WebAssembly：未来的字节编码技术

本文作者是360奇舞团的前端工程师。 本文为翻译，原文略做修改以符合中文语境。
原文标题：WebAssembly: byte-code of the future 原文作者：Joshua Nussbaum
原文地址：https://dev.to/joshnuss/webassembly-byte-code-of-the-future-402p

自从Netscape推出JavaScript以来，一直有一些开发者喜欢它，而另一些则不喜欢。

如果浏览器支持更多的编程语言那就太好了，不管你站在哪一边，我想我们都一致同意。

这是 WebAssembly 的承诺：提供任何编程语言都可以编译的通用运行时。

过去的尝试

在网络的早期，人们尝试使用 Java Applet 和 Microsoft ActiveX 进行扩展；但两者都受到安全问题的困扰，最终被放弃；问题是它们在没有访问控制的情况下执行，这成为了一个巨大的挑战。

后来Macromedia Flash和Silverlight取得了一些成功，但最终也遭遇了同样的悲惨命运；它们都缺乏开放标准，这使得浏览器和操作系统供应商很难支持。

什么是 WebAssembly？

WebAssembly（又名 WASM）是一种 开放标准[1] 字节代码格式，适用于所有浏览器。它是一种低级二进制格式和执行引擎，概念上类似于 Oracle 的 JVM 或 Microsoft 的 CLR。

它的设计初衷就是为了托管和安全，它无法访问机器的内存或硬盘。只有主机可以决定公开哪些 API。

WASM 是一种可移植格式，因此可以支持多种编程语言，认为 Rust、Ruby、Python 甚至 JavaScript 都可以编译为 WASM 字节代码。

尽管它最初是针对浏览器而设计的，但它在浏览器之外也能很好地工作。

它可以在服务器上、云端、硬件设备上运行，或者使用插件系统。

编写 WASM

创建.wasm文件有多种方式：

• 手动编写（不建议，因为WebAssembly的字节码是一种低级别的二进制表示形式，编写起来非常复杂和容易出错）
• 使用 Wasm 文本格式[2] 编写。
• 使用更高级的语言，如 AssemblyScript、Rust、Ruby 等，然后编译它。

我们通过以下几个例子来看下：

什么是WAT

WAT（Wasm Text Format）是WebAssembly规范提供的一种用于定义WebAssembly模块的文本格式；它使用S表达式（S-expressions）的语法，类似于Lisp或Clojure。

例如，以下是一个简单的WAT示例，表示一个将两个数字相加的WebAssembly函数：

; define a module
(module
  ; define a function called "add"
  ; it takes 2 params:
  ; - $a is a 32-bit integer
  ; - $b is a 32-bit integer
  ; it returns an 32-bit integer
  (fun add (param $a i32) (param $b i32) (result $i32)
    ; load param $a onto the stack
    local.get $a

    ; load param $b onto the stack
    local.get $b

    ; perform 32-bit integer "add" operation
    i32.add

    ; the last value on the stack is returned
    ; which is the result of the `i32.add`
  )
)

使用 wat2wasm WebAssembly Toolkit CLI 工具[3] 编译.wat文件

# outputs example.wasm
> wat2wasm example.wat

编译产出 example.wasm 可以在任何主机执行，使用 wasmtime 命令行工具来执行

# invoke "add" function, and pass args 1,2
> wasmtime example.wasm --invoke add 1 2
3

AssemblyScript

还有一种称为 AssemblyScript[4] 的高级语言；它就像是WebAssembly 的 TypeScript。

如果我们用 AssemblyScript 重写上面例子中的add()函数，它将如下所示：

// in add.ts
export function add(a: u32, b: u32): u32 {
  return a + b;
}

这样对比来看，更具有可读性，对前端开发来讲更友好；

然后使用AssemblyScript 的编译器asc 来编译：

pnpm install -D assemblyscript
pnpm run asc add.ts --outFile=math.wasm

格式对比

为了比较 AssemblyScript 和 WAT 格式，我创建了一个小工具：

https://assemblyscript-play.vercel.app

您还可以使用 CLI 工具 wasm2wat 来比较这两种格式：

# outputs .wat format
wasm2wat math.wasm

运行时执行

就像编译 wasm 的方式有很多种一样，执行它的方法也有很多种。

在浏览器中使用WebAssembly

要在浏览器中使用WebAssembly API，首先加载WebAssembly模块：

// fetch .wasm file
const response = fetch('/path/to/some.wasm')

// instantiate module with streaming
const module = WebAssembly.instantiateStreaming(response)

然后，调用导出的add的函数：

const result = module.instance.exports.add(1, 2)

还可以向模块传递其他方法，例如可以共享 console.log 方法：

// fetch .wasm file
const response = fetch('/path/to/some.wasm')

// instantiate module and pass an api
const module = WebAssembly.instantiateStreaming(response, {
  imports: {
    // share console.log
    log: console.log
  }

})

在服务器上使用 WebAssembly

WebAssembly也可以在服务器上执行，使用的方法与在浏览器中的几乎相同。

唯一不同的是，不使用URL从服务器获取.wasm文件，而是使用 fs.readFile() 从磁盘上读取它：

import fs from 'fs'

// read .wasm file
const bytes = await fs.promises.readFile('/path/to/some.wasm')

// instantiate the module
const module = WebAssembly.instantiate(bytes)

然后，调用 add 函数：

const result = module.instance.exports.add(1, 2)

还可以从许多其他编程语言中执行此操作，例如 **rust[5]、ruby[6]**、 python[7] 或来自 CLI[8] 。

在云端使用 WebAssembly

WebAssembly在云端也有一些重要的应用场景。

与JavaScript云函数相比，它具备一些明显的优势：

1. 无冷启动：主机只需加载一个.wasm文件，而不是整个应用程序；典型的JavaScript应用包含许多需要加载的文件，这会耗费较长的时间。
2. 更快的部署：需要上传的仅仅是一个简单的二进制文件。
3. 多语言托管：所有可以编译为WebAssembly的编程语言都可以在云中部署，无需特殊的运行时环境。
4. 快照：执行状态可以进行快照；例如，一个在初始化期间执行大量计算的应用程序可以创建快照。随后的请求可以从快照状态开始，从而避免浪费大量的启动时间。

注意事项

关于WebAssembly，仍然存在一些问题：

1. WebAssembly仍然相对较新，并且正在积极开发中，尽管它正在不停的迭代中，但仍存在一些尚未完善的方面。
2. 尚未为某些编程语言提供完整的支持。
3. WebAssembly没有像字符串或标准库等基本数据类型，这是故意设计的，各编程语言需要自行提供其标准库。
4. 由于“标准库”需要包含在.wasm文件中，这可能会导致文件变得较大。

我相信，这些大多数问题会随着时间的推移将得到解决。

未来前景

在过去几年中，WebAssembly取得了许多进展。

最终，几乎所有编程语言都将具备编译到WebAssembly的能力，并提供适用于托管WebAssembly的运行时环境（如果尚未提供的话）；这将使所有编程语言都能够在浏览器、服务器甚至硬件上运行。

这也可能催生出专为适应WebAssembly主导的编程环境而设计的新型编程语言。

参考资料

1. 开放标准 https://www.w3.org/groups/wg/wasm
2. Wasm 文本格式 https://webassembly.github.io/spec/core/text/index.html
3. WebAssembly Toolkit CLI 工具 https://github.com/WebAssembly/wabt
4. AssemblyScript https://www.assemblyscript.org/
5. rust https://docs.rs/wasmer/latest/wasmer
6. ruby https://github.com/wasmerio/wasmer-ruby
7. python https://github.com/wasmerio/wasmer-python
8. CLI https://wasmtime.dev/