憶體操作。這類似於 Go 或 Python 等語言處理多個返回值的方式。
說明性範例（概念）：
讓我們重新審視 C++ 範例，現在考慮如何在 Wasm 中使用多值返回直接表示它：
想像一個假設的 Wasm 指令，該指令直接轉換為返回兩個值：
;; Hypothetical Wasm text format
(func $get_data (result i32 i32)
;; ... calculation ...
i32.const 10
i32.const 0
;; Returns 10 and 0 directly
return
)
在呼叫端（例如，JavaScript）：
// Assuming 'instance' is the WebAssembly instance
const [count, status] = instance.exports.get_data();
這種直接對應關係顯著簡化了介面，並消除了與手動聚合相關的開銷。
多值返回優化的主要優點
在 WebAssembly 中採用多值返回提供了一系列優點，這些優點使開發人員能夠增強功能並提高 Web 應用程式和其他啟用 Wasm 的環境的效率。
1. 效能提升
這可以說是最大的好處。通過消除對中間資料結構（如結構或陣列）的需求，並避免昂貴的記憶體複製和指標解引用，多值返回會導致：
- 減少記憶體分配：無需為臨時返回物件分配記憶體。
- 減少複製操作：值直接從被呼叫者傳遞到呼叫者。
- 簡化執行：Wasm 引擎可以比管理複雜的資料結構更有效地優化多個值的流動。
對於計算密集型操作或自然產生多個相關輸出的函數，這些效能提升可能非常顯著。這對於需要高輸送量的應用程式（例如遊戲引擎、科學模擬和即時資料處理）至關重要。
2. 簡化的函數介面和程式碼清晰度
直接返回多個值的能力使函數簽章更直觀，並且程式碼更易於理解和編寫。
- 減少樣板程式碼：需要較少的程式碼來打包和解包返回值。
- 提高可讀性：函數簽章更準確地反映了所傳達的資訊。
- 更易於偵錯：追蹤多個不同的返回值的流動通常比追蹤聚合結構更簡單。
開發人員可以更直接地表達他們的意圖，從而產生更易於維護且不易出錯的程式碼庫。這種清晰度在協作的全球開發環境中非常寶貴，在這種環境中，理解他人編寫的程式碼至關重要。
3. 增強的跨語言互操作性
WebAssembly 的優勢在於它能夠用作多種程式設計語言的編譯目標。多值返回大大簡化了具有不同返回值約定的語言之間的翻譯和互動。
- 元組式返回的直接對應：支援多個返回值的語言（如 Go、Python 和 Swift）可以將其函數更直接地編譯為 Wasm，並保留其返回語義。
- 橋接單值和多值語言：返回多個值的 Wasm 函數可以被僅支援單個返回的語言使用（通過在主機環境中聚合它們，例如 JavaScript），反之亦然。但是，當雙方都支援時，直接多值返回提供了一條更清晰的路徑。
- 減少阻抗不匹配：該功能最大限度地減少了原始程式碼語言和 Wasm 目標之間的語義差距，從而使編譯過程更順暢，並且產生的 Wasm 更加慣用。
這種改進的互操作性是構建複雜的多語種應用程式的基石，這些應用程式利用了不同生態系統中最好的工具和庫。對於全球受眾而言，這意味著可以更輕鬆地整合由各種語言和不同團隊開發的元件。
4. 更好地支援現代語言功能
許多現代程式設計語言都採用了多個返回值作為以慣用方式表達某些模式的核心功能。WebAssembly 對此功能的支援確保了這些語言可以編譯為 Wasm，而不會犧牲表達力或效能。
- 慣用程式碼生成：編譯器可以生成直接反映原始程式碼語言的多值返回結構的 Wasm。
- 啟用高級模式：可以有效地處理同時返回結果和錯誤的功能（在 Go 和 Rust 等語言中很常見）。
編譯器實現和範例
多值返回的成功取決於強大的編譯器支援。主要的編譯器工具鏈已更新以利用此功能。
LLVM 和 Clang/Emscripten
LLVM 是一種廣泛使用的編譯器基礎結構，為許多 Wasm 編譯器提供後端，包括用於 C/C++ 的 Clang 和 Emscripten。LLVM 的複雜分析和優化過程現在可以有效地檢測 C++ 結構（如返回結構或使用 NRVO）並將其轉換為具有多個返回值的 Wasm 函數。
範例：帶有 `std::tuple` 的 C++
考慮一個返回 `std::tuple` 的 C++ 函數：
#include <tuple>
#include <string>
std::tuple<int, std::string> get_user_info() {
int user_id = 123;
std::string username = "Alice";
return {user_id, username};
}
// When compiled with Emscripten and targeting Wasm with multi-value support:
// The Wasm function signature might look like (result i32 externref)
// where i32 is for user_id and externref is for the string reference.
Emscripten 利用 LLVM，現在可以更直接地編譯它，從而避免了如果 Wasm 執行階段支援，則將元組打包到單個記憶體 blob 中的開銷。
Rust 工具鏈
Rust 還大量使用多個返回值，尤其是其錯誤處理機制（返回 `Result
範例：帶有 `Result` 的 Rust
fn get_config() -> Result<(u32, bool), &'static str> {
// ... configuration loading logic ...
let version = 1;
let is_enabled = true;
Ok((version, is_enabled))
}
// When compiled with `wasm-pack` or `cargo build --target wasm32-unknown-unknown`:
// The Rust compiler can map the Ok(tuple) return directly to Wasm multi-value returns.
// This means the function signature in Wasm would represent two return values:
// one for the version (e.g., i32) and one for the boolean (e.g., i32 or i64).
這種直接對應關係對於為 Wasm 編譯的 Rust 效能敏感型應用程式至關重要，尤其是在後端服務、遊戲開發和基於瀏覽器的工具等領域。
Go 的影響
Go 的並發模型及其對多個返回值的原生支援使其成為從此 Wasm 功能中受益的主要候選者。當 Go 程式碼編譯為 Wasm 時，多值返回優化允許更直接和有效地表示 Go 的多個返回語義。
範例：Go
func get_coordinates() (int, int) {
// ... calculate coordinates ...
x := 100
y := 200
return x, y
}
// When compiled to Wasm, this function can directly map its two int return values
// to Wasm's multi-value return signature, e.g., (result i32 i32).
這避免了 Go 的 Wasm 後端建立中間結構或使用複雜的指標傳遞機制的需要，從而產生更清晰和更快的 Wasm 二進位檔案。
與 JavaScript 主機互動
WebAssembly 與 JavaScript 的整合是其在 Web 上用例的基本方面。多值返回顯著增強了這種互動。
解構賦值：
JavaScript 的解構賦值語法與 WebAssembly 的多值返回完美匹配。
// Assuming 'instance' is your WebAssembly instance
// and 'my_wasm_function' returns two integers.
const [value1, value2] = instance.exports.my_wasm_function();
console.log(`Received: ${value1}, ${value2}`);
這種清晰、直接的賦值比手動從 Wasm 函數返回的陣列或物件中檢索值要優雅和高效得多，該函數被迫聚合其返回。
將資料傳遞到 Wasm：
雖然這篇文章側重於返回，但值得注意的是，WebAssembly 的參數傳遞也看到了與多值返回協同工作的進展，從而有助於形成更具凝聚力的函數介面設計。
實際用例和全球應用
多值返回優化的優點不是理論上的；它們轉化為全球受眾廣泛應用程式的實際改進。
- 基於 Web 的開發工具：編譯器、linter 和程式碼格式化程式（編譯為 Wasm）可以在處理程式碼並返回多個分析結果（例如，錯誤程式碼、行號、嚴重性級別）時獲得更好的效能。
- 遊戲開發：遊戲通常需要快速計算並返回多個向量、坐標或狀態資訊。多值返回可以簡化這些操作，從而有助於在全球範圍內實現更流暢的遊戲體驗。
- 科學和金融計算：複雜的模擬和金融模型通常涉及計算和返回多個相關指標的函數（例如，模擬結果、風險因素、效能指標）。優化的返回提高了這些計算的速度和效率，這對於全球金融市場和科學研究至關重要。
- 圖像和視訊處理：基於瀏覽器的媒體編輯器中的即時濾鏡和效果可以從更快地返回像素資料、轉換參數或分析結果中受益。
- 後端服務（瀏覽器外的 Wasm）：隨著 WebAssembly 在伺服器端（例如，通過 WASI）獲得越來越多的關注，多值返回對於需要有效交換結構化資料的微服務變得至關重要，從而產生更高效和可擴展的全球雲基礎架構。
- 跨平臺庫：編譯為 Wasm 的庫可以向開發人員公開更清晰、效能更高的 API，無論他們選擇的主機環境（瀏覽器、伺服器、物聯網裝置）如何，從而促進更廣泛的採用和更輕鬆地整合到國際專案中。
挑戰和未來方向
雖然多值返回代表了向前邁出的一大步，但仍然存在一些考慮因素和持續的發展：
- 工具鏈成熟度：確保所有程式設計語言及其各自的 Wasm 編譯工具鏈提供一致且最佳的支援是一項持續的努力。
- 執行階段支援：雖然得到廣泛支援，但確保所有目標 Wasm 執行階段（瀏覽器、Node.js、獨立執行階段）完全有效地實現多值返回是關鍵。
- 偵錯工具：偵錯 Wasm 可能具有挑戰性。隨著多值返回等功能成為標準，偵錯工具需要不斷發展，以便清楚地了解這些複雜的返回類型。
- 進一步的介面增強：Wasm 生態系統不斷發展。未來的提案可能會以多值返回為基礎，以提供更複雜的方式來處理複雜的資料結構和函數簽章。
全球開發人員的可行見解
對於在全球化環境中工作的開發人員來說，採用 WebAssembly 及其高級功能（如多值返回）可以提供競爭優勢：
- 優先使用 Wasm 處理效能關鍵模組：如果您的應用程式具有使用 C++、Rust 或 Go 等語言編寫的計算密集型部分，請考慮將它們編譯為 WebAssembly。利用多值返回來最大限度地提高效能並減少開銷。
- 採用具有強大 Wasm 支援的現代語言：Rust 和 Go 等語言具有出色的 Wasm 工具鏈，這些工具鏈已經很好地利用了多值返回。
- 探索適用於 C/C++ 的 Emscripten：在使用 C/C++ 時，請確保您使用的是最新版本的 Emscripten 和 Clang，它們利用了 LLVM 的多值支援。
- 了解 Wasm 介面：熟悉多值返回如何轉換為 Wasm 文字格式以及它們如何公開給 JavaScript 等主機環境。這種理解對於有效的偵錯和整合至關重要。
- 為生態系統做出貢獻：如果您遇到問題或對首選語言的工具鏈中 Wasm 支援有建議，請考慮為開源專案做出貢獻。
- 保持更新：WebAssembly 規範及其周圍的工具鏈不斷發展。了解最新的功能和最佳實務將確保您始終利用最有效的解決方案。
結論
WebAssembly 的多值返回優化是 Wasm 規範發展中的一個至關重要但經常被低估的進展。它直接解決了程式設計的一個基本方面：函數如何傳達結果。通過使函數能夠以高效且慣用的方式返回多個值，此功能顯著提高了效能，簡化了程式碼，並增強了不同程式設計語言之間的互操作性。隨著 WebAssembly 繼續將其擴展到瀏覽器之外，進入伺服器端應用程式、物聯網裝置等領域，多值返回等功能鞏固了其作為全球開發格局中一種多功能且強大的技術的地位。現在，世界各地的開發人員都可以通過利用 WebAssembly 增強的函數介面的強大功能來構建更快、更清晰和更整合的應用程式。