WebAssembly和WASI介绍

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1. 什么是WebAssembly

WebAssembly是一个可移植的编程目标（compilation target），它最早是运行在浏览器中的，用于解决JavaScript带来的性能问题。

1.1. JavaScript的性能瓶颈

下图为Microsoft Edge的JavaScript引擎Chakra的结构：

Chakra and ChakraCore's Multi-tiered Execution Pipeline

(图片来自：https://adtmag.com/articles/2015/12/07/microsoft-open-source-chakra.aspx?m=1)

可以看到：

  1. JavaScript源代码被下载下来，通过Parser转换成AST（Abstract Syntax Tree，抽象语法树）；
  2. AST被Bytecode Generator转成字节码（中间状态的二进制码，包含执行程序，由一系列指令、程序和数据片段组成）；
  3. 字节码进入解释器（Interpreter），解释器会将字节码翻译成机器码（计算机可以直接执行的代码，只有0和1），并执行。

关于编译器和解释器

以Java为例，Java源文件经编译器编译后，会生成可在Java虚拟机（JVM）上运行的字节码（.class文件）。Java虚拟机，即解释器，在执行字节码时，会把字节码翻译成它所在平台可运行的机器码。

编译器：把源代码转换成更低级的代码（如二进制码、机器码）文件，但不会执行。
优点：
（1）循环内的代码在编译后可以运行很快，不需要每轮循环都解释一遍。
（2）可以做优化（compiler has more time to look at the code and make edits to it so that it will run faster）。相比之下解释器是在运行时做解释的工作，没有时间做这样的优化。
缺点：起步慢，因为要经历整个编译过程。

解释器：直接生成可让计算机硬件执行的机器码，并执行。
优点：起步快，运行代码时不需要经历整个编译的过程。
缺点：同一段代码可能被多次解释，如执行while循环时，循环内的代码在每个循环都要重新解释一次。

JIT Compiler：Just-in-time Compiler，即时编译器，是能把字节码转换成可被计算机直接执行的机器码的程序。

  • JavaScript Engine中添加了一个monitor（或者叫Profiler），会在程序运行时监控代码被执行了多少次、都使用了什么类型。
  • 如果一段代码被执行了很多次，就会被打上Hot标签，然后做一些优化。这些优化可以理解为在编译时做一些合理的假设，然后基于假设将代码提前编译好。
  • 具体来说：
    • 由于JavaScript是动态类型语言，在运行的时候才会知道数据真正的类型，所以在编译时只能靠概率去猜它使用的到底是什么类型，即“假设”它会使用某种类型的数据
    • JIT将这种假设情况下的代码编译好，下次调用这段被打上Hot标签的代码时，直接将编译好的代码取过来
    • 在执行前会做类型检查，看假设是否成立。成立的话，就可以直接运行已经编译好的代码；不成立的话，经优化过的代码会被舍弃，然后重新进入Interpreter进行解释（上图中的Bailout过程）

asm.js用强制静态类型来解决这个问题，但仍需要经历耗时很长的Parser、Bytecode Generator两个单元，因此WebAssembly诞生了。

1.2. WebAssembly

WebAssembly是编程语言（如C/C++/Rust等）的编译目标，特点：（来自：https://webassembly.org）

  • Efficient and fast
    • aims to execute at native speed
  • Safe
    • describes a memory-safe, sandboxed execution environment
  • Open and debuggable
    • pretty-printed in a textual format
  • Part of the open web platform
    • be able to call into and out of the JavaScript context and access browser functionality through the same Web APIs accessible from JavaScript.

总的来说，WebAssembly的优势是：

  • Fast：可以重用C/C++写好的代码，并提供接近C/C++的运行速度（接近native的执行效率）
  • Safe：沙盒环境
  • Portable：可移植性

2. 什么是WASI

我们前面介绍了WebAssembly之所以出现，是为了解决浏览器环境下JavaScript的性能问题。但一些开发者并不满足于此，他们希望WebAssembly不单能运行在浏览器中，还可以被推广到非浏览器环境下。

想要在非浏览器环境下运行WebAssembly，就需要解决WebAssembly与操作系统之间的通信问题。若要使WebAssembly能够在不同的操作系统上运行，即满足可移植性（Portability），就需要一套标准的系统接口，所有希望运行WebAssembly的平台只要实现了这些接口，就可以运行WebAssembly。另外，这套接口还应该保持WebAssembly的安全性（Security）原则。

基于这些需求，WASI诞生了。

WASI是WebAssembly System Interface的缩写，是一套支持WebAssembly跨设备、跨操作系统运行的系统接口，它的目的是让WebAssembly可以在非浏览器环境下运行，同时保持WebAssembly的两个主要原则：Portability和Security。

目前，实现了WASI的典型运行时（runtimes）有：

2.1. 目前在主流引擎中支持的WebAssembly特性 (2022-07-21)

来源：https://webassembly.org/roadmap/

After the initial release, WebAssembly has been gaining new features through the standardization process. For the complete list of current proposals and their respective stages, check out the WebAssembly/proposals repo.

The table below aims to track implemented features in popular engines:
Implemented Features in Popular Engines

参考资料

[1] A crash course in just-in-time (JIT) compilers：https://hacks.mozilla.org/2017/02/a-crash-course-in-just-in-time-jit-compilers/
[2] 你知道「编译」与「解释」的区别吗？：https://huang-jerryc.com/2016/11/20/do-you-konw-the-different-between-compiler-and-interpreter/
[3] WebAssembly完全入门——了解wasm的前世今身：https://zhuanlan.zhihu.com/p/68048524
[4] JavaScript 编译 - JIT (just-in-time) compiler 是怎么工作的：https://zhuanlan.zhihu.com/p/99395691
[5] Standardizing WASI: A system interface to run WebAssembly outside the web：https://hacks.mozilla.org/2019/03/standardizing-wasi-a-webassembly-system-interface/
[6] Roadmap: https://webassembly.org/roadmap/