WebAssembly 引用类型：对象引用与 GC 集成

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。最初专注于线性内存和数字类型，WebAssembly 的能力正在不断扩展。一个重大的进步是引入了引用类型，特别是对象引用及其与垃圾回收 (GC) 的集成。本博客文章将深入探讨 WebAssembly 引用类型的复杂性，探索其优势、挑战以及对 Web 及未来发展的影响。

什么是 WebAssembly 引用类型？

引用类型代表了 WebAssembly 发展过程中的关键一步。在其引入之前，Wasm 与 JavaScript（以及其他语言）的交互仅限于传输原始数据类型（数字、布尔值）和访问需要手动内存管理的线性内存。引用类型允许 WebAssembly 直接持有和操作由宿主环境垃圾回收器管理的对象引用。这极大地简化了互操作性，并为构建复杂应用程序开辟了新的可能性。

本质上，引用类型允许 WebAssembly 模块：

• 存储对 JavaScript 对象的引用。
• 在 Wasm 函数和 JavaScript 之间传递这些引用。
• 直接与对象的属性和方法交互（尽管有一些限制——详见下文）。

WebAssembly 中需要垃圾回收 (GC) 的原因

传统的 WebAssembly 要求开发者手动管理内存，类似于 C 或 C++ 等语言。虽然这提供了精细的控制，但也引入了内存泄漏、悬垂指针和其他内存相关错误的风险，显著增加了开发复杂性，特别是对于大型应用程序。此外，手动内存管理可能因 malloc/free 操作的开销和内存分配器的复杂性而影响性能。 垃圾回收自动化了内存管理。GC 算法识别并回收程序不再使用的内存。这简化了开发，降低了内存错误的风险，并且在许多情况下可以提高性能。将 GC 集成到 WebAssembly 中，使得开发者可以更有效地在 WebAssembly 生态系统中使用像 Java、C#、Kotlin 等依赖垃圾回收的语言。

对象引用：弥合 Wasm 与 JavaScript 之间的鸿沟

对象引用是一种特殊的引用类型，它允许 WebAssembly 直接与宿主环境 GC 管理的对象交互，在 Web 浏览器中主要指 JavaScript 对象。这意味着 WebAssembly 模块现在可以持有一个 JavaScript 对象的引用，例如 DOM 元素、数组或自定义对象。然后，该模块可以将此引用传递给其他 WebAssembly 函数或传回给 JavaScript。

以下是对象引用的几个关键方面：

1. `externref` 类型

`externref` 类型是 WebAssembly 中对象引用的基本构建块。它代表对外部环境（例如 JavaScript）管理对象的引用。可以把它看作是 JavaScript 对象的一个通用“句柄”。它被声明为一种 WebAssembly 类型，允许用作函数参数、返回值和局部变量的类型。

示例（假设的 WebAssembly 文本格式）：

            (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
              
            
          

在这个例子中，`$get_element` 导入了一个返回 `externref`（推测是对 DOM 元素的引用）的 JavaScript 函数。然后 `$use_element` 函数调用 `$get_element`，将返回的引用存储在 `$element` 局部变量中，然后调用另一个 JavaScript 函数 `$set_property` 来设置该元素的属性。

2. 导入和导出引用

WebAssembly 模块可以导入接受或返回 `externref` 类型的 JavaScript 函数。这使得 JavaScript 可以将对象传递给 Wasm，Wasm 也可以将对象传回给 JavaScript。同样，Wasm 模块可以导出使用 `externref` 类型的函数，使 JavaScript 能够调用这些函数并与 Wasm 管理的对象进行交互。

示例 (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
              
            
          

这段 JavaScript 代码定义了 `importObject`，它为导入的函数 `get_element` 和 `set_property` 提供了 JavaScript 实现。`get_element` 函数返回对一个 DOM 元素的引用，而 `set_property` 函数根据提供的坐标修改元素的样式。

3. 类型断言

虽然 `externref` 提供了一种处理对象引用的方式，但它在 WebAssembly 内部不提供任何类型安全。为了解决这个问题，WebAssembly 的 GC 提案包含了类型断言的指令。这些指令允许 Wasm 代码在运行时检查 `externref` 的类型，以确保在对其执行操作之前它是预期的类型。

没有类型断言，Wasm 模块可能会尝试访问一个 `externref` 上不存在的属性，从而导致错误。类型断言提供了一种机制来防止此类错误，并确保应用程序的安全性和完整性。

WebAssembly 的垃圾回收 (GC) 提案

WebAssembly GC 提案旨在为 WebAssembly 模块提供一种标准化的内部使用垃圾回收的方式。这使得像 Java、C# 和 Kotlin 等严重依赖 GC 的语言能够更有效地编译到 WebAssembly。当前的提案包括几个关键特性：

1. GC 类型

GC 提案引入了专为垃圾回收对象设计的新类型。这些类型包括：

• `struct`: 表示一个带有命名宇段的结构（记录），类似于 C 中的结构体或 Java 中的类。
• `array`: 表示一个特定类型的动态大小数组。
• `i31ref`: 一个特殊类型，表示一个 31 位整数，同时也是一个 GC 对象。这允许在 GC 堆中高效地表示小整数。
• `anyref`: 所有 GC 类型的超类型，类似于 Java 中的 `Object`。
• `eqref`: 对具有可变字段的结构的引用。

这些类型允许 WebAssembly 定义可以由 GC 管理的复杂数据结构，从而实现更复杂的应用程序。

2. GC 指令

GC 提案引入了一组用于处理 GC 对象的新指令。这些指令包括：

• `gc.new`: 分配一个指定类型的新 GC 对象。
• `gc.get`: 从 GC 结构中读取一个字段。
• `gc.set`: 向 GC 结构中写入一个字段。
• `gc.array.new`: 分配一个指定类型和大小的新 GC 数组。
• `gc.array.get`: 从 GC 数组中读取一个元素。
• `gc.array.set`: 向 GC 数组中写入一个元素。
• `gc.ref.cast`: 对 GC 引用执行类型转换。
• `gc.ref.test`: 检查一个 GC 引用是否为特定类型，而不抛出异常。

这些指令为在 WebAssembly 模块内创建、操作和交互 GC 对象提供了必要的工具。

3. 与宿主环境的集成

WebAssembly GC 提案的一个关键方面是它与宿主环境 GC 的集成。这允许 WebAssembly 模块与宿主环境管理的对象（例如 Web 浏览器中的 JavaScript 对象）进行高效交互。如前所述，`externref` 类型在这种集成中扮演着至关重要的角色。

GC 提案旨在与现有的垃圾回收器无缝协作，让 WebAssembly 能够利用现有的内存管理基础设施。这避免了 WebAssembly 需要实现自己的垃圾回收器，那会增加显著的开销和复杂性。

WebAssembly 引用类型和 GC 集成的好处

在 WebAssembly 中引入引用类型和 GC 集成带来了诸多好处：

1. 改进与 JavaScript 的互操作性

引用类型显著改善了 WebAssembly 和 JavaScript 之间的互操作性。直接在 Wasm 和 JavaScript 之间传递对象引用，无需复杂的序列化和反序列化机制，而这些机制通常是性能瓶颈。这使得开发者能够构建更无缝、更高效的应用程序，充分利用这两种技术的优势。例如，一个用 Rust 编写并编译到 WebAssembly 的计算密集型任务可以直接操作由 JavaScript 提供的 DOM 元素，从而提高 Web 应用程序的性能。

2. 简化开发

通过自动化内存管理，垃圾回收简化了开发过程，并降低了内存相关错误的风险。开发者可以专注于编写应用程序逻辑，而不用担心手动内存分配和释放。这对于大型复杂项目尤其有益，因为在这些项目中，内存管理可能是一个主要的错误来源。

3. 增强性能

在许多情况下，与手动内存管理相比，垃圾回收可以提高性能。GC 算法通常经过高度优化，能够有效地管理内存使用。此外，GC 与宿主环境的集成允许 WebAssembly 利用现有的内存管理基础设施，避免了实现自己的垃圾回收器所带来的开销。

例如，考虑一个用 C# 编写并编译到 WebAssembly 的游戏引擎。垃圾回收器可以自动管理游戏对象使用的内存，在不再需要时释放资源。与手动管理这些对象的内存相比，这可以带来更流畅的游戏体验和更高的性能。

4. 支持更广泛的语言

GC 集成使得依赖垃圾回收的语言，如 Java、C#、Kotlin 和 Go（及其 GC），能够更有效地编译到 WebAssembly。这为在 Web 开发和其他基于 WebAssembly 的环境中使用这些语言开辟了新的可能性。例如，开发者现在可以将现有的 Java 应用程序编译到 WebAssembly 并在 Web 浏览器中运行，而无需进行重大修改，从而扩大了这些应用程序的覆盖范围。

5. 代码可重用性

将 C# 和 Java 等语言编译到 WebAssembly 的能力实现了跨不同平台的代码重用。开发者可以一次编写代码，然后将其部署到 Web、服务器和移动设备上，从而降低开发成本并提高效率。这对于需要用单一代码库支持多个平台的组织来说尤其有价值。

挑战与注意事项

虽然引用类型和 GC 集成带来了显著的好处，但也有一些挑战和注意事项需要牢记：

1. 性能开销

垃圾回收会引入一些性能开销。GC 算法需要定期扫描内存以识别和回收未使用的对象，这会消耗 CPU 资源。GC 的性能影响取决于所使用的具体 GC 算法、堆的大小以及垃圾回收周期的频率。开发者需要仔细调整 GC 参数，以最小化性能开销并确保最佳的应用程序性能。不同的 GC 算法（例如，分代回收、标记-清除）具有不同的性能特征，算法的选择取决于具体的应用需求。

2. 确定性行为

垃圾回收本质上是非确定性的。垃圾回收周期的时机是不可预测的，并且可能因内存压力和系统负载等因素而异。这使得编写需要精确定时或确定性行为的代码变得困难。在某些情况下，开发者可能需要使用对象池或手动内存管理等技术来达到所需的确定性水平。这在实时应用程序中尤为重要，例如游戏或模拟，其中可预测的性能至关重要。

3. 安全考虑

虽然 WebAssembly 提供了一个安全的执行环境，但引用类型和 GC 集成引入了新的安全考虑。仔细验证对象引用并执行类型断言至关重要，以防止恶意代码以意想不到的方式访问或操纵对象。安全审计和代码审查对于识别和解决潜在的安全漏洞至关重要。例如，如果未执行适当的类型检查和验证，恶意 WebAssembly 模块可能会尝试访问存储在 JavaScript 对象中的敏感数据。

4. 语言支持和工具链

引用类型和 GC 集成的采用取决于语言支持和工具链的可用性。编译器和工具链需要更新以支持新的 WebAssembly 特性。开发者需要能够访问提供用于处理 GC 对象的高级抽象的库和框架。开发全面的工具和语言支持对于这些功能的广泛采用至关重要。例如，LLVM 项目需要更新，以便为 C++ 等语言正确地针对 WebAssembly GC 进行编译。

实际示例与用例

以下是 WebAssembly 引用类型和 GC 集成的一些实际示例和用例：

1. 具有复杂 UI 的 Web 应用程序

WebAssembly 可用于构建需要高性能的具有复杂 UI 的 Web 应用程序。引用类型允许 WebAssembly 模块直接操作 DOM 元素，从而提高 UI 的响应性和流畅度。例如，一个 WebAssembly 模块可用于实现一个自定义 UI 组件，该组件渲染复杂图形或执行计算密集型的布局计算。这使得开发者能够构建更复杂、性能更高的 Web 应用程序。

2. 游戏与模拟

WebAssembly 是开发游戏和模拟的绝佳平台。GC 集成简化了内存管理，让开发者能够专注于游戏逻辑，而不是内存分配和释放。这可以带来更快的开发周期和更好的游戏性能。像 Unity 和 Unreal Engine 这样的游戏引擎正在积极探索将 WebAssembly 作为目标平台，而 GC 集成对于将这些引擎引入 Web 至关重要。

3. 服务器端应用程序

WebAssembly 不仅限于 Web 浏览器。它也可以用来构建服务器端应用程序。GC 集成允许开发者使用像 Java 和 C# 这样的语言来构建在 WebAssembly 运行时上运行的高性能服务器端应用程序。这为在云计算和其他服务器端环境中使用 WebAssembly 开辟了新的可能性。Wasmtime 和其他服务器端 WebAssembly 运行时正在积极探索对 GC 的支持。

4. 跨平台移动开发

WebAssembly 可用于构建跨平台移动应用程序。通过将代码编译到 WebAssembly，开发者可以创建在 iOS 和 Android 平台上都能运行的应用程序。GC 集成简化了内存管理，并允许开发者使用像 C# 和 Kotlin 这样的语言来构建针对 WebAssembly 的移动应用程序。像 .NET MAUI 这样的框架正在探索将 WebAssembly 作为构建跨平台移动应用程序的目标。

WebAssembly 与 GC 的未来

WebAssembly 的引用类型和 GC 集成是使其成为一个真正通用的代码执行平台的重要一步。随着语言支持和工具的成熟，我们可以期待看到这些功能被更广泛地采用，以及越来越多基于 WebAssembly 构建的应用程序。WebAssembly 的未来是光明的，而 GC 集成将在其持续成功中扮演关键角色。

进一步的开发正在进行中。WebAssembly 社区继续完善 GC 提案，解决边缘情况并优化性能。未来的扩展可能包括对更高级 GC 功能的支持，例如并发垃圾回收和分代垃圾回收。这些进步将进一步增强 WebAssembly 的性能和能力。

结论

WebAssembly 引用类型（特别是对象引用）和 GC 集成是 WebAssembly 生态系统的强大补充。它们弥合了 Wasm 和 JavaScript 之间的鸿沟，简化了开发，增强了性能，并使得更广泛的编程语言得以使用。虽然存在需要考虑的挑战，但这些功能的好处是不可否认的。随着 WebAssembly 的不断发展，引用类型和 GC 集成将在塑造 Web 开发及未来的过程中扮演越来越重要的角色。拥抱这些新功能，探索它们为构建创新和高性能应用程序所开启的可能性。