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Evian-Zhang/wasm-tutorial

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WASM 汇编入门教程

本系列教程的GitHub仓库为Evian-Zhang/wasm-tutorial,所有代码的源代码位于code目录下,推荐在evian-zhang.github.io/wasm-tutorial中阅读,获得最佳体验。如需PDF版本,可在对应网页的右上角点击「打印」即可。

在互联网大潮下,前端越来越「卷」。为了追求前端的性能,用于替代JavaScript的WebAssembly(简称WASM)的概念被提出。经过几年的发展与沉淀,开发者们发现WASM不仅仅在前端Web领域是一枚银弹:我们既可以在浏览器里运行WASM,也可以用wasmerwasmtime等方式在任意环境下原生地执行WASM代码;在通用编程语言领域,Rust有提案建议将过程宏以WASM的形式执行,并且有了相应的工具watt;在运维领域,Docker正在尝试使用WASM代替传统容器

因此,WASM不再仅仅是前端圈子里的掌上明珠,也逐渐走入全栈所有领域开发者的视野。所以,我决定写一系列文章《WASM汇编入门》,面向所有领域的开发者,介绍WASM入门。

本系列文章讲了什么

本系列文章,将从头开始,以较底层的WASM汇编角度,全方位介绍WASM程序的生成、使用,以及WASM中的概念、汇编语法。

本系列文章是我自己学习的一个记录,必然会有所错误、缺漏。还望大家不吝提出issue发起PR,相互指导,谢谢大家!

预备知识

本系列文章的预备知识包括:

这些预备知识并不是要求读者掌握的炉火纯青,而是大部分常见的概念要了解,以及一些简单的代码要能够看懂。在绝大部分以概念为主的章节中,我基本上是不会涉及具体的高级语言或者汇编语言的代码的,只有在与代码强相关的章节中,我才会以例子的形式引入相应的代码。

环境

本文的所有代码的测试环境为

  • 操作系统

    Ubuntu 22.04.1

  • CPU

    Intel i9-12900K

  • Clang

    Homebrew clang version 15.0.7

  • emcc

    emcc (Emscripten gcc/clang-like replacement + linker emulating GNU ld) 3.1.5

  • Rust

    rustc 1.67.0 (fc594f156 2023-01-24)

  • wasmer

    wasmer 3.1.1

  • wabt

    1.0.27

什么是WASM

那究竟什么是WASM呢?粗略来说,WASM是一种接近底层的「中间语言」。虽然它的名字里带有「Web」,但实际上它并不仅仅适用于Web。对于对编译器理论更熟悉的开发者来说,WASM与JVM字节码的用法非常相似,也类似于LLVM IR。通俗来讲,就是一种类似汇编语言的编程语言,可以由各种语言编译而来,可以在各种平台上执行。

从开发者的角度来说,WASM格式可以由后端常见的编程语言编译得到,如C、C++、Rust、C#、Go、Swift等(具体可见Compile a WebAssembly module from...)。因此,后端的开发者可以用自己趁手的语言来开发WASM程序。

从使用者的角度来说,WASM程序可以像JavaScript程序一样,运行在Web浏览器中(目前火狐、Chrome、Safari和Edge均支持执行WASM程序,具体可参考Roadmap),也可以通过wasmer、wasmtime等方式,在如Windows、macOS、Linux等原生环境下执行。因此,WASM程序具有很高的通用性。

为什么要使用WASM

兼容性

成熟的技术选型,往往考虑最多的是技术的「兼容性」。如果一个技术在开发上不兼容(需要单独招程序员)、在使用上不兼容(「本网站请使用IE打开」),那就是依托答辩。

从开发上来说,理论上,凡是以LLVM为后端的编程语言,都支持生成WASM程序。不说别的,主流的C/C++代码,均可生成WASM程序。

从使用上来说,要求能在各个操作系统原生执行已经是基本要求了。WASM不仅如此,能在所有主流浏览器上执行!这可了不得了,Java Applet、Flash都哭了。目前Chrome的V8引擎(WebAssembly compilation pipeline)、火狐的SpiderMonkey引擎(BaldrMonkey)、Safari的Webkit(Assembling WebAssembly)都支持WASM。

前端积怨已久

在前端,从编程语言的角度,对JavaScript的讨伐不绝于耳。尽管ES6等新标准力挽狂澜,给JavaScript增加了许多更利于开发者的特性,TypeScript的出现也让开发者维护项目更加方便,但是由于浏览器端天生需要非常严格的向前兼容性,许多因为历史原因而造成的失误无法弥补。因此,WASM的出现可以让前端开发者在开发WASM模块时,不再受JavaScript的折磨,可以选择更新更好更顺手的编程语言,维护更好的心情。

性能优势

从性能的角度来看,尽管Google的V8引擎如前端的一针强心剂,将JavaScript代码的性能推向了原生级别,但是因为JavaScript语言本身的动态特性,性能还是会差一些。尽管JavaScript本身的特性更加适用于Web上针对DOM的灵活操作、请求响应JSON的解析等功能,但是随着前端负责的功能模块越来越广泛,对于计算密集型的操作,如密码学加解密、图像处理等操作,JavaScript的动态特性会减弱优化程度。而WASM则是底层二进制程序格式,由不同的编程语言编译而来。因此,对代码的优化就不再依赖传统的JavaScript优化,而是可以经过不同编程语言的优化,从而达到非常高的执行效率。

安全性

WASM的安全性在其官网Security部分有详细的描述。一个最显著的特点,WASM程序是运行在沙盒中的。一般来说,WASM程序是无法读写除了自身被分配的内存以外的地址的,因此不会干扰外部程序执行。

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