隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用變得越來越復(fù)雜，如3d可視化、音視頻軟件以及大型網(wǎng)絡(luò)游戲。因此，代碼的效率和安全性變得更加重要。WebAssembly 是一個(gè)可移植的底層字節(jié)碼，它通過提供緊湊的表示、高效的驗(yàn)證和編譯以及低開銷甚至零開銷的安全執(zhí)行來滿足這些需求。它不僅是一個(gè)特定的編程模型，而且是獨(dú)立于語言和平臺(tái)的一個(gè)現(xiàn)代硬件抽象。

1. 緣起

由于歷史的偶然性，JavaScript 是 Web 上唯一天生支持的編程語言。由于其在實(shí)現(xiàn)中的普遍性、快速的性能改進(jìn)，或許由于純粹的需要，它已經(jīng)成為許多其他語言的編譯目標(biāo)。然而，JavaScript 有不一致的性能和各種其他的問題。

WebAssembly (簡稱“ Wasm”)用底層代碼解決了 Web上的安全、快速和可移植問題。從 ActiveX 到 Native Client 再到 asm.js，都沒有達(dá)到這種代碼格式應(yīng)該具有的屬性:

• 安全、快速、可移植性的語義:可以安全而快速地執(zhí)行，并且與語言、硬件和平臺(tái)無關(guān)，具有確定性結(jié)果并易于推理，同時(shí)與 Web 平臺(tái)能夠簡單地互操作

• 安全有效的表達(dá)形式:機(jī)構(gòu)緊湊，很容易解碼，驗(yàn)證和編譯，對開發(fā)者來說很容易生成，支持流式和并行處理。

為什么這些目標(biāo)很重要呢? 為什么又很難呢？

安全性

代碼的安全性在 Web 上是至關(guān)重要的，因?yàn)榇a往往來自不可信的源。代碼的保護(hù)在傳統(tǒng)上是通過提供托管語言運(yùn)行時(shí)來實(shí)現(xiàn)的，如瀏覽器的 JavaScript 虛擬機(jī)或語言插件。托管增強(qiáng)了內(nèi)存的安全性，防止程序損害用戶數(shù)據(jù)或系統(tǒng)狀態(tài)。然而，托管的運(yùn)行時(shí)在傳統(tǒng)上并沒有為底層代碼提供更多的內(nèi)容，例如c/c++的程序。

快速

類似于c/c++的靜態(tài)語言，編譯器會(huì)對底層代碼提前進(jìn)行優(yōu)化。本機(jī)代碼，無論是手寫的還是編譯器優(yōu)化后的輸出，都可以充分利用機(jī)器的性能。運(yùn)行時(shí)托管和沙箱技術(shù)通常會(huì)給這些代碼帶來巨大的性能開銷。

統(tǒng)一性

除了不可避免的硬件限制之外，存在著大量的優(yōu)秀編程范例，這些范例都不應(yīng)該受到代碼格式的限制。然而，大多數(shù)的運(yùn)行時(shí)托管被設(shè)計(jì)成能很好地支持特定的語言或者編程范式，同時(shí)又給其他語言帶來了巨大的成本。

便于移植

Web 不僅跨越了許多設(shè)備，還跨越了不同的機(jī)器體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和瀏覽器。針對 Web 的代碼必須獨(dú)立于硬件和平臺(tái)，以允許應(yīng)用程序以相同的確定性行為跨所有的瀏覽器和硬件類型運(yùn)行。以前的低級別代碼解決方案都綁定在單一體系結(jié)構(gòu)上，或者存在著其他可移植性問題。

緊湊的機(jī)構(gòu)

通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇a應(yīng)該很小，以減少負(fù)載、節(jié)省帶寬并提高整體的響應(yīng)能力。Web 上的代碼通常以 JavaScript 源代碼的形式傳輸，即使對其進(jìn)行了壓縮，也遠(yuǎn)不如二進(jìn)制格式緊湊。二進(jìn)制代碼格式也并不總是針對大小進(jìn)行優(yōu)化。

WebAssembly 是第一個(gè)針對 Web 的低級別代碼解決方案，它實(shí)現(xiàn)了上述所有設(shè)計(jì)目標(biāo)，是所有主要瀏覽器供應(yīng)商和在線社區(qū)為構(gòu)建高性能應(yīng)用程序的通用解決方案進(jìn)行協(xié)作的一個(gè)結(jié)果。

雖然 Web 是 WebAssembly 的緣起之地，但它的設(shè)計(jì)避免了對 Web 的任何依賴。它是一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，能夠在嵌入到各種各樣的環(huán)境中，也許是第一個(gè)從開始就用形式語義學(xué)來設(shè)計(jì)的工業(yè)級語言。

2. 語言概述

盡管 WebAssembly 是一種二進(jìn)制代碼格式，本質(zhì)上仍然是一種具有語法和結(jié)構(gòu)的編程語言，這使得它更容易解釋和理解。

2.1. 基礎(chǔ)

以下是WebAssembly 中的一些基本概念。

模塊

WebAssembly 二進(jìn)制文件采用了模塊的形式。它包含函數(shù)、全局變量、表和內(nèi)存的定義，這些定義可以通過導(dǎo)入、導(dǎo)出用于復(fù)用。

雖然模塊對應(yīng)于程序的靜態(tài)表示，但模塊的動(dòng)態(tài)表示是一個(gè)實(shí)例，具有完整的可變狀態(tài)。實(shí)例化一個(gè)模塊需要為所有導(dǎo)入提供定義，這些導(dǎo)入可能是從以前創(chuàng)建的實(shí)例導(dǎo)出的，通過調(diào)用導(dǎo)出函數(shù)來啟動(dòng)計(jì)算。模塊提供了封裝和沙盒，客戶端只能訪問模塊的導(dǎo)出，其他內(nèi)部構(gòu)件受到保護(hù)而不被篡改; 同時(shí)，模塊只能通過客戶端提供的導(dǎo)入與其環(huán)境交互，因此客戶端對給定模塊的功能擁有完全的控制權(quán)。這兩個(gè)方面都是代碼安全的重要組成部分。

函數(shù)

模塊中的代碼被組織成單獨(dú)的函數(shù)，獲取參數(shù)并返回由其函數(shù)類型定義的結(jié)果。函數(shù)可以相互調(diào)用，包括遞歸調(diào)用，運(yùn)行中的 WebAssembly 程序不能直接訪問執(zhí)行調(diào)用的堆棧。

指令

WebAssembly 在概念上是基于堆棧的機(jī)器，函數(shù)的代碼由操作堆棧上值的指令序列組成。然而，類型系統(tǒng)的布局可以在代碼中的任何點(diǎn)靜態(tài)確定，因此可以直接編譯指令之間的數(shù)據(jù)流，而無需實(shí)現(xiàn)操作堆棧。堆棧的組織僅僅是實(shí)現(xiàn)緊湊表達(dá)的一種方式，它比基于寄存器的機(jī)器尺寸要小。

trap異常

某些指令可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)異常的trap，這會(huì)立即中止當(dāng)前的計(jì)算。異常的trap可以不由 WebAssembly 代碼處理，一個(gè)嵌入器通常會(huì)提供處理這種情況的方法，例如，將它們具體化為 JavaScript 異常。

數(shù)值類型

WebAssembly 只有四個(gè)基本值類型可以計(jì)算。這些是整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)，每個(gè)都有32位或64位之分，可以在普通硬件中使用。大多數(shù) WebAssembly 指令對這些數(shù)值類型提供了簡單的操作符，例如一元和二元運(yùn)算符、比較和轉(zhuǎn)換。與硬件一樣，WebAssembly 不區(qū)分有/無符號(hào)整數(shù)類型。

變量

函數(shù)可以聲明可變局部變量，這實(shí)際上提供了一組零初始化的虛擬寄存器。模塊還可以聲明類型化的全局變量，這些變量可以是可變的，也可以是不可變的，并且需要顯式的初始值設(shè)定項(xiàng)。導(dǎo)入全局變量允許一種有限的可配置性，例如鏈接。像 WebAssembly 中的所有實(shí)體一樣，變量通過整數(shù)索引引用。

2.2 內(nèi)存

WebAssembly 的主要存儲(chǔ)器是大量的字節(jié)數(shù)組、線性存儲(chǔ)器或簡單存儲(chǔ)器。通過加載和存儲(chǔ)指令訪問內(nèi)存，其中地址只是無符號(hào)整數(shù)。

創(chuàng)建與擴(kuò)展

每個(gè)模塊最多只能定義一塊內(nèi)存區(qū)域，可以通過導(dǎo)入/導(dǎo)出與其他實(shí)例共享。創(chuàng)建的內(nèi)存區(qū)域具有初始大小，但可以動(dòng)態(tài)增長。增長單元是一個(gè)頁，它被定義為64kb，這將允許在硬件上重用虛擬內(nèi)存硬件進(jìn)行邊界檢查。頁大小是固定的，而不是系統(tǒng)特定的，以防止可移植性的危險(xiǎn)。

字節(jié)次序

由于大多數(shù)現(xiàn)代硬件都集中在 little endian 上，或者至少可以同樣很好地處理它，WebAssembly 的內(nèi)存區(qū)域同樣是little endian的字節(jié)順序。因此，內(nèi)存訪問的語義在所有引擎和平臺(tái)之間是完全確定和可移植的。

內(nèi)存安全

所有內(nèi)存訪問都是根據(jù)內(nèi)存大小動(dòng)態(tài)檢查的，越界訪問將導(dǎo)致異常trap。線性內(nèi)存與代碼空間、執(zhí)行堆棧和引擎的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是分離的，因此，編譯后的程序不能破壞它們的執(zhí)行環(huán)境，不能跳轉(zhuǎn)到任意位置，或執(zhí)行其他未定義行為。要以高性能的方式與不受信任的 JavaScript 和各種 Web API進(jìn)行交互，就必須實(shí)現(xiàn)快速的進(jìn)程內(nèi)隔離。同時(shí)，WebAssembly 引擎安全地嵌入到其他托管語言運(yùn)行時(shí)中。

2.3. 控制流

WebAssembly 表示的控制流與大多數(shù)基于堆棧的機(jī)器不同。它不提供任意跳轉(zhuǎn)，而是提供更類似于編程語言的結(jié)構(gòu)化控制流。通過這種構(gòu)造確保了控制流不會(huì)形成不可約減的循環(huán)，不會(huì)包含堆棧高度不對齊的塊分支，或者不會(huì)分支到多字節(jié)指令的中間。這些屬性允許在一次傳遞中驗(yàn)證 WebAssembly 代碼，在一次傳遞中編譯。

控制結(jié)構(gòu)

塊、循環(huán)和 if 結(jié)構(gòu)必須由結(jié)束操作碼終止，并且必須正確嵌套才能被認(rèn)為是格式良好的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部指令序列形成一個(gè)塊。注意，循環(huán)不會(huì)自動(dòng)迭代，但允許使用顯式分支手動(dòng)構(gòu)造循環(huán)。每個(gè)控件結(jié)構(gòu)都帶有一個(gè)函數(shù)的類型注釋，描述其對堆棧的影響、類型化的Pop/Push值。

分支

分支可以是無條件的、條件的或索引的。它們具有“標(biāo)簽”的即時(shí)性，不表示指令流中的位置，而是通過相對嵌套深度引用外部控制結(jié)構(gòu)。因此，標(biāo)簽有效地限定了作用域: 分支只能引用它們嵌套在其中的構(gòu)造。如果一個(gè)分支從該構(gòu)造的塊中斷開，切效果取決于目標(biāo)的構(gòu)造: 對于一個(gè)塊，或者如果它是一個(gè)向前跳轉(zhuǎn)到它的結(jié)束(如 break 語句) ; 對于一個(gè)循環(huán)，它是一個(gè)向后跳轉(zhuǎn)到它的開始(如 continue 語句)。分支通過隱式彈出所有未使用的操作符來解除對操作符堆棧的糾纏，類似于函數(shù)調(diào)用的返回。

表達(dá)式

結(jié)構(gòu)化控制流似乎是一個(gè)嚴(yán)格的限制，但大多數(shù)高級控制結(jié)構(gòu)都可以通過合適的塊嵌套輕松表達(dá)。例如，c 樣式 switch 語句,對于無序條件之間的失敗，需要更多的技巧。各種形式的循環(huán)同樣可以用分支組合來表示。

將非結(jié)構(gòu)化的控制流轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化形式是開發(fā)者的責(zé)任。這是 Web 編譯的既定方法，其中 JavaScript 也被限制為結(jié)構(gòu)化控件。這種限制的好處是，引擎中的許多算法更簡單、更快速。

2.4. 函數(shù)調(diào)用和表

函數(shù)體是一個(gè)塊。執(zhí)行可以通過以函數(shù)在堆棧上的結(jié)果值到達(dá)塊的末尾來完成，也可以通過退出函數(shù)塊的分支來完成，返回指令只是后者的簡寫。

調(diào)用

函數(shù)可以使用調(diào)用指令直接調(diào)用，指令可以用函數(shù)指針來模擬，該指令將運(yùn)行時(shí)索引引用到模塊定義的函數(shù)表中。表中的函數(shù)不需要具有相同的類型。相反，在不匹配的情況下，將根據(jù)提供的指令和trap的預(yù)期類型動(dòng)態(tài)檢查函數(shù)的類型，保護(hù)了執(zhí)行環(huán)境的完整性。表的異構(gòu)性允許函數(shù)指針更準(zhǔn)確地表示，并簡化了動(dòng)態(tài)鏈接。為了進(jìn)一步幫助動(dòng)態(tài)鏈接的場景，可以通過外部API改變導(dǎo)出的表。

外部調(diào)用

函數(shù)可以導(dǎo)入到模塊中，直接和間接調(diào)用都可以調(diào)用導(dǎo)入的函數(shù)，并且通過導(dǎo)出/導(dǎo)入，多個(gè)模塊實(shí)例可以通信。此外，導(dǎo)入機(jī)制作為一個(gè)安全的外部函數(shù)接口( ， WebAssembly 程序通過它可以與其嵌入環(huán)境通信。例如，在 Web 上導(dǎo)入的函數(shù)可能是由 JavaScript 定義的宿主函數(shù)?？缭秸Z言邊界的值將根據(jù) JavaScript 規(guī)則自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

2.5. 確定性結(jié)果

WebAssembly 試圖在不犧牲性能的情況下為低級代碼提供一個(gè)可移植的目標(biāo)。硬件行為不同的地方通常包括整數(shù)除以零，溢出或浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換以及對齊等。WebAssembly 的設(shè)計(jì)以最小的執(zhí)行開銷為所有這些硬件提供確定性語義。

然而，依賴于實(shí)現(xiàn)的行為仍然有三個(gè)來源可以被視為非確定性的：

• NaN有效載荷：WebAssembly 遵循 IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。但是，IEEE 并沒有在所有情況下為 NaN 值指定精確的位模式，cpu 之間存在顯著差異，而在每個(gè)數(shù)值操作之后進(jìn)行規(guī)范化的開銷太大?；?JavaScript 引擎的經(jīng)驗(yàn)，可以提供足夠的保證來支持像 NaN-tagging 這樣的技術(shù)。

• 資源耗盡：資源總是有限的，而且在設(shè)備之間差異很大。特別是，引擎可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存不足，調(diào)用指令也可能由于堆棧溢出而產(chǎn)生異常trap，但是，WebAssembly 本身無法觀察到這些情況，只是中止了計(jì)算。

• 宿主函數(shù)：WebAssembly 程序可以調(diào)用本身不確定或者更改 WebAssembly 狀態(tài)的宿主函數(shù)。當(dāng)然，調(diào)用宿主函數(shù)的結(jié)果也超出了 WebAssembly 的語義范圍。

2.6. 二進(jìn)制格式

WebAssembly 作為抽象語法的二進(jìn)制編碼進(jìn)行傳輸，這種編碼被設(shè)計(jì)為最小化尺寸大型和解碼時(shí)間。二進(jìn)制文件表示一個(gè)單獨(dú)的模塊，并根據(jù)其中聲明的不同類型的實(shí)體被劃分為若干部分。函數(shù)體的代碼被推遲到所有聲明之后的一個(gè)單獨(dú)的部分，以便在函數(shù)體開始通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)時(shí)啟用流式編譯。引擎還可以并行編譯函數(shù)體。。該格式還允許用戶自定義的部分，這些部分可能會(huì)被引擎忽略。

3. 語義的感知

WebAssembly 語義由兩部分組成: 定義驗(yàn)證的靜態(tài)語義和定義執(zhí)行的動(dòng)態(tài)語義。在這兩種情況下，對于聲明性規(guī)范來說都是方便而有效的工具。最后，形式化能夠輕松地證明WebAssembly 規(guī)范，機(jī)器驗(yàn)證結(jié)果的正確性，以及構(gòu)建一個(gè)可證明的正確解釋器。

執(zhí)行

執(zhí)行是根據(jù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的小步驟縮減關(guān)系來定義的，其中每個(gè)計(jì)算步驟都被描述為一系列指令的重寫規(guī)則。堆棧只是由一個(gè)指令序列中所有前導(dǎo)標(biāo)識(shí)的指令組成，當(dāng)指令序列被減少為與結(jié)果值堆棧相對應(yīng)的常量時(shí)，執(zhí)行終止

為了處理控制構(gòu)造，使用少量輔助管理的指令擴(kuò)展語法，這些輔助指令只在還原過程中臨時(shí)出現(xiàn)，框架本質(zhì)上是函數(shù)調(diào)用的調(diào)用框架。

存儲(chǔ)區(qū)為程序的全局狀態(tài)建模，并記錄已分配的函數(shù)、全局、表和內(nèi)存實(shí)例的列表。存儲(chǔ)組件之一的索引稱為地址，模塊實(shí)例將指令中出現(xiàn)的靜態(tài)索引映射到存儲(chǔ)中各自的動(dòng)態(tài)地址。為此，除了函數(shù)本地變量的狀態(tài)之外，每個(gè)幀還攜帶一個(gè)到它所在的模塊實(shí)例的鏈接，實(shí)現(xiàn)可以通過將生成的機(jī)器代碼專門化為模塊實(shí)例來消除這些閉包。

存儲(chǔ)、幀和指令序列的三元組一起構(gòu)成一個(gè)配置，表示 WebAssembly 抽象機(jī)器在給定時(shí)間點(diǎn)的完整狀態(tài)。一般的約簡規(guī)則是重寫配置，而不僅僅是指令序列。

驗(yàn)證

在 Web 上，代碼是從不可信的來源獲取的，必須經(jīng)過驗(yàn)證。Webasembly 的驗(yàn)證規(guī)則簡潔地定義為類型系統(tǒng)。這種類型系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)成在一個(gè)單一的線性有效檢查。

指令的類型是指定其所需輸入堆棧和提供的輸出堆棧的函數(shù)類型。每條規(guī)則由一個(gè)結(jié)論和一個(gè)可能是空的前提列表組成。它可以被解讀為: 如果所有前提都成立，結(jié)論就成立。每個(gè)指令都有一個(gè)規(guī)則，定義何時(shí)類型良好。當(dāng)且僅當(dāng)規(guī)則能歸納地推導(dǎo)出它是類型良好的程序時(shí)，該程序才有效。

例如，常量和數(shù)值運(yùn)算符的規(guī)則是公理，甚至不需要一個(gè)前提。控制構(gòu)造的規(guī)則要求它們的類型匹配顯式注釋，并且在檢查內(nèi)部塊時(shí)使用本地標(biāo)簽擴(kuò)展上下文。當(dāng)鍵入分支指令時(shí)，會(huì)在上下文中查找標(biāo)簽類型，這需要堆棧上的適當(dāng)操作符來匹配連接點(diǎn)上的堆棧。

可靠性

WebAssembly 系統(tǒng)類型具有標(biāo)準(zhǔn)的可靠性屬性。約簡規(guī)則實(shí)際上涵蓋了有效程序可能出現(xiàn)的所有執(zhí)行狀態(tài)。這意味著沒有類型安全的違規(guī)，如無效調(diào)用或非法訪問局部變量，它保證了內(nèi)存安全，并確保了代碼地址或調(diào)用堆棧的不可訪問性。它還意味著操作符堆棧的使用是結(jié)構(gòu)化的，其布局在所有程序點(diǎn)上都是靜態(tài)確定的，這對于在基于寄存器的機(jī)器上的高效編譯至關(guān)重要。此外，它還建立了內(nèi)存和狀態(tài)封裝，即模塊和函數(shù)邊界上的抽象屬性，這些屬性不會(huì)泄漏信息。

機(jī)械化證明

WebAssembly 中的引用解釋器包括了將形式規(guī)則直接轉(zhuǎn)譯為可執(zhí)行代碼。雖然這兩個(gè)任務(wù)基本上都很簡單，但它們總是容易出現(xiàn)測試沒有發(fā)現(xiàn)的細(xì)微錯(cuò)誤。機(jī)器化語義驗(yàn)證不僅在于驗(yàn)證 WebAssembly 本身，還在于為其他形式化方法的應(yīng)用程序提供了基礎(chǔ)，例如驗(yàn)證針對 WebAssembly 的編譯器或證明程序的性質(zhì)、程序等價(jià)性和安全性。

4. 標(biāo)準(zhǔn)化

WebAssembly 的形式化語義能夠促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化的形成。

核心語言

WebAssembly語言的定義遵循形式化，并指定抽象語法、類型規(guī)則、約簡規(guī)則和抽象存儲(chǔ)。二進(jìn)制格式和文本格式作為屬性文法給出，準(zhǔn)確地描述了它們產(chǎn)生的抽象語法。對于工業(yè)級語言來說，這種嚴(yán)謹(jǐn)和精確程度可能是前所未有的。

• 形式化：一個(gè)廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)不能假定所有讀者都熟悉語義的形式化符號(hào)，將正式規(guī)則集中放在標(biāo)準(zhǔn)文檔中，即使不直接閱讀這些規(guī)則的開發(fā)者也會(huì)從中受益。

• 引用解釋器：隨著瀏覽器對 WebAssembly 的產(chǎn)品化實(shí)現(xiàn)，引用解釋器近似于“可執(zhí)行的規(guī)范”被用來開發(fā)測試套件，來測試具體的實(shí)現(xiàn)和形式規(guī)范，以及構(gòu)建新特性的原型。

顯然，形式化的語義并非在所有情況下都是直截了當(dāng)?shù)?。WebAssembly 的實(shí)現(xiàn)包括了多階段提案流程。在提案的不同階段，維護(hù)者必須提供: (1)非正式的描述，(2)非正式規(guī)范，(3)原型實(shí)現(xiàn)，(4)全面的測試套件，(5)形式規(guī)范，(6)引用解釋器中的實(shí)現(xiàn)，(7)獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。

嵌入執(zhí)行環(huán)境

WebAssembly 類似于虛擬指令集的程序架構(gòu)，因?yàn)樗欢x程序如何加載到執(zhí)行引擎，也不定義程序如何執(zhí)行 i/o。這種設(shè)計(jì)分離可以將 WebAssembly 實(shí)現(xiàn)嵌入到執(zhí)行環(huán)境中。嵌入機(jī)制定義了模塊如何加載、導(dǎo)入和導(dǎo)出如何解析、trap如何處理，并提供用于訪問環(huán)境的外部函數(shù)。

為了加強(qiáng)平臺(tái)獨(dú)立性，WebAssembly標(biāo)準(zhǔn)被分層為單獨(dú)的文檔: 核心規(guī)范只定義了虛擬指令集架構(gòu)，單獨(dú)的嵌入規(guī)范定義了它與具體主機(jī)環(huán)境的交互。

在瀏覽器中，可以通過 JavaScript API 加載、編譯和調(diào)用 WebAssembly 模塊。粗略的方法是(1)從給定源獲取二進(jìn)制模塊，例如，作為網(wǎng)絡(luò)資源，(2)實(shí)例化它，提供必要的導(dǎo)入，(3)調(diào)用所需的導(dǎo)出函數(shù)。由于編譯和實(shí)例化可能比較慢，因此它們作為異步方法提供，其結(jié)果包裝在承諾中。JavaScript API 還允許在外部創(chuàng)建和初始化內(nèi)存或表，或者作為導(dǎo)出訪問它們。

作為一種底層語言，WebAssembly 不提供任何內(nèi)置的對象模型，這種設(shè)計(jì)為開發(fā)者提供了最大的靈活性，并且不像以前的虛擬機(jī)那樣，不鎖定任何特定的編程范式/對象模型。生產(chǎn)者可以在 WebAssembly 之上定義通用的 ABI，這樣模塊就可以在不同的應(yīng)用程序中進(jìn)行互操作了。這個(gè)關(guān)注點(diǎn)的分離對于將 WebAssembly 作為一種通用的代碼格式至關(guān)重要。

5. 實(shí)現(xiàn)中的一些考量

WebAssembly 的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在不犧牲安全性和可移植性的情況下實(shí)現(xiàn)高性能。

V8(Chrome)、 SpiderMonkey (Firefox)和 JavaScriptCore (WebKit)重用其JS編譯器來提前編譯 WebAssembly 模塊。這樣可以獲得可預(yù)測的高性能，啟動(dòng)速度更快，并且可能降低內(nèi)存消耗。在這些實(shí)現(xiàn)中，使用了相同的使用抽象控制和操作符堆棧的算法策略。在解碼過程中，對傳入字節(jié)碼進(jìn)行一次驗(yàn)證，不需要額外的中間表示。

SpiderMonkey 引擎包括了兩個(gè) WebAssembly 編譯層。第一種是快速的基線 JIT，JIT 不創(chuàng)建中間表示(Intermediate Representation，IR) ，但是會(huì)跟蹤寄存器狀態(tài)，并嘗試在前進(jìn)傳遞中執(zhí)行簡單的寄存器分配?；€ JIT 僅用于快速啟動(dòng)，而優(yōu)化 JIT 在后臺(tái)并行編譯模塊。V8在原型配置中包含類似的基線 JIT。優(yōu)化 JIT 可以獲得 JavaScript 的頂級執(zhí)行，并將其重用于 WebAssembly。V8和 SpiderMonkey 都使用基于SSA的中間表示。WebAssembly 的結(jié)構(gòu)化控制流對此有很大的幫助，使得解碼算法更簡單、更有效，并且避免了通常 JIT 的局限性。

通過設(shè)計(jì)，可以通過動(dòng)態(tài)邊界檢查保證 WebAssembly 中的所有內(nèi)存訪問是安全的，這相當(dāng)于根據(jù)內(nèi)存的當(dāng)前大小檢查地址。引擎將從進(jìn)程中的某個(gè)基址開始，在一個(gè)很大的連續(xù)范圍內(nèi)分配內(nèi)存。為了快速訪問，基址可以存儲(chǔ)在一個(gè)專用的機(jī)器寄存器中，一個(gè)更積極的策略是將每個(gè)實(shí)例的機(jī)器代碼專門化到一個(gè)特定的基地址，將它作為一個(gè)常量直接嵌入到代碼中。

在64位平臺(tái)上，引擎可以利用虛擬內(nèi)存來完全消除內(nèi)存訪問的邊界檢查。引擎只是保留8GB的虛擬地址空間，除了啟動(dòng)附近的有效內(nèi)存部分，所有頁標(biāo)記為不可訪問。由于 WebAssembly 內(nèi)存地址和偏移量是32位整數(shù)加上一個(gè)靜態(tài)常數(shù)，任何訪問都不能超過8GB的地址空間。因此，JIT 可以簡單地發(fā)出普通的加載/存儲(chǔ)指令，并依靠硬件保護(hù)機(jī)制來捕獲越界訪問。

通過超前編譯， WebAssembly 模塊的編譯可以并行化，將各個(gè)函數(shù)分配到不同的線程，這樣做明顯地提高了性能。例如，v8和 SpiderMonkey 使用8個(gè)編譯線程，在編譯速度上都提高了5-6倍。此外，WebAssembly 二進(jìn)制格式的設(shè)計(jì)支持流媒體，在加載完整的二進(jìn)制文件之前，引擎可以開始編譯單個(gè)函數(shù)。當(dāng)與并行化結(jié)合時(shí)，這最小化了冷啟動(dòng)時(shí)間。

代碼緩存除了冷啟動(dòng)時(shí)間之外，熱啟動(dòng)時(shí)間也很重要，因?yàn)橛脩艨赡軙?huì)反復(fù)訪問相同的 Web 頁面。IndexedDB 數(shù)據(jù)庫的 JavaScript API 允許 JavaScript 操作和編譯 WebAssembly 模塊，并將其編譯后的表示作為一個(gè)不透明的 blob 存儲(chǔ)。這允許 JavaScript 應(yīng)用程序在下載和編譯它之前，首先向 IndexedDB 查詢 WebAssembly 模塊的緩存版本。在 v8和 SpiderMonkey 中，這種機(jī)制可以使啟動(dòng)時(shí)間提高數(shù)秒的數(shù)量級。字節(jié)碼驗(yàn)證的速度和簡單性是獲得良好性能和高保證的關(guān)鍵，WebAssembly 不像 JVM 字節(jié)碼驗(yàn)證那樣有150頁說明，而只是一頁形式化符號(hào)。

6. 小結(jié)

WebAssembly 側(cè)重于支持底層代碼，特別是從 c/c + + 編譯而來的代碼。通過包含相關(guān)的原語(如尾調(diào)用、堆棧切換或協(xié)同程序) ，WebAssembly 可能會(huì)發(fā)展成為高級語言，但是，一個(gè)非常重要的目標(biāo)是提供對內(nèi)置在所有 Web 瀏覽器中的垃圾收集器的訪問，從而消除在編譯 Web 與 JavaScript 時(shí)候的相關(guān)缺陷。除了 Web 之外，WebAssembly 還可能在其他領(lǐng)域找到廣泛的用途，例如內(nèi)容傳輸網(wǎng)絡(luò)中的沙盒，智能合約或區(qū)塊鏈上的去中心化計(jì)算，作為移動(dòng)設(shè)備的代碼格式，甚至僅僅作為提供便攜式運(yùn)行時(shí)的單獨(dú)引擎。

【參考文獻(xiàn)與關(guān)聯(lián)閱讀】

• https://webassembly.org/
• https://webassembly.github.io/spec/.
• http://asmjs.org
• https://cacm.acm.org/magazines/2018/12/23288-bringing-the-web-up-to-speed-with-webassembly/fulltext
• 數(shù)據(jù)系統(tǒng)讀寫權(quán)衡的一知半解
• DHT算法的一知半解
• 穩(wěn)定幣的一知半解
• NFT 的一知半解
• 服務(wù)可用性的一知半解
• 人工智能倫理學(xué)的一知半解
• 對AI產(chǎn)品經(jīng)理的一知半解
• ES的一知半解