WebAssembly GC 集成：为全球运行时提供托管内存和引用计数

WebAssembly (Wasm) 已成为一项突破性技术，使开发人员能够在浏览器及其他环境中以接近原生的速度运行用各种编程语言编写的代码。虽然其初始设计侧重于低级控制和可预测的性能，但垃圾回收 (GC) 的集成标志着一项重大演进。此功能为更广泛的编程语言提供了以 Wasm 作为目标的能力，从而扩展了其在构建高性能、内存安全且面向全球的应用程序方面的潜力。本文深入探讨了 WebAssembly GC 中托管内存和引用计数的概念，探讨了它们的技术基础及其对跨平台软件开发的未来的影响。

WebAssembly 中托管内存的必要性

从历史上看，WebAssembly 在线性内存模型上运行。开发人员或以 Wasm 为目标的编译器负责手动内存管理。这种方法提供了精细的控制和可预测的性能，这对于游戏引擎或科学模拟等性能关键型应用程序至关重要。然而，它也带来了手动内存管理相关的固有风险：内存泄漏、悬空指针和缓冲区溢出。这些问题可能导致应用程序不稳定、安全漏洞以及更复杂的开发过程。

随着 WebAssembly 用例的扩展，对支持依赖自动内存管理的语言的需求日益增长。Java、Python、C# 和 JavaScript 等语言本身就内置了垃圾回收器，它们在编译到内存不安全的 Wasm 环境时面临效率和安全性的挑战。GC 集成到 WebAssembly 规范中解决了这一根本性的限制。

理解 WebAssembly GC

WebAssembly GC 提案引入了一套新的指令和一个结构化的内存模型，允许管理可以通过间接引用的值。这意味着 Wasm 现在可以托管使用堆分配对象并需要自动释放的语言。GC 提案并不规定单一的垃圾回收算法，而是提供一个可以支持各种 GC 实现的框架，包括基于引用计数和跟踪垃圾回收器的实现。

从本质上讲，Wasm GC 允许定义可以放置在堆上的类型。这些类型可以包括具有字段的类似结构的数据结构、类似数组的数据结构以及其他复杂数据类型。重要的是，这些类型可以包含对其他值的引用，从而构成 GC 可以遍历和管理的对象的图的基础。

Wasm GC 中的关键概念：

• 托管类型：引入新类型来表示由 GC 管理的对象。这些类型与现有的原始类型（如整数和浮点数）不同。
• 引用类型：能够将托管对象的引用（指针）存储在其他托管对象中。
• 堆分配：用于在托管堆上分配内存的指令，GC 管理的对象驻留在此。
• GC 操作：用于与 GC 交互的指令，例如创建对象、读/写字段以及向 GC 信号对象使用情况。

引用计数：Wasm 的一个重要 GC 策略

虽然 Wasm GC 规范非常灵活，但引用计数已成为一种特别适合且经常被讨论的集成策略。引用计数是一种内存管理技术，其中每个对象都有一个与其关联的计数器，该计数器指示有多少个引用指向该对象。当该计数器降至零时，表示该对象不再可达，可以安全地释放它。

引用计数的工作原理：

1. 初始化：创建对象时，其引用计数初始化为 1（表示初始引用）。
2. 增量：当创建对对象的引用时（例如，将对象分配给新变量，将其作为参数传递），其引用计数会增加。
3. 减量：当对对象的引用被销毁或不再有效时（例如，变量超出范围，赋值覆盖了引用），对象的引用计数会减少。
4. 释放：如果减量后引用计数达到零，则立即释放对象，并回收其内存。如果对象包含对其他对象的引用，则引用的对象的计数也会减少，这可能会触发级联释放。

引用计数对 Wasm 的优势：

• 可预测的释放：与可能周期性且不可预测地运行的跟踪垃圾回收器不同，引用计数一旦发现内存不可达就会立即释放。这可以带来更确定的性能，这对于实时应用程序和延迟至关重要的系统非常宝贵。
• 实现简单（在某些情况下）：对于某些语言运行时，实现引用计数可能比复杂的跟踪算法更直接，尤其是在处理已经使用某种形式的引用计数的现有语言实现时。
• 无“停止世界”暂停：引用计数通常避免了与某些跟踪 GC 算法相关的长时间“停止世界”暂停，因为释放是增量的。

引用计数面临的挑战：

• 循环引用：简单引用计数的主要缺点是无法处理循环引用。如果对象 A 引用对象 B，而对象 B 又引用对象 A，即使没有外部引用指向这两个对象，它们的引用计数也可能永远不会达到零。这会导致内存泄漏。
• 开销：增加和减少引用计数可能会带来性能开销，尤其是在存在大量短暂引用的情况下。每次赋值或指针操作可能都需要原子增量/减量操作，这可能会很昂贵。
• 并发问题：在多线程环境中，必须对引用计数更新进行原子化以防止竞争条件。这需要使用原子操作，这些操作可能比非原子操作慢。

为了减轻循环引用问题，通常会采用混合方法。这些可能包括周期性跟踪 GC 以清理循环，或诸如弱引用等技术，这些技术不计入对象的引用计数，并且可用于打破循环。WebAssembly GC 提案旨在适应此类混合策略。

托管内存实战：语言工具链与 Wasm

Wasm GC 的集成，特别是对引用计数和其他托管内存范例的支持，对流行的编程语言如何以 WebAssembly 为目标产生了深远的影响。以前受 Wasm 手动内存管理限制的语言工具链现在可以利用 Wasm GC 来生成更具惯用性和更高效的代码。

语言支持示例：

• Java/JVM 语言 (Scala, Kotlin)：在 Java 虚拟机 (JVM) 上运行的语言在很大程度上依赖于复杂的垃圾回收器。借助 Wasm GC，可以与更早的手动内存管理仿真方法相比，以更优越的性能和内存安全性将整个 JVM 运行时和 Java 应用程序移植到 WebAssembly。CheerpJ 等工具以及 JWebAssembly 社区内的持续努力正在探索这些途径。
• C#/.NET：同样，具有强大托管内存系统的 .NET 运行时也可以从 Wasm GC 中受益匪浅。项目旨在将 .NET 应用程序和 Mono 运行时引入 WebAssembly，使更多的 .NET 开发人员能够在 Web 或其他 Wasm 环境中部署他们的应用程序。
• Python/Ruby/PHP：管理内存的解释型语言是 Wasm GC 的主要候选者。将这些语言移植到 Wasm 可以加快脚本执行速度，并使其能够在 JavaScript 执行可能不足或不理想的上下文中运行。通过 Wasm GC 的能力，运行 Python（例如 Pyodide 等库利用 Emscripten，Emscripten 正在不断发展以整合 Wasm GC 功能）和其他动态语言的努力得到了加强。
• Rust：虽然 Rust 的默认内存安全性是通过其所有权和借用系统（编译时检查）实现的，但它也提供了可选的 GC。在可能需要与使用 GC 管理的其他语言集成或利用动态类型的情况下，可以探索 Rust 与 Wasm GC 进行交互甚至采用 Wasm GC 的能力。核心 Wasm GC 提案通常使用与 Rust 的 `Rc`（引用计数指针）和 `Arc`（原子引用计数指针）概念相似的引用类型，从而促进互操作性。

能够将具有原生 GC 功能的语言编译到 WebAssembly，极大地降低了先前方法（例如在 Wasm 的线性内存之上模拟 GC）的复杂性和开销。这带来了：

• 改进的性能：原生 GC 实现通常针对各自的语言进行了高度优化，与模拟解决方案相比，性能更高。
• 减少二进制大小：无需在 Wasm 模块中单独实现 GC，可以减小二进制文件的大小。
• 增强的互操作性：当编译到 Wasm 的不同语言在内存管理方面共享通用理解时，它们之间的无缝交互会更加容易实现。

全球影响与未来展望

GC 集成到 WebAssembly 中不仅仅是一项技术增强；它对软件开发和部署具有深远的全球影响。

1. 推动 Web 及其他领域的高级语言民主化：

对于世界各地的开发人员，尤其是那些习惯于具有自动内存管理的高级语言的开发人员来说，Wasm GC 降低了 WebAssembly 开发的门槛。他们现在可以利用其现有的语言专业知识和生态系统，构建强大的、高性能的应用程序，这些应用程序可以在各种环境中运行，从新兴市场低功耗设备上的 Web 浏览器到复杂的服务器端 Wasm 运行时。

2. 实现跨平台应用程序开发：

随着 WebAssembly 的不断成熟，它越来越多地被用作服务器端应用程序、边缘计算和嵌入式系统的通用编译目标。Wasm GC 允许使用托管语言创建单个代码库，该代码库无需重大修改即可部署到这些多样化的平台。这对于力求提高开发效率和跨各种操作上下文进行代码复用的全球公司来说是无价的。

3. 促进更丰富的 Web 生态系统：

能够在浏览器中运行 Python、Java 或 C# 等语言编写的复杂应用程序，为 Web 应用程序开辟了新的可能性。想象一下，复杂的 数据分析工具、功能丰富的 IDE 或复杂的科学可视化平台直接在用户的浏览器中运行，无论其操作系统或设备硬件如何，所有这些都由 Wasm GC 提供支持。

4. 增强安全性和稳健性：

托管内存本身就能显著降低导致安全漏洞的常见内存安全错误的风险。通过为更广泛的语言提供标准化的内存处理方式，Wasm GC 有助于在全球范围内构建更安全、更稳健的应用程序。

5. Wasm 中引用计数的发展：

WebAssembly 规范是一项活跃的标准，正在进行的讨论侧重于完善 GC 支持。未来的发展可能包括处理循环的更复杂机制、优化引用计数操作以提高性能，以及确保使用不同 GC 策略甚至不使用 GC 的 Wasm 模块之间的无缝互操作性。对引用计数的关注及其确定的属性，使 Wasm 成为全球各种性能敏感的嵌入式和服务器端应用程序的有力竞争者。

结论

垃圾回收的集成，以引用计数作为关键支持机制，代表了 WebAssembly 的一个关键进展。它为全球开发人员提供了 WebAssembly 生态系统的访问权限，使更广泛的编程语言能够高效且安全地进行编译。这一演进为在 Web、云和边缘运行更复杂、更高效、更安全的应用程序铺平了道路。随着 Wasm GC 标准的成熟和语言工具链的不断采用，我们可以预见利用这项通用运行时技术的全部潜力的创新应用程序激增。通过引用计数等机制有效且安全地管理内存的能力，对于构建下一代全球软件至关重要，而 WebAssembly 现在已为此做好充分准备。