WebAssembly WASI：系統介面與檔案系統存取

WebAssembly (Wasm) 已成為一項強大的技術，不僅能在網頁瀏覽器中運行程式碼，也越來越多地應用於瀏覽器之外的環境。它提供接近原生的效能、安全性與可攜性。而實現 Wasm 全部潛力的關鍵要素之一，就是 WebAssembly 系統介面 (WebAssembly System Interface, WASI)。本篇部落格文章將探討 WASI，特別著重其在提供檔案系統存取方面扮演的關鍵角色，並詳述其優勢、實作方式以及對現代軟體開發的影響。

什麼是 WebAssembly (Wasm)？

WebAssembly 是一種專為堆疊式虛擬機設計的二進位指令格式。它作為程式語言的可攜式編譯目標，使得應用程式能夠以高效能部署於網頁（及其他環境）。開發者無需為瀏覽器專門編寫程式碼，而是可以將他們用 C、C++、Rust 和 Go 等語言編寫的程式碼編譯成 Wasm 模組。這些模組隨後可以在網頁瀏覽器或其他 Wasm 執行環境中執行，例如 Node.js，甚至是在伺服器上運行的專用 Wasm 執行環境。Wasm 的主要優勢包括：

• 效能：Wasm 提供接近原生的執行速度，使其適用於計算密集型任務。
• 安全性：Wasm 模組在沙箱環境中執行，限制了其對主機系統的存取，從而增強了安全性。
• 可攜性：Wasm 模組可以在各種平台和架構上運行，促進了跨平台的相容性。
• 開放標準：Wasm 是 W3C 標準，確保了其廣泛的採用與支援。

WASI 的角色

雖然 Wasm 提供了執行環境，但它最初缺乏直接存取系統資源（如檔案系統、網路和其他作業系統功能）的能力。這正是 WASI 發揮作用之處。WASI 是一個模組化的系統介面，旨在為 Wasm 模組提供對這些資源的安全存取。您可以將其視為 Wasm 應用程式與主機作業系統互動的標準化 API。這使得開發者能夠創建功能更多樣、更強大的 Wasm 應用程式，超越了僅限於網頁的使用案例。WASI 解決了一個關鍵需求：讓 Wasm 能夠以受控且安全的方式與外部世界互動。

WASI 的主要目標是：

• 安全性：提供一個沙箱環境，限制對系統資源的存取，以降低潛在的安全風險。
• 可攜性：確保 Wasm 模組無需修改即可在不同的作業系統上運行。
• 靈活性：提供模組化設計，支援各種系統介面，例如檔案系統、網路和時鐘。
• 標準化：定義與系統資源互動的標準介面，促進互通性與程式碼重用。

WASI 與檔案系統存取

檔案系統存取是 WASI 的核心功能。它允許 Wasm 模組讀取、寫入和操作主機系統上的檔案。這為 Wasm 應用程式開闢了廣泛的可能性，從簡單的檔案處理任務到複雜的應用程式，例如：

• 無伺服器函式：處理上傳到雲端儲存的檔案。
• 資料分析：分析和操作儲存在檔案中的大型資料集。
• 命令列工具：創建基於 Wasm 的命令列工具，用於檔案管理。
• 桌面應用程式：建構可讀寫檔案的跨平台桌面應用程式。

在 WASI 出現之前，Wasm 模組在檔案系統互動方面受到很大限制。雖然存在一些變通辦法，但它們通常依賴於特定瀏覽器的 API 或涉及重大的安全妥協。WASI 為 Wasm 模組與檔案系統互動提供了一種標準化且安全的方式，使其適用於更廣泛的使用案例。

WASI 的檔案系統存取如何運作

WASI 的檔案系統存取通常是透過「權限」(capabilities) 來實作的。權限是一個權杖，它授予 Wasm 模組存取特定資源（例如一個目錄或檔案）的權力。Wasm 模組必須被明確賦予這些權限，通常由主機環境（例如 Wasm 執行環境）提供。這種方法透過確保 Wasm 模組只能存取其被授權使用的資源，從而增強了安全性。

以下是一個簡化的概述：

1. 模組編譯：將程式碼（例如用 Rust、C++ 或 Go 編寫）編譯成一個匯入 WASI 函式的 Wasm 模組。
2. 權限提供：主機環境為 Wasm 模組提供權限，例如存取特定目錄或檔案的能力。這通常涉及在模組實例化時指定一組允許的路徑。
3. 檔案系統呼叫：Wasm 模組使用 WASI 函式（例如 `fd_open`、`fd_read`、`fd_write`、`fd_close`）並利用所提供的權限與檔案系統互動。
4. 沙箱化：WASI 確保檔案系統操作被限制在授權的資源範圍內，防止模組存取檔案系統的其他部分。

實作範例 (Rust)

讓我們來看一個使用 Rust 和 WASI 讀取文字檔案的簡單範例。首先，請確保您已安裝 Rust 工具鏈 (rustup) 並將編譯目標設定為 `wasm32-wasi`。

Cargo.toml:

            [package]
name = "file_reader"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[dependencies]
wasi = "0.11"

            

              
                Copy
              
            
          

src/main.rs:

            use std::fs::File;
use std::io::{self, Read};

fn main() -> io::Result<()> {
    let args: Vec = std::env::args().collect();

    if args.len() != 2 {
        eprintln!("Usage: file_reader ");
        std::process::exit(1);
    }

    let filename = &args[1];

    let mut file = File::open(filename)?;
    let mut contents = String::new();
    file.read_to_string(&mut contents)?;

    println!("File contents:\n{}", contents);

    Ok(())
}


            

              
                Copy
              
            
          

建置 Wasm 模組：

            cargo build --target wasm32-wasi --release

            

              
                Copy
              
            
          

這會創建一個 Wasm 模組（例如 `target/wasm32-wasi/release/file_reader.wasm`）。WASI 標準函式庫在 Wasm 模組內部提供了必要的檔案 I/O 功能。當執行 Wasm 模組時，主機環境（例如 `wasmer` 或 `wasmtime` 等 Wasm 執行環境）將負責提供對檔案系統的存取，通常是透過允許使用者指定一個可讀取檔案的目錄，從而有效地將檔案系統互動沙箱化。您可以使用 `wasmer` 或 `wasmtime` 的命令列介面來運行已編譯的 WASM 模組。

使用 Wasmer 執行：

            wasmer run file_reader.wasm --dir=. -- file.txt

            

              
                Copy
              
            
          

在此範例中，`--dir=.` 授予 Wasm 模組存取當前目錄的權限，而 `file.txt` 則是作為參數傳遞的檔名。程式接著會嘗試讀取並印出 `file.txt` 的內容。請記得在運行模組前，先在當前目錄中創建 `file.txt` 檔案。

使用 WASI 進行檔案系統存取的好處

使用 WASI 進行檔案系統存取具有以下幾個顯著優勢：

• 安全性：沙箱環境限制了對檔案系統的存取，將惡意攻擊的風險降至最低。
• 可攜性：使用 WASI 的 Wasm 模組無需修改即可在不同的作業系統和架構上運行。
• 標準化：WASI 為檔案系統互動提供了標準化的 API，促進了互通性並降低了學習曲線。
• 靈活性：允許創建高度可攜的應用程式，這些應用程式可以在從網頁瀏覽器到伺服器端部署的各種環境中運行。
• 資源控制：基於權限的存取允許對 Wasm 模組可以存取的資源進行精細控制，從而改善資源管理並防止意外或惡意的誤用。

WASI 檔案系統進階概念

除了基本的檔案讀寫之外，WASI 還支援更進階的檔案系統互動概念。

目錄與路徑

WASI 允許模組處理目錄、創建新目錄以及導覽檔案系統路徑。這支援了諸如列出檔案、在特定目錄中創建新檔案以及管理整體檔案系統結構等操作。路徑操作是管理和組織檔案的關鍵能力。

檔案描述符

WASI 使用檔案描述符 (File Descriptors, FDs) 來表示已開啟的檔案和目錄。檔案描述符是一個唯一的整數，Wasm 模組用它來指稱特定的檔案或目錄。像 `fd_open` 這樣的 WASI 函式會返回一個 FD，然後在後續的操作（如讀取、寫入和關閉檔案）中使用。妥善管理檔案描述符對於避免資源洩漏至關重要。

權限與能力

如前所述，WASI 採用基於權限的方法進行檔案系統存取。主機環境決定了 Wasm 模組被允許存取哪些目錄和檔案。這個權限系統提供了精細的控制層級，增強了安全性，並允許管理員根據應用程式的需求量身訂做資源存取權限。這可以防止應用程式存取主機系統上的任意檔案。

串流與緩衝

WASI 提供了串流檔案資料以及使用緩衝區來高效讀寫資料的機制。串流對於處理大型檔案而不過度消耗記憶體尤為重要。緩衝則透過減少系統呼叫的次數來提高效能。

使用案例與應用

WASI 的檔案系統存取能力催生了各式各樣的應用。以下是一些值得注意的範例：

無伺服器函式

WASI 非常適合無伺服器函式。開發者可以部署 Wasm 模組來讀取、處理和寫入儲存在雲端儲存（例如 Amazon S3、Google Cloud Storage、Azure Blob Storage）中的檔案。這些模組可以由事件（例如檔案上傳）觸發，並以安全且可擴展的方式執行。這使得在雲端高效地處理和轉換檔案成為可能。試想那些需要處理和分析來自全球不同地區和語言的檔案的國際化使用案例。

命令列工具

WASI 允許創建跨平台的命令列工具。開發者可以編寫 Wasm 模組來執行檔案處理、資料操作或其他任務，然後在任何支援 WASI 執行環境的平台上運行它們。用於文字處理、影像處理或資料分析等任務的工具可以被打包並部署為 Wasm 模組，使其易於在不同作業系統之間分發和使用。想像一下一個基於 Wasm 的資料清理工具，可以全球分發。

資料分析與處理

WASI 可用於建構基於 Wasm 的資料分析工具。這些工具可以從檔案中讀取資料、執行計算並生成報告。Wasm 的可攜性使其易於分發並在各種平台上使用。這些工具可用於分析儲存在檔案中的大型資料集（例如 CSV 檔案、日誌檔案）並創建互動式視覺化。想想金融分析、科學模擬或任何需要資料處理的領域的應用。

桌面應用程式

開發者可以利用 WASI 創建與檔案系統互動的跨平台桌面應用程式。這些應用程式可以讀取、寫入和操作檔案，為使用者提供熟悉的檔案系統體驗。這對於需要本地檔案儲存、文件編輯或其他基於檔案的操作的應用程式特別有用。這使得建構在 Windows、macOS 和 Linux 上一致運作的應用程式成為可能。想像一下一個用 Wasm 和 WASI 建構的影像編輯應用程式或文字編輯器。

基於網頁的檔案操作

雖然 Wasm 最初專注於瀏覽器，但 WASI 使其能夠在瀏覽器環境之外進行互動。它為需要在伺服器上處理檔案的網頁應用程式開啟了大門。這避免了基於瀏覽器的檔案存取限制，並允許進行更複雜的基於檔案的操作，從而提高效能和使用者體驗。一個例子可能是在伺服器端處理大型檔案的檔案轉換器。

實作 WASI 檔案系統存取

實作 WASI 檔案系統存取通常涉及以下步驟：

1. 選擇程式語言：選擇一種支援 Wasm 編譯的程式語言（例如 Rust、C/C++、Go）。Rust 因其強大的工具、記憶體安全性以及對 WASI 的支援而特別受歡迎。
2. 設定開發環境：安裝必要的工具和依賴項，包括 Wasm 編譯器、WASI SDK（如果需要）以及 Wasm 執行環境。
3. 編寫程式碼：使用 WASI 檔案系統 API 函式（例如 `fd_open`、`fd_read`、`fd_write`）編寫應用程式程式碼。
4. 將程式碼編譯為 Wasm：使用適當的編譯器和目標（例如 `wasm32-wasi`）將程式碼編譯成 Wasm 模組。
5. 提供權限：必須授予 Wasm 模組必要的權限，例如，在執行環境啟動期間，模組必須知道從哪個目錄讀取、寫入或創建檔案。
6. 運行 Wasm 模組：使用 Wasm 執行環境來執行 Wasm 模組。

工具與執行環境

有幾種工具和執行環境支援 WASI，包括：

• Wasmer：一個通用的 WebAssembly 執行環境，可在各種平台上運行 Wasm 模組。
• Wasmtime：來自 Bytecode Alliance 的一個獨立 JIT 風格 WebAssembly 執行環境，專注於效能和安全性。
• WASI SDK：一套用於開發 WASI 應用程式的工具和函式庫。
• Node.js：Node.js 支援 WASI，使其能夠在 Node.js 環境中執行 Wasm。
• Docker：WASI 正在被整合到 Docker 中，允許將 Wasm 應用程式容器化。

安全性考量

雖然 WASI 為 Wasm 模組提供了一個安全的環境，但開發者仍必須注意安全最佳實踐。

• 最小權限原則：只授予 Wasm 模組最低限度的必要權限。
• 輸入驗證：驗證所有輸入資料，以防止緩衝區溢位和程式碼注入等漏洞。
• 依賴項管理：謹慎管理依賴項，以避免使用可能存在漏洞的函式庫。
• 定期審核：定期審核 Wasm 模組和主機環境是否存在安全漏洞。
• 沙箱化：確保 Wasm 執行環境強制執行沙箱，並將對系統資源（包括檔案系統、網路和環境變數）的存取限制在明確允許的範圍內。

WASI 與檔案系統存取的未來

WASI 及其檔案系統存取能力正在不斷發展。目前的發展包括：

• 效能提升：對 Wasm 執行環境的持續優化以提高執行速度。
• 擴展的 API 支援：開發新的 WASI API 以支援額外的系統介面（例如網路、執行緒和圖形）。
• 標準化工作：持續的標準化工作，以確保不同 Wasm 執行環境和平台之間的互通性。
• 與雲端平台的整合：與雲端平台日益增長的整合，使開發者能夠輕鬆地在無伺服器環境中部署和運行 Wasm 模組。

WASI 及其在檔案系統存取方面的應用前景光明。隨著技術的成熟，我們可以期待看到更多利用 Wasm 和 WASI 強大功能的更複雜應用程式。

結論

WebAssembly (Wasm) 及其系統介面 WASI 正在徹底改變開發者建構和部署軟體的方式。WASI 為 Wasm 模組與包括檔案系統在內的系統資源互動提供了一種安全、可攜且標準化的方式。透過 WASI 的檔案系統存取功能，催生了從無伺服器函式和命令列工具到資料分析和桌面應用程式等廣泛的使用案例。透過理解本部落格文章中討論的概念和實作細節，開發者可以駕馭 WASM 和 WASI 的力量，創建創新且高效的應用程式。WASI 和檔案系統存取是未來軟體開發的關鍵技術，為跨平台應用鋪平了道路，並在全球範圍內的各種應用中實現了可攜性、效能和安全性。