WebAssembly WASI Preview 3：云原生及其他领域的系统调用接口革命

WebAssembly (Wasm) 已迅速从一种以浏览器为中心的技术发展成为用于服务器端应用程序、云原生服务、边缘计算甚至桌面环境的强大运行时。这种扩展的核心是 WebAssembly 系统接口 (WASI)，这是一个不断发展的标准，它定义了 Wasm 模块如何与底层操作系统交互。WASI Preview 3 的最新进展代表着一个重要的飞跃，它引入了一个更强大、更可预测且功能丰富的系统调用接口，有望释放全球可移植和安全计算的更大潜力。

WASI 的起源：弥合 Wasm 和系统之间的差距

WebAssembly 最初是为 Web 浏览器设计的，其沙盒性质、固有的安全性和可移植性使其成为非浏览器环境的有吸引力的候选者。然而，为了在浏览器之外真正发挥作用，Wasm 模块需要一种标准化的方式来执行系统级操作，例如文件 I/O、网络访问和环境变量检索。这正是 WASI 介入的地方。WASI 旨在提供一致的、基于能力的 API，允许 Wasm 模块以安全和受控的方式与主机系统交互，而不管底层操作系统或硬件架构如何。

为什么选择 WASI？主要动机和设计原则

• 可移植性：WebAssembly 的核心承诺是“随处运行”。WASI 将此扩展到系统交互，确保编译为特定 WASI 目标的 Wasm 模块可以在任何符合 WASI 的运行时上运行而无需修改。这对于在不同环境中进行软件分发和部署来说是一个改变游戏规则的因素。
• 安全性：WASI 基于能力的安全性模型至关重要。WASI 接口不是授予广泛的权限，而是授予特定的、细粒度的能力（例如，从特定目录读取或打开特定网络套接字的能力）。与传统的执行模型相比，这大大减少了攻击面。
• 互操作性：WASI 为不同的编程语言和运行时交互提供了共同的基础。编译为 Wasm 的 C++ 应用程序可以通过 WASI 接口与 Rust 模块或 Go 模块无缝交互，从而培养更统一的开发生态系统。
• 效率：WebAssembly 旨在快速高效。通过标准化系统调用，WASI 旨在最大限度地减少与传统环境中进程间通信或系统调用相关的开销，尤其是在 Wasmtime 或 Wasmer 等优化的 Wasm 运行时中执行时。

向 Preview 3 的演进：解决限制并扩展功能

WASI Preview 3 的历程是迭代的，它建立在早期规范（最著名的是 WASI Preview 1）奠定的基础上。虽然 Preview 1 引入了基本概念和一组核心 API，但它存在某些限制，阻碍了它在更复杂用例中的采用，尤其是在服务器端和云原生场景中。Preview 3 旨在通过改进现有 API 并引入新的 API 来解决这些问题，重点是稳定性、清晰性和更广泛的适用性。

WASI Preview 3 中的主要增强功能

WASI Preview 3 不是一个单一的整体性变更，而是一系列相互关联的提案和改进，它们共同增强了系统调用接口。虽然确切的结构和命名约定仍在不断巩固，但核心主题围绕着为 Wasm 模块提供一种更全面和惯用的方式来与主机系统交互。以下是一些最重要的改进领域：

1. 网络访问和 HTTP 支持

早期 WASI 版本中服务器端开发的最大限制之一是缺乏强大的网络功能。Preview 3 在这方面取得了实质性进展，尤其是在 HTTP 服务器和客户端提案的开发中。这些旨在为 Wasm 模块提供一种标准化方式来处理传入的 HTTP 请求并发出传出的 HTTP 调用。

• HTTP 服务器 API：此提案定义了 Wasm 运行时将传入的 HTTP 请求公开给 Wasm 模块的接口。这对于完全在 WebAssembly 中构建 Web 服务器、API 网关和微服务至关重要。开发人员可以为特定路由编写处理程序、处理请求标头和正文，并发送回 HTTP 响应。这允许创建真正可移植的 Web 应用程序，这些应用程序可以在任何符合 WASI 的运行时上运行，无论是云提供商、边缘设备还是本地开发服务器。
• HTTP 客户端 API：作为服务器 API 的补充，客户端 API 允许 Wasm 模块发起出站 HTTP 请求。这对于与外部服务集成、从 API 获取数据以及构建相互通信的微服务至关重要。该 API 旨在高效且安全，允许对请求参数和响应处理进行细粒度控制。
• 网络功能（通用）：除了 HTTP 之外，还在不断努力标准化较低级别的网络原语，例如套接字编程 (TCP/UDP)。虽然这些可能不是最初的 Preview 3 版本的首要关注点，但它们对于构建更复杂的网络应用程序并确保与现有网络协议的广泛兼容性至关重要。

示例：想象一下使用 Rust 和 WebAssembly 构建一个无服务器 API 端点。借助 WASI Preview 3 的 HTTP 服务器功能，您的 Rust Wasm 模块可以侦听传入的请求、解析 JSON 有效负载、与数据库交互（通过另一个 WASI 接口或主机提供的函数）并返回 JSON 响应，所有这些都在安全的 Wasm 沙箱中。然后，此应用程序可以跨各种云平台进行部署而无需修改，从而受益于一致的 WASI 接口。

2. 文件系统访问增强

虽然 WASI Preview 1 通过 wasi-filesystem 组件包含了基本的文件系统访问，但 Preview 3 旨在改进和扩展这些功能，以更好地与现代文件系统操作保持一致并提供更精细的控制。

• 目录流：改进了迭代目录内容的机制，允许 Wasm 模块有效地列出文件和子目录。
• 文件元数据：标准化了访问文件元数据的方式，例如权限、时间戳和大小。
• 异步 I/O：虽然仍是一个活跃的开发领域，但越来越强调支持异步文件 I/O 操作，以防止阻塞 Wasm 运行时并提高整体性能，尤其是在 I/O 密集型应用程序中。

示例：用 Go 编写并编译为 Wasm 的数据处理应用程序可能需要从特定目录读取多个配置文件。WASI Preview 3 增强的文件系统 API 将允许它安全有效地列出文件、读取其内容并对其进行处理，同时遵守 Wasm 运行时已授予其访问权限的特定目录。

3. 时钟和计时器

准确的计时和安排操作的能力对于许多应用程序至关重要。Preview 3 阐明并标准化了访问系统时钟和设置计时器的接口。

• 单调时钟：提供对保证始终增加的时钟的访问，适用于测量时间间隔和检测性能回归。
• 挂钟时间：允许访问当前日期和时间，可用于日志记录、计划和面向用户的功能。
• 计时器：使 Wasm 模块能够在指定的延迟后安排异步事件或回调，这对于构建响应式应用程序和实施超时至关重要。

示例：Wasm 中的后台工作进程可以使用计时器接口定期检查更新或执行计划的维护任务。它还可以使用单调时钟来测量模块中关键操作的持续时间。

4. 环境变量和参数

访问环境变量和命令行参数是配置应用程序的常见要求。Preview 3 巩固了这些接口，使 Wasm 模块在运行时更容易动态配置。

• 环境变量：提供了一种安全的方式来读取主机运行时已显式传递给 Wasm 模块的环境变量。
• 命令行参数：允许 Wasm 模块访问主机调用它们时传递给它们的参数。

示例：一个基于 Wasm 的实用程序，需要数据库连接字符串，可以从容器编排器设置的环境变量或用户提供的命令行参数中读取此字符串，从而使 Wasm 模块高度可配置而无需重新编译。

5. 标准化错误处理和能力

除了特定的功能 API 之外，Preview 3 还侧重于改进 WASI 的总体设计原则，包括错误处理和基于能力的安全性模型。

• 更清晰的错误报告：正在努力从 WASI 系统调用中提供更标准化和信息丰富的错误代码和消息，从而使 Wasm 模块中的调试和错误处理更加简单。
• 改进的能力管理：基于能力的模型正在迭代，以确保它对于复杂的应用程序来说足够强大，并且易于运行时实现和管理。这包括探索安全地在 Wasm 模块之间传递能力的方法。

WASI Preview 3 对不同计算范例的影响

WASI Preview 3 中的增强功能对各种计算领域具有深远的影响：

云原生和无服务器计算

这可以说是 WASI Preview 3 将产生最直接和最深刻影响的地方。通过提供强大的 HTTP 支持和增强的文件 I/O，启用 WASI 的 Wasm 模块正在成为构建微服务、API 和无服务器函数的一流公民。

• 减少冷启动：与传统的容器或 VM 相比，Wasm 运行时通常具有显着更快的冷启动时间，这是无服务器应用程序的关键优势。
• 增强的安全性：Wasm 和 WASI 固有的沙盒和基于能力的安全性对于多租户云环境非常有吸引力，从而降低了一个工作负载影响另一个工作负载的风险。
• 语言多样性：开发人员可以利用他们首选的语言（Rust、Go、C++、AssemblyScript 等）来构建编译为 Wasm 的云原生服务，从而提高开发人员的选择和生产力。
• 跨云提供商的可移植性：理论上，使用 WASI 构建的 Wasm 微服务可以在提供符合 WASI 的运行时的任何云提供商上运行，从而减少供应商锁定。

边缘计算

边缘设备通常具有有限的资源和独特的网络约束。WASI 的轻量级特性和可预测的性能使其成为边缘部署的理想选择。

• 资源效率：Wasm 模块消耗的资源比传统容器少，使其适合资源受限的边缘设备。
• 安全远程更新：安全地远程部署和更新 Wasm 模块的能力是管理边缘设备群的重要优势。
• 边缘和云之间的一致逻辑：开发人员可以在 Wasm 中编写一次逻辑，并将其从云一致地部署到边缘，从而简化开发和维护。

桌面应用程序和插件系统

虽然浏览器仍然是一个关键目标，但 WASI 为 Wasm 打开了 Web 之外的大门。桌面应用程序可以利用 Wasm 来实现插件架构或安全地运行不受信任的代码。

• 安全插件架构：编辑器或 IDE 等应用程序可以使用 Wasm 模块作为插件，从而为第三方扩展提供安全且沙盒化的环境。
• 跨平台应用程序：Wasm 应用程序，通过 WASI，可以提供一种更标准化的方式来构建跨平台桌面应用程序，尽管特定于平台的 UI/UX 可能仍然需要本机代码。

嵌入式系统

对于更高级的嵌入式系统，WASI 对硬件和系统资源的受控交互可能是有益的，尤其是在与具有 WASI 运行时实现的实时操作系统 (RTOS) 结合使用时。

挑战和前进方向

尽管取得了巨大进展，但 WASI 生态系统仍在成熟。存在一些挑战和需要持续开发的领域：

• 标准化步伐：虽然 WASI Preview 3 是一个重要的步骤，但 WASI 标准本身仍在不断发展。对于开发人员来说，跟上最新的提案并确保跨不同运行时的兼容性可能是一个挑战。
• 运行时实现：WASI 实现的质量和功能完整性可能因 Wasmtime、Wasmer 等运行时而异。开发人员需要选择最能支持他们所依赖的 WASI 接口的运行时。
• 工具和调试：虽然工具正在迅速改进，但使用 WASI 进行 Wasm 的开发体验，包括调试和分析，仍然是一个正在取得重大进展的领域。
• 与现有系统的互操作性：将 Wasm 模块与现有的非 Wasm 代码库和遗留系统无缝集成需要定义明确的接口和仔细的架构规划。
• 系统资源和能力：平衡 Wasm 模块执行有用的系统操作的需求与 WASI 的安全模型是一个持续的挑战。定义精确的能力集以及如何管理它们将继续得到改进。

WASI 的未来：迈向通用计算

WASI Preview 3 是一个重要的里程碑，但它是使 WebAssembly 成为真正通用运行时的更大愿景的一部分。WASI 的未来迭代预计将包括：

• 更复杂的网络：支持更高级的网络协议和配置。
• 图形和 UI：虽然不是核心重点，但正在探索 Wasm 如何与图形库和 UI 框架交互，可能用于桌面或嵌入式用例。
• 进程管理：标准化在 Wasm 环境中生成和管理子进程或线程的方式。
• 硬件交互：更直接但安全的方式与特定硬件功能交互，这对于物联网和嵌入式系统尤其重要。

结论：拥抱 WASI Preview 3 的未来

WebAssembly 系统接口 (WASI) Preview 3 标志着 WebAssembly 的一次关键演进，使其成为适用于各种计算任务的强大、安全和可移植的解决方案，远远超出了浏览器。增强的系统调用接口，尤其是在网络、文件系统访问和时钟管理方面的进步，有望加速 Wasm 在全球云原生、无服务器和边缘计算环境中的采用。

对于全球的开发人员和组织而言，理解和采用 WASI Preview 3 提供了一条构建更具弹性、安全和互操作性的应用程序的途径。“一次编写，随处运行”的承诺正在成为系统级编程的切实现实，从而在不同的技术领域中促进创新和效率。

采用 WASI Preview 3 的主要要点：

• 探索 Wasm 运行时：熟悉领先的符合 WASI 的运行时，如 Wasmtime 和 Wasmer。
• 利用语言工具链：调查您首选的编程语言如何使用 WASI 支持编译为 Wasm。
• 了解基于能力的安全性：在设计 Wasm 应用程序时，请牢记 WASI 的安全模型。
• 从无服务器/微服务开始：这些是从 Preview 3 的增强功能中受益最多的直接用例。
• 保持更新：WASI 规范是一个不断变化的目标；请随时了解最新的发展和提案。

WebAssembly 作为通用运行时的时代已经来临，而 WASI Preview 3 是朝着这个方向迈出的重要一步。