WebAssembly：释放高性能 Web 应用的潜力

Web 已从静态文档发展为复杂的应用程序。然而，JavaScript 虽然用途广泛，但其固有的局限性可能会影响计算密集型任务的性能。WebAssembly (WASM) 作为游戏规则的改变者应运而生，为构建高性能 Web 应用等提供了新范式。

什么是 WebAssembly？

WebAssembly 是一种二进制指令格式，被设计为编程语言的可移植编译目标。简而言之，它是一种在现代 Web 浏览器中运行的低级类汇编语言。至关重要的是，它的目的不是取代 JavaScript，而是通过提供一种更快执行代码的方式来补充 JavaScript。

主要特性：

• 近乎原生的性能：WASM 代码的执行速度明显快于 JavaScript。它被设计得高效且紧凑，从而实现了优化的加载和执行。
• 安全与保障：WASM 在浏览器内的沙盒环境中运行，保护用户系统免受恶意代码的侵害。它遵守同源策略和其他 Web 安全标准。
• 可移植性：WASM 被设计为平台无关的，这意味着编译到 WASM 的代码可以在任何现代浏览器中运行，无论底层操作系统或硬件如何。
• 语言无关性：虽然最初专注于 C/C++，但 WASM 支持越来越多的编程语言，包括 Rust、Go、Python（通过 Pyodide 等实现）和 C#。这使得开发人员可以利用他们现有的技能和代码库。
• 可扩展性：WASM 规范在不断发展，新功能和改进也在定期添加。

WebAssembly 的工作原理

典型的 WASM 工作流程包括以下步骤：

1. 编写代码：开发人员使用像 C++、Rust 或 C# 这样的高级语言编写代码。
2. 编译到 WASM：使用像 Emscripten（用于 C/C++）或其他 WASM 专用编译器，将代码编译成 WASM 字节码。
3. 加载和执行：WASM 字节码被加载到浏览器中，并由 WASM 虚拟机执行。
4. JavaScript 互操作性：WASM 代码可以与 JavaScript 无缝交互，允许开发人员利用现有的 JavaScript 库和框架。

示例：使用 Emscripten 将 C++ 编译到 WebAssembly

这是一个使用 C++ 将两个数字相加的简单示例：

// add.cpp
#include <iostream>

extern "C" {
  int add(int a, int b) {
    return a + b;
  }
}

要使用 Emscripten 将此代码编译为 WASM：

emcc add.cpp -o add.js -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']"

此命令会生成两个文件：`add.js`（JavaScript 粘合代码）和 `add.wasm`（WebAssembly 字节码）。`add.js` 文件负责加载和执行 WASM 模块。

在您的 HTML 中：

<script src="add.js"></script>
<script>
  Module.onRuntimeInitialized = () => {
    const result = Module._add(5, 3);
    console.log("Result: " + result); // 输出：Result: 8
  };
</script>

使用 WebAssembly 的好处

• 提高性能：对于计算密集型任务，WASM 提供了比 JavaScript 好得多的性能。这转化为更快的加载时间、更流畅的动画和响应更快的应用程序。考虑像图像处理、音频处理和复杂模拟等场景，WASM 在这些方面真正大放异彩。
• 增强安全性：沙盒环境提供了一个安全的执行环境，保护用户免受恶意代码的侵害。这对于处理敏感数据或与外部资源交互的应用程序尤其重要。
• 跨平台兼容性：WASM 代码在不同的浏览器和平台上运行一致，简化了开发和部署。这消除了平台特定优化的需要，并确保了一致的用户体验。
• 代码可重用性：开发人员可以重用以 C++ 和 Rust 等语言编写的现有代码库，从而减少开发时间和成本。这对于拥有遗留代码或专用库的组织尤其有益。
• 新的可能性：WASM 为 Web 开发开辟了新的可能性，使得以前因性能限制而不可能或不切实际的应用程序成为可能。这包括高保真游戏、复杂模拟和高级图像处理工具。

WebAssembly 的用例

WebAssembly 正在广泛的领域中得到应用：

游戏

WASM 使得开发可与原生应用程序相媲美的高性能 Web 游戏成为可能。像《毁灭战士3》(Doom 3) 和虚幻引擎 (Unreal Engine) 等游戏已使用 WASM 移植到 Web，展示了其强大功能。Unity 和 Epic Games 等公司正在积极投资于 WASM 支持。

图像和视频处理

WASM 加速了图像和视频处理任务，实现了在浏览器内的实时编辑和操作。这对于在线照片编辑器、视频会议工具和流媒体服务等应用尤其有用。

科学计算

WASM 便于在浏览器内进行复杂的模拟和科学计算，无需专门的软件或插件。这对于需要远程执行计算密集型任务的研究人员和科学家来说非常有益。

CAD 和 3D 建模

WASM 使得创建可与桌面应用相媲美的基于 Web 的 CAD 和 3D 建模工具成为可能。这允许设计师和工程师可以从任何有互联网连接的地方进行协作和创建模型。

虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR)

WASM 对于在 Web 上提供高性能的 VR 和 AR 体验至关重要。其速度允许实时渲染复杂的 3D 场景和处理传感器数据。

无服务器计算

WASM 正在成为一种有前途的无服务器计算技术。其体积小、启动时间快和安全特性使其非常适合在无服务器环境中运行函数。像 Cloudflare Workers 这样的平台正在利用 WASM 提供边缘计算能力。

嵌入式系统

在浏览器之外，WASM 的可移植性和安全特性使其适合在嵌入式系统上运行代码。WASI（WebAssembly 系统接口）是一项标准化工作，旨在为浏览器之外的 WASM 提供系统接口，使其能够在其他环境中运行。这为在物联网设备、微控制器和其他资源受限设备上运行 WASM 打开了大门。

示例：使用 WASM 进行图像处理

考虑一个需要对图像应用模糊效果的在线图像编辑器。这涉及到遍历每个像素并执行复杂的计算。在 JavaScript 中实现这一点可能会很慢，特别是对于大图像。通过在 C++ 中实现模糊算法并将其编译为 WASM，可以显著加速图像处理。

// blur.cpp
#include <iostream>
#include <vector>

extern "C" {
  void blur(unsigned char* imageData, int width, int height) {
    // 模糊算法的实现
    // ... (复杂的像素操作逻辑)
  }
}

编译到 WASM 后，可以从 JavaScript 调用 `blur` 函数来高效地处理图像数据。

WebAssembly 与 JavaScript：强大的合作伙伴关系

WebAssembly 并非旨在取代 JavaScript。相反，它旨在与 JavaScript 协同工作，补充其优势并弥补其弱点。JavaScript 仍然是用于 DOM 操作、UI 渲染和处理用户交互的主导语言。WASM 处理计算密集型任务，从而解放主线程并提高应用程序的整体响应能力。

WASM 和 JavaScript 之间的互操作性是无缝的。JavaScript 可以调用 WASM 函数，WASM 函数也可以调用 JavaScript 函数。这使得开发人员可以利用两者的优点，创建既高效又灵活的混合应用程序。

开始使用 WebAssembly

以下是开始使用 WebAssembly 的路线图：

1. 选择编程语言：选择一种支持 WASM 编译的语言，例如 C++、Rust 或 C#。
2. 安装编译器：安装 WASM 编译器工具链，例如 Emscripten（用于 C/C++）或带有 WASM 支持的 Rust 工具链。
3. 学习基础知识：熟悉 WASM 的语法、内存模型和 API。
4. 尝试示例：尝试将简单的程序编译为 WASM，并将其集成到您的 Web 应用程序中。
5. 探索高级主题：深入研究内存管理、垃圾回收和 WASI 等高级主题。

学习 WebAssembly 的资源

• WebAssembly.org：WebAssembly 的官方网站，提供全面的文档和资源。
• MDN Web Docs：Mozilla 开发者网络提供了关于 WebAssembly 的优秀教程和参考资料。
• Emscripten 文档：Emscripten 编译器的文档，这对于将 C/C++ 代码编译到 WebAssembly 至关重要。
• Rust WASM Book：一本关于将 Rust 与 WebAssembly 结合使用的综合指南。

WebAssembly 的未来

WebAssembly 是一项快速发展的技术，前景光明。一些令人兴奋的进展即将到来：

• 改进的垃圾回收：为 WASM 添加垃圾回收支持的工作正在进行中，这将使其更容易与 Java 和 C# 等语言一起使用。
• 线程和共享内存：对线程和共享内存的支持将使 WASM 内能够进行更复杂的并行计算。
• WebAssembly 系统接口 (WASI)：WASI 旨在为 WASM 标准化系统接口，使其能够在浏览器之外的其他环境中运行。
• 组件模型：组件模型将使创建可重用的 WASM 组件成为可能，这些组件可以轻松地组合并集成到不同的应用程序中。

这些进步将进一步扩展 WebAssembly 的影响范围和能力，使其成为一项在各种平台上构建高性能应用程序的更具吸引力的技术。

结论

WebAssembly 代表了 Web 应用性能的一次重大飞跃。其近乎原生的速度、安全特性和跨平台兼容性使其成为构建新一代 Web 应用的强大工具。通过了解其好处、用例和未来潜力，开发人员可以利用 WebAssembly 的力量为全球用户创造真正创新和引人入胜的体验。随着技术的成熟和新功能的增加，WebAssembly 注定将在 Web 及其他领域的未来扮演越来越重要的角色。

无论您是在构建高保真游戏、复杂模拟还是数据密集型应用程序，WebAssembly 都能提供您成功所需的性能和灵活性。拥抱这项技术，释放 Web 的全部潜力。