WebAssembly及其 API 的完整介紹

作者：前端小智 2020-11-03 08:12:20

自從引入計算機以來，本地應用程序的性能有了巨大的提高。相比之下，web 應用程序相當慢，因為 JS 一開始并不是為了速度而構建的。但是由于瀏覽器之間的激烈競爭以及JS 引擎如V8的快速開發，使得 JS 能夠在機器上快速運行。但是它仍然不能超過本機應用程序的性能。這主要是因為 JS 代碼必須經歷幾個進程才能生成機器碼。

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隨著 WebAssembly 的引入，現代 Web 發生革命性的變化，這項技術非常快。讓我們看一下什么是 WebAssembly，以及如何與 JS 集成以構建快速的應用程序。

什么是 WebAssembly?

在了解 WebAssembly 之前，讓我們看一下什么是 Assembly。

Assembly(匯編)是一種低級編程語言，它與體系結構的機器級指令有著非常密切的聯系。換句話說，它只需一個進程就可以轉換為機器可以理解的代碼，即機器代碼。此轉換過程稱為匯編。

WebAssembly可以簡稱為 Web 的匯編。它是一種類似于匯編語言的低級語言，具有緊湊的二進制格式，使您能夠以類似本機的速度運行Web應用程序。它還為C，C ++和Rust等語言提供了編譯目標，從而使客戶端應用程序能夠以接近本地的性能在Web上運行。

此外，WebAssembly 的出現是與 JS 一起運行，而不是取代 JS。使用 WebAssembly JavaScript API，你可以交替地運行來自任一種語言的代碼，來回沒有任何問題。這為我們提供了利用 WebAssembly 的強大功能和性能以及 JS 的通用性和適應性的應用程序。這為web應用程序打開了一個全新的世界，它可以運行最初并不打算用于web的代碼和功能。

有什么區別

Lin Clark預測，2017年 WebAssembly 的引入可能會引發 web 開發生命中的一個新的拐點。早期的另一個拐點生在引入 JITs 編譯的時候，JIT 編譯使JS 的速度提高了近10倍。

如果將 WebAssembly 的編譯過程與 JS 的編譯過程進行比較，會注意到幾個過程已被剝離，其余過程已被修剪，如下所示：

JIT 是使 JavaScript 運行更快的一種手段，通過監視代碼的運行狀態，把 hot 代碼(重復執行多次的代碼)進行優化。通過這種方式，可以使 JavaScript 應用的性能提升很多倍。

仔細比較上圖，注意到,重新參與WebAssembly已經完全被剝奪掉了。這主要是因為編譯器不需要對WebAssembly代碼做任何假設,因為諸如數據類型是在代碼中明確提及。

但是 JS 不是這樣的，因為JIT應該做一些假設來運行代碼，如果假設失敗，它需要重新優化它的代碼。

如何獲取 WebAssembly 代碼

WebAssembly是一項偉大的技術，我們需要如何利用 WebAssembly 的強大功能呢?

有幾種方法：

不推薦從頭編寫 WebAssembly 代碼，除非你非常了解基本知識
從 C 編譯為 WebAssembly
從 C++ 編譯為 WebAssembly
從 Rust 編譯為 WebAssembly
使用 AssemblyScript 將 Typescript 編譯為WebAssembly。對于不熟悉C/C ++或Rust 的 Web開發人員來說，這是一個不錯的選擇
支持更多的語言選項。

此外，還有Emscripten和WebAssembly Studio之類的工具可以幫助您完成上述過程。

JS 的 WebAssembly API

為了充分利用 WebAssembly 的特性，我們必須將其與 JS 代碼集成在一起，這可以在JavaScript WebAssembly API的幫助下完成。

模塊編譯和實例化

WebAssembly代碼駐留在.wasm文件中。這個文件應該被編譯成特定于它所運行的機器的機器碼。我們可以使用WebAssembly.compile方法來編譯 WebAssembly 模塊。

WebAssembly.instantiate方法實例化已編譯模塊。另外，我們也可以從.wasm文件獲得的數組緩沖區傳遞到WebAssembly.instantiate方法中。這也適用，因為實例化方法有兩個重載。

let exports 
 
fetch('sample.wasm').then(response => 
  response.arrayBuffer() 
).then(bytes => 
  WebAssembly.instantiate(bytes) 
).then(results => { 
  exports = results.instance.exports 
})

上述方法的缺點之一是這些方法不能直接訪問字節碼，因此在編譯/實例化wasm模塊之前，需要采取額外的步驟將響應轉換為ArrayBuffer。

相反，我們可以使用WebAssembly.compileStreaming / WebAssembly.instantiateStreaming方法來實現與上述相同的功能，其優點是可以直接訪問字節碼，而無需將響應轉換為ArrayBuffer。

let exports 
 
WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('sample.wasm')) 
.then(obj => { 
  exports = obj.instance.exports 
})

注意，WebAssembly.instantiate和WebAssembly.instantiateStreaming會返回實例以及已編譯的模塊，它們可用于快速啟動模塊的實例。

let exports; 
let compiledModule; 
 
WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('sample.wasm')) 
.then(obj => { 
  exports = obj.instance.exports; 
  //access compiled module 
  compiledModule = obj.module; 
})

導入對象

實例化 WebAssembly 模塊實例時，可以選擇傳遞一個導入對象，該對象將包含要導入到新創建的模塊實例中的值，有 4 種類型：

global values
functions
memory
tables

可以將導入對象視為提供給模塊實例的工具，以幫助它實現其任務。如果沒有提供導入對象，編譯器將分配默認值。

Global

WebAssembly.Global 對象表示一個全局變量實例, 可以被JavaScript 和importable/exportable 訪問 ,跨越一個或多個WebAssembly.Module 實例. 他允許被多個modules動態連接.

可以使用WebAssembly.Global()構造函數創建全局實例。

const global = new WebAssembly.Global({ 
    value: 'i64', 
    mutable: true 
}, 20)

語法

var myGlobal = new WebAssembly.Global(descriptor, value)

global 構造函數接受兩個參數。

descriptor

GlobalDescriptor 包含2個屬性的表:

value: A USVString 表示全局變量的數據類型. 可以是i32, i64, f32, 或 f64
mutable: 布爾值決定是否可以修改. 默認是 false

value可以是任意變量值，需要其類型與變量類型匹配. 如果變量沒有定義, 使用0代替

const global = new WebAssembly.Global({ 
    value: 'i64', 
    mutable: true 
}, 20); 
 
let importObject = { 
    js: { 
        global 
    } 
}; 
 
WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('global.wasm'), importObject)

全局實例應該傳遞給importObject，以便在 WebAssembly 模塊實例中可以訪問它。

Memory

當 WebAssembly 模塊被實例化時，它需要一個 memory 對象。你可以創建一個新的WebAssembly.Memory并傳遞該對象。如果沒有創建 memory 對象，在模塊實例化的時候將會自動創建，并且傳遞給實例。

JS引擎創建一個ArrayBuffer來做這件事情。ArrayBuffer 是 JS 引用的 JavaScript 對象。JS 為你分配內存。你告訴它需要多少內存，它會創建一個對應大小的ArrayBuffer

ArrayBuffer 做了兩件事情，一件是做 WebAssembly 的內存，另外一件是做 JavaScript 的對象。

它使 JS 和 WebAssembly 之間傳遞內容更方便。

使內存管理更安全。

Table

WebAssembly.Table() 構造函數根據給定的大小和元素類型創建一個Table對象。

這是一個包裝了WebAssemble Table 的Javascript包裝對象，具有類數組結構，存儲了多個函數引用。在 JS 或者WebAssemble中創建Table 對象可以同時被JS 或WebAssemble 訪問和更改。

引入Table的主要原因是提高了安全性。我們可以使用set()、grow()和get()方法來操作表。

事例

為了演示，我將使用WebAssembly Studio應用程序將C文件編譯為.wasm。

我已經在wasm文件中創建了一個函數來計算一個數字的冪。我將必要的值傳遞給函數，然后用JavaScript接收輸出。

同樣，我在wasm中進行了一些字符串操作。需要注意，wasm沒有字符串類型。因此，它將使用ASCII值。返回到 JS 的值將指向存儲輸出的內存位置。由于內存對象是ArrayBuffer，因此我要進行迭代，直到收到字符串中的所有字符為止。

JavaScript文件

let exports; 
let buffer; 
(async() => { 
  let response = await fetch('../out/main.wasm'); 
  let results = await WebAssembly.instantiate(await response.arrayBuffer()); 
  //or 
  // let results = await WebAssembly.instantiateStreaming(fetch('../out/main.wasm')); 
  let instance = results.instance; 
  exports = instance.exports; 
  buffer = new Uint8Array(exports.memory.buffer); 
 
  findPower(5,3); 
   
  printHelloWorld(); 
   
})(); 
 
const findPower = (base = 0, power = 0) => { 
  console.log(exports.power(base,power)); 
} 
 
const printHelloWorld = () => { 
  let pointer = exports.helloWorld(); 
  let str = ""; 
  for(let i = pointer;buffer[i];i++){ 
    str += String.fromCharCode(buffer[i]); 
  } 
  console.log(str); 
}

C 文件

#define WASM_EXPORT __attribute__((visibility("default"))) 
#include <math.h> 
 
 
WASM_EXPORT 
double power(double number,double power_value) { 
  return pow(number,power_value); 
} 
 
WASM_EXPORT 
char* helloWorld(){ 
  return "hello world"; 
}

應用

WebAssembly 更適合用于寫模塊，承接各種復雜的計算，如圖像處理、3D運算、語音識別、視音頻編碼解碼這種工作，主體程序還是要用 javascript 來寫的。

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作者：Mahdhi Rezvi 譯者：前端小智來源：medium

原文：https://blog.bitsrc.io/a-complete-introduction-to-webassembly-and-its-javascript-api-3474a9845206 11111

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責任編輯：武曉燕來源：大遷世界

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