WebAssembly 多值返回优化：增强功能接口

WebAssembly (Wasm) 已经迅速成为现代 Web 及其他领域的一项关键技术。 它能够在不同的平台上高效执行代码，为全球开发者开辟了新的可能性。 Wasm 发展的一个关键方面是功能接口的优化，而多值返回特性是这一领域的一个重大进步。 这篇博文将深入探讨这一特性，探索它对全球开发者的影响和益处，重点是创建更高效、性能更高的应用程序。

了解 WebAssembly 及其作用

WebAssembly 是一种为基于堆栈的虚拟机设计的二进制指令格式。 它旨在作为编译的可移植目标，从而能够在 Web 和其他环境中进行部署。 Wasm 旨在提供快速、高效和安全的执行环境，其运行速度接近原生速度。 这使得它非常适合广泛的应用程序，从交互式 Web 应用程序到服务器端程序，甚至嵌入式系统。 它的广泛采用突出了其适应性和有效性。

Wasm 的核心设计原则包括：

• 可移植性：跨不同的平台和浏览器运行。
• 效率：提供接近原生代码的性能。
• 安全性：安全可靠的执行环境。
• 开放标准：由社区维护，并不断发展。

Wasm 中功能接口的重要性

功能接口是允许程序的各个部分进行交互的网关。 它们定义了数据如何传入和传出函数，这对于程序的效率和设计至关重要。 在 Wasm 的上下文中，功能接口至关重要，因为它直接影响整体性能。 优化这些接口是性能改进的主要目标，从而可以实现更有效的数据流，并最终实现响应更快的应用程序。

考虑一下传统的限制：在多值返回之前，Wasm 中的函数通常返回单个值。 如果一个函数需要返回多个值，程序员将被迫使用变通方法，例如：

• 返回结构体或对象：这涉及到创建一个复合数据结构来保存多个返回值，这需要分配、复制和释放操作，从而增加开销。
• 使用输出参数：将可变指针传递给函数以修改作为参数传递的数据。 这可能会使函数签名复杂化，并引入潜在的内存管理问题。

多值返回：游戏规则改变者

Wasm 中的多值返回特性彻底改变了功能接口。 它允许 Wasm 函数直接返回多个值，而无需借助变通方法。 这显著提高了 Wasm 模块的效率和性能，尤其是在需要将多个值作为计算的一部分返回时。 它反映了原生代码的行为，在原生代码中，多个值可以通过寄存器有效地返回。

工作原理： 使用多值返回，Wasm 运行时可以直接返回多个值，通常使用寄存器或更高效的基于堆栈的机制。 这避免了与创建和管理复合数据结构或使用可变指针相关的开销。

优点：

• 提高性能：减少内存分配和释放操作，从而加快执行速度。
• 简化代码：更简洁的函数签名和降低的复杂性。
• 更好的互操作性：简化了与宿主环境的集成，因为可以传递多个值，而无需复杂的编组操作。
• 优化的编译器支持：像 Emscripten 等编译器可以更有效地为多值返回场景生成优化的代码。

深入探讨：技术方面和实施

在 Wasm 级别的实施： Wasm 二进制格式和虚拟机设计包括支持多值返回的特定功能。 模块类型签名中的函数类型结构允许定义多个返回类型。 这使得 Wasm 解释器或编译器能够有效地直接管理返回值，而无需使用前面描述的变通方法。

编译器支持： 诸如 Emscripten（用于将 C/C++ 编译为 Wasm）、Rust（通过其 Wasm 目标）和 AssemblyScript（一种编译为 Wasm 的类 TypeScript 语言）之类的编译器都集成了对多值返回的支持。 这些编译器会自动将语言构造转换为优化的 Wasm 指令。

示例：C/C++ 与 Emscripten

考虑一个 C/C++ 函数来计算两个数字的和与差：

            
#include <stdio.h>

//Function returning multiple values as a struct (before multi-value return)
struct SumDiff {
  int sum;
  int diff;
};

struct SumDiff calculate(int a, int b) {
  struct SumDiff result;
  result.sum = a + b;
  result.diff = a - b;
  return result;
}

//Function returning multiple values (with multi-value return, using Emscripten)
void calculateMV(int a, int b, int* sum, int* diff) {
  *sum = a + b;
  *diff = a - b;
}

// or, directly return from the multi-value function

// Example using multiple return from a function
int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

int subtract(int a, int b) {
  return a - b;
}

int main() {
  int a = 10, b = 5;
  int sum = 0, diff = 0;
  calculateMV(a, b, &sum, &diff);
  printf("Sum: %d, Difference: %d\n", sum, diff);

  int result_add = add(a,b);
  int result_sub = subtract(a,b);

  printf("add result: %d, subtract result: %d\n", result_add, result_sub);
  return 0;
}

            

              
                Copy
              
            
          

当使用 Emscripten 进行编译时（使用适当的标志来启用多值返回支持），编译器将优化代码以使用多值返回机制，从而生成更高效的 Wasm 代码。

实际示例和全球应用

在需要返回多个相关值的场景中，多值返回特别有用。 考虑以下示例：

• 图像处理：返回处理后的图像数据和元数据（例如，图像宽度、高度和格式）的函数。 这在创建高效的基于 Web 的图像编辑工具中尤其有价值。
• 游戏开发：涉及物理引擎的计算，例如在碰撞后返回游戏对象的新位置和速度。 此优化是确保全球平台上流畅且响应迅速的游戏体验的关键。
• 科学计算：返回多个结果的数值算法，例如矩阵分解的结果或统计分析的输出。 这提高了全球研究人员使用的应用程序的性能。
• 解析：解析数据格式的库，通常需要返回解析后的值以及解析成功或失败的指示。 这会影响所有大洲的开发人员。
• 财务建模：在财务模型中同时计算现值、未来值和内部收益率，供伦敦、纽约和东京等金融中心的专业人士使用。

示例：使用 Rust 和 Wasm 进行图像处理

假设一个 Rust 函数需要执行一个简单的图像过滤器并返回新的图像数据及其尺寸。 通过多值返回，可以有效地处理这种情况：

            
// Rust code using the image crate and multi-value return.
// The image crate is a popular choice among rust developers.
use image::{GenericImageView, DynamicImage};

// Define a struct (optional) to return the data
struct ImageResult {
    data: Vec<u8>,
    width: u32,
    height: u32,
}

#[no_mangle]
pub extern "C" fn apply_grayscale(image_data: *const u8, width: u32, height: u32) -> (*mut u8, u32, u32) {
    // Convert raw image data
    let image = image::load_from_memory_with_format(unsafe { std::slice::from_raw_parts(image_data, (width * height * 4) as usize)}, image::ImageFormat::Png).unwrap();

    // Apply grayscale
    let gray_image = image.to_luma8();

    // Get image data as bytes
    let mut data = gray_image.into_raw();

    // Return data as a raw pointer
    let ptr = data.as_mut_ptr();

    (ptr, width, height)
}

            

              
                Copy
              
            
          

在此示例中，`apply_grayscale` 函数将图像数据和尺寸作为输入。 然后，它处理图像，将其转换为灰度图像，并直接返回处理后的数据、宽度和高度，从而避免了对单独的分配或结构的需求。 这种改进的性能在客户端（浏览器）和服务器端（如果用于提供图像内容的 Web 服务器）上都很明显。

性能基准测试和实际影响

多值返回的优势最好通过基准测试来量化。 性能改进取决于应用程序，但测试通常显示以下趋势：

• 减少内存分配：减少对 `malloc` 或类似内存分配器的调用。
• 更快的执行时间：在返回多个值的函数中显著加速。
• 提高响应速度：受益于更快计算的用户界面会感觉更流畅。

基准测试技术：

• 标准基准测试工具：使用 `wasm-bench` 之类的工具或自定义基准测试套件来测量执行时间。
• 比较实现：将使用多值返回的代码的性能与依赖于返回结构体或使用输出参数的代码的性能进行比较。
• 实际场景：在实际使用场景中测试应用程序以获得优化的全部影响。

实际示例： 像 Google、Mozilla 等公司通过在 Wasm 中利用多值返回，在其 Web 应用程序中看到了显着改进。 这些性能提升带来了更好的用户体验，尤其是在互联网连接速度较慢的地区的用户。

挑战与未来趋势

虽然多值返回提供了显着的改进，但仍有改进和未来发展的空间：

• 编译器支持：改进所有编译为 Wasm 的语言的多值返回的编译器优化和代码生成。
• 调试工具：增强调试工具以更好地支持多值返回代码。 这包括调试输出，以及轻松检查返回值的能力。
• 标准化和采用：不断努力标准化并在不同的 Wasm 运行时和浏览器中完全实现多值返回，以确保在全球所有环境中的兼容性。

未来趋势：

• 与其他 Wasm 功能的集成：多值返回与 Wasm 的其他性能增强功能（例如 SIMD 指令）的集成可以提供更高的效率。
• WebAssembly 系统接口 (WASI)：在 WASI 生态系统中完全支持多值返回，以促进服务器端应用程序。
• 工具改进：开发更好的工具，例如更复杂的调试器和分析器，以帮助开发人员有效地利用和排除多值返回代码的故障。

结论：为全球受众增强功能接口

WebAssembly 的多值返回特性是提高 Web 应用程序的性能和效率的关键一步。 通过允许函数直接返回多个值，开发人员可以编写更简洁、更优化的代码，从而更快地执行。 优点包括减少内存分配、提高执行速度和简化代码。 这对全球受众尤其有益，因为它提高了全球设备和网络上 Web 应用程序的响应速度和性能。

随着编译器支持、标准化以及与其他 Wasm 功能集成的不断进步，多值返回将继续在 Wasm 的发展中发挥核心作用。 开发人员应拥抱此功能，因为它提供了一条创建更快、更高效的应用程序的途径，从而为全球受众提供更好的用户体验。

通过理解和采用多值返回，开发人员可以为他们的 WebAssembly 应用程序释放新的性能水平，从而在全球范围内提供更好的用户体验。

这项技术正在全球范围内被采用，例如：

• 北美洲，谷歌和微软等公司在此进行了大量投资。
• 欧洲，欧盟支持使用 Wasm 的倡议。
• 亚洲，在中国、印度和日本的 Web 和移动应用程序中迅速采用。
• 南美洲，越来越多的开发人员采用 Wasm。
• 非洲，Wasm 正在进军移动优先开发。
• 大洋洲，澳大利亚和新西兰积极参与 Wasm 社区。

这种全球采用突出了 WebAssembly 的重要性，特别是其在各种设备和网络上提供高性能的能力。