WebAssembly GC 集成：理解托管内存和引用计数

WebAssembly (Wasm) 已迅速从 C++ 和 Rust 等语言的编译目标演变为运行各种应用程序的强大平台，涵盖 Web 及其他领域。这一演进的关键方面是 WebAssembly 垃圾回收 (GC) 集成的出现。此功能解锁了运行更复杂、依赖自动内存管理的更高级语言的能力，显著扩展了 Wasm 的应用范围。

对于全球开发者而言，理解 Wasm 如何处理托管内存以及引用计数等技术的作用至关重要。本文将深入探讨 WebAssembly GC 集成的核心概念、优势、挑战和未来影响，为全球开发社区提供全面的概述。

WebAssembly 中垃圾回收的必要性

传统上，WebAssembly 专注于低级执行，通常编译手动内存管理（如 C/C++）或具有更简单内存模型的语言。然而，随着 Wasm 扩展到支持 Java、C#、Python 甚至现代 JavaScript 框架等语言的雄心，手动内存管理的局限性变得显而易见。

这些高级语言通常依赖垃圾回收器 (GC) 来自动管理内存的分配和释放。没有 GC，将这些语言引入 Wasm 将需要显著的运行时开销、复杂的移植工作，或限制其表达能力。向 WebAssembly 规范引入 GC 支持直接满足了这一需求，从而实现：

• 更广泛的语言支持： 有助于高效编译和执行本身依赖 GC 的语言。
• 简化开发： 使用支持 GC 的语言编写的开发人员无需担心手动内存管理，从而减少错误并提高生产力。
• 增强可移植性： 使将 Java、C# 或 Python 等语言编写的整个应用程序和运行时移植到 WebAssembly 更加容易。
• 提高安全性： 自动内存管理有助于防止常见的内存相关漏洞，如缓冲区溢出和使用已释放内存的错误。

理解 Wasm 中的托管内存

托管内存是指由运行时系统（通常是垃圾回收器）自动分配和释放的内存。在 WebAssembly 的上下文中，这意味着 Wasm 运行时环境与宿主环境（例如，Web 浏览器或独立的 Wasm 运行时）一起负责管理对象的生命周期。

当支持 GC 的语言运行时被编译到 Wasm 时，它会引入自己的内存管理策略。WebAssembly GC 提案定义了一组新的指令和类型，允许 Wasm 模块与托管堆进行交互。此托管堆是具有 GC 语义的对象所在的位置。核心思想是为 Wasm 模块提供一种标准化的方式来：

• 在托管堆上分配对象。
• 在这些对象之间创建引用。
• 在对象不再可达时通知运行时。

GC 提案的作用

WebAssembly GC 提案是一项重要的工作，它扩展了核心 Wasm 规范。它引入了：

• 新类型： 引入了 funcref、externref 和 eqref 等类型来表示 Wasm 模块内的引用，并且重要的是，引入了 gcref 类型用于堆对象。
• 新指令： 用于分配对象、读写对象字段以及处理空引用的指令。
• 与宿主对象集成： 允许 Wasm 模块持有对宿主对象（例如 JavaScript 对象）的引用的机制，以及宿主环境持有对 Wasm 对象的引用的机制，所有这些都由 GC 管理。

此提案旨在与语言无关，这意味着它提供了一个各种基于 GC 的语言都可以利用的基础。它不规定特定的 GC 算法，而是规定 Wasm 中 GC'd 对象的接口和语义。

引用计数：一种关键的 GC 策略

在各种垃圾回收算法中，引用计数是一种简单且广泛使用的技术。在引用计数系统中，每个对象都维护一个指向它的引用的数量。当此计数降至零时，表示该对象不再可访问，可以安全地释放。

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（因为它是第一个创建它的指针）。
2. 引用赋值： 创建对象的新引用时（例如，将指针分配给另一个变量），对象的引用计数会增加。
3. 引用解除： 当对对象的引用被销毁或不再指向它时（例如，变量超出作用域或被重新分配），对象的引用计数会减少。
4. 释放： 如果在递减后，对象的引用计数变为零，则该对象被视为不可达，并立即释放。其内存被回收。

引用计数的优点

• 简单性： 概念上易于理解和实现。
• 确定性释放： 对象一旦变得不可访问就会被释放，与某些跟踪垃圾回收器相比，这可以导致更可预测的内存使用和更少的暂停。
• 增量式： 释放工作随着引用的变化而分散在整个过程中，避免了大型、破坏性的收集周期。

引用计数的挑战

尽管有其优点，引用计数并非没有挑战：

• 循环引用： 最显著的缺点。如果两个或多个对象相互引用形成一个循环，即使整个循环从程序的其余部分不可访问，它们的引用计数也永远不会降至零。这会导致内存泄漏。
• 开销： 在每次指针赋值时增加和减少引用计数可能会带来性能开销。
• 线程安全： 在多线程环境中，更新引用计数需要原子操作，这可能会增加额外的性能成本。

WebAssembly 对 GC 和引用计数的处理方式

WebAssembly GC 提案不强制要求单一的 GC 算法。相反，它提供了各种 GC 策略的构建块，包括引用计数、标记-清除、分代收集等。目标是允许编译到 Wasm 的语言运行时利用其首选的 GC 机制。

对于原生使用引用计数（或混合方法）的语言，可以直接利用 Wasm 的 GC 集成。但是，循环引用的挑战仍然存在。为了解决这个问题，编译到 Wasm 的运行时可能会：

• 实现循环检测： 通过周期性或按需跟踪机制补充引用计数，以检测和打破循环引用。这通常被称为混合方法。
• 使用弱引用： 使用弱引用，它们不会计入对象的引用计数。如果循环中的一个引用是弱引用，则可以打破循环。
• 利用宿主 GC： 在 Web 浏览器等环境中，Wasm 模块可以与宿主的垃圾回收器进行交互。例如，由 Wasm 引用的 JavaScript 对象可以由浏览器的 JavaScript GC 进行管理。

Wasm GC 规范定义了 Wasm 模块如何创建和管理堆对象的引用，包括对宿主环境（externref）的值的引用。当 Wasm 持有对 JavaScript 对象的引用时，浏览器 GC 负责使该对象保持活动状态。反之，如果 JavaScript 持有对 Wasm GC 管理的 Wasm 对象的引用，则 Wasm 运行时必须确保 Wasm 对象不会被过早回收。

示例场景：Wasm 中的 .NET 运行时

考虑将 .NET 运行时编译到 WebAssembly。 .NET 使用复杂的垃圾回收器，通常是分代标记-清除回收器。但是，它还管理与本机代码和 COM 对象的互操作，这些对象通常依赖于引用计数（例如，通过 ReleaseComObject）。

当 .NET 在支持 GC 集成的 Wasm 中运行时：

• 驻留在托管堆上的 .NET 对象将由 .NET GC 管理，该 GC 与 Wasm 的 GC 原始类型进行交互。
• 如果 .NET 运行时需要与宿主对象（例如 JavaScript DOM 元素）进行交互，它将使用 externref 来持有引用。然后，这些宿主对象的管理将委托给宿主的 GC（例如，浏览器的 JavaScript GC）。
• 如果 .NET 代码在 Wasm 中使用 COM 对象，.NET 运行时需要适当管理这些对象的引用计数，确保正确地增加和减少，并在 .NET 对象间接引用一个 COM 对象，然后该 COM 对象又引用 .NET 对象时，可能需要使用循环检测。

这突显了 Wasm GC 提案如何充当一个统一层，允许不同的语言运行时插入到标准化的 GC 接口中，同时保留其底层的内存管理策略。

实际影响和用例

GC 集成到 WebAssembly 中为全球开发者开辟了广阔的可能性：

1. 直接运行高级语言

Python、Ruby、Java 和 .NET 语言等现在可以更高效、更忠实地编译和运行在 Wasm 中。这使得开发者能够利用其现有的代码库和生态系统在浏览器或其他 Wasm 环境中。

• 前端的 Python/Django： 想象一下直接在浏览器中运行您的 Python Web 框架逻辑，将计算从服务器分载。
• Wasm 中的 Java/JVM 应用程序： 将企业级 Java 应用程序移植到客户端运行，可能用于浏览器中丰富的桌面级体验。
• .NET Core 应用程序： 完全在浏览器中运行 .NET 应用程序，无需单独的客户端框架即可实现跨平台开发。

2. 提高 GC 密集型工作负载的性能

对于涉及大量对象创建和操作的应用程序，Wasm 的 GC 相比 JavaScript 可能会提供显著的性能优势，特别是随着 Wasm GC 实现的成熟以及浏览器供应商和运行时提供商的优化。

• 游戏开发： 使用 C# 或 Java 编写的游戏引擎可以编译到 Wasm，受益于托管内存，并且性能可能优于纯 JavaScript。
• 数据可视化和处理： Python 等语言中的复杂数据处理任务可以移至客户端，从而实现更快的交互式结果。

3. 语言之间的互操作性

Wasm 的 GC 集成有助于在同一 Wasm 环境中运行的不同编程语言之间实现更无缝的互操作性。例如，C++ 模块（具有手动内存管理）可以通过 Wasm GC 接口传递引用来与 Python 模块（具有 GC）进行交互。

• 混合语言： 核心 C++ 库可以被编译到 Wasm 的 Python 应用程序使用，Wasm 作为桥梁。
• 利用现有库： Java 或 C# 等语言中的成熟库可以提供给其他 Wasm 模块，无论其原始语言如何。

4. 服务器端 Wasm 运行时

除了浏览器之外，服务器端 Wasm 运行时（如 Wasmtime、WasmEdge 或支持 Wasm 的 Node.js）正在获得关注。在服务器上使用 Wasm 运行 GC 管理的语言的能力提供了多种优势：

• 安全沙箱： Wasm 提供了一个强大的安全沙箱，使其成为运行不受信任代码的有吸引力的选择。
• 可移植性： 单个 Wasm 二进制文件可以在不同的服务器体系结构和操作系统上运行，无需重新编译。
• 高效的资源利用： Wasm 运行时通常比传统虚拟机或容器更轻量级，启动速度更快。

例如，一家公司可能会将其用 Go（具有自己的 GC）或 .NET Core（也具有 GC）编写的微服务作为 Wasm 模块部署在其服务器基础设施上，从而受益于安全性和可移植性。

挑战和未来方向

尽管 WebAssembly GC 集成是向前迈出的重要一步，但仍存在一些挑战和需要未来发展的领域：

• 性能一致性： 实现与原生执行甚至高度优化的 JavaScript 相当的性能是一个持续的努力。GC 暂停、引用计数开销以及互操作机制的效率都是积极优化的领域。
• 工具链成熟度： 针对带 GC 的 Wasm 的各种语言的编译器和工具链仍在成熟中。确保流畅的编译、调试和性能分析体验至关重要。
• 标准化和演进： WebAssembly 规范在不断发展。使 GC 功能与更广泛的 Wasm 生态系统保持一致并解决边缘情况至关重要。
• 互操作复杂性： 尽管 Wasm GC 旨在简化互操作，但管理复杂的对象图并确保不同 GC 系统（例如，Wasm 的 GC、宿主 GC、手动内存管理）之间的正确内存管理仍然可能很复杂。
• 调试： 在 Wasm 环境中调试 GC'd 应用程序可能具有挑战性。需要开发工具来提供对象生命周期、GC 活动和引用链的洞察。

WebAssembly 社区正在积极致力于这些方面。工作包括提高 Wasm 运行时中引用计数和循环检测的效率，开发更好的调试工具，以及完善 GC 提案以支持更高级的功能。

社区倡议：

• Blazor WebAssembly： Microsoft 的 Blazor 框架允许使用 C# 构建交互式客户端 Web UI，它严重依赖编译到 Wasm 的 .NET 运行时，展示了 GC 在流行框架中的实际应用。
• GraalVM： GraalVM 等项目正在探索将 Java 和其他语言编译到 Wasm 的方法，利用其高级 GC 功能。
• Rust 和 GC： 尽管 Rust 通常使用所有权和借用来进行内存安全，但它正在探索在特定用例中与 Wasm GC 集成，这些用例中有 GC 语义是有益的，或者用于与 GC'd 语言进行互操作。

结论

WebAssembly 集成垃圾回收（包括对引用计数等概念的支持）标志着该平台的一个变革时刻。它极大地扩展了可以使用 Wasm 高效且有效地部署的应用程序的范围，使全球开发者能够以新的令人兴奋的方式利用其首选的高级语言。

对于面向全球多元化市场的开发者来说，理解这些进步是构建现代、高性能和可移植应用程序的关键。无论您是移植现有的 Java 企业应用程序、构建支持 Python 的 Web 服务，还是探索跨平台开发的新领域，WebAssembly GC 集成都提供了一套强大的新工具。随着技术的成熟和生态系统的发展，我们可以预见 WebAssembly 将成为全球软件开发格局中越来越不可或缺的一部分。

采用这些功能将使开发者能够充分发挥 WebAssembly 的潜力，从而构建出更复杂、更安全、更高效的应用程序，惠及各地的用户。