「技术分享」WebAssembly能否重新定义前端开发模式？

喜欢站在山上 2020-11-13

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如果提及近年来让人最为兴奋的新技术，非WebAssembly 莫属。作为一种低级的类汇编语言，WebAssembly以紧凑二进制的格式存储，为C/C++, Rust等拥有低级内存的模型语言提供了新的编译目标。正因如此，WebAssembly体积更小，可以以接近原生性能的速度运行。

WebAssembly 技术本身具有非常多的优点，虽始于浏览器但已经开始不断地被各个语言及平台所集成，在实际的工业化落地中，区块链、边缘计算、游戏及图像视频等多个领域都依靠 WebAssembly 创造出了让人称赞的产品。

WebAssembly的应用场景

编译器（编译链）
多媒体剪辑
游戏
图像识别
VR+虚拟现实
直播视屏特效
游戏、应用分发服务
服务器端运行不受信任的代码
移动端混合应用
P2P应用
...

WebAssembly的主要特性

快速、高效、可移植
可读、可调试
安全，遵循浏览器同源策略和授权策略，运行在沙箱环境中
与其他web技术兼容(JS)

WebAssembly VS Javascript

既然提到了Web技术，就不得不提另一款在Web项目开发中大放异彩的脚本语言Javascript。1995 年，Brendan Eich 用了不到 10 天就创建了 Javascript，其最初主要应用于表单验证，而非以速度见长。随着各类应用功能的复杂化，受限于 JavaScript 语言本身动态类型和解释执行的设计，其性能问题逐渐凸现。

2008年，围绕着浏览器性能开展的大战终于在各大浏览器厂商间爆发，在先后经历了即时编译器（JITs），以及用Node.js和Electron构建应用程序的时期后，WebAssembly有望成为JS引擎突破下一性能瓶颈的转折点。

为此，这两者经常被用于比较，甚至一度出现WebAssembly 终将替代 Javascript的言论。的确，作为类汇编语言，WebAssembly解决了Javascript最常为人诟病的性能问题，也正是基于此，WebAssembly注定不适合开发人员手写代码，只能为其他语言提供一个编译目标。

因此，这两种技术的关系不是竞争，反而更像是合作共赢。通过 Javascript API，你可以将 WebAssembly 模块加载到你的页面中。也就是说，你可以通过 WebAssembly 来充分利用编译代码的性能，同时保持 Javascript 的灵活性。

二者性能对比

下图为我们展现了JS引擎运行程序和运行Wasm的耗时对比：

JS引擎运行程序时，需要经历源码转换（parse）、生成字节码（compile + optimize）、编译器优化（re-optimize）、代码执行（execute）和内存清理（GC）这五个阶段：

parse : 将源码转换成抽象语法树，传递给解释器。
compile + optimize : 解释器生成字节码，并通过编译器（JIT）编译优化部分字节码，生成机器码。
re-optimize : 当发现优化代码无法被编译器优化时，重现转给解释器。
execute : 执行代码的过程。
GC: 清理内存的时间。

大部分情况下，JS在执行阶段将字节码编译成机器码，这一阶段十分耗时。（这是由于JS的动态性所导致，相同的代码会被不同的类型重新编译）。而Wasm不需要被解析，也不需要在运行时动态检测数据类型，由于它已经是字节码了，所以只需要简单解码，即可包含所有的类型信息。

正是因为Wasm的大部分优化工作已经在LLVM的前端部分完成了，所以编译优化的工作很少，这便是其高性能的主要体现。

编译模型(LLVM)

LLVM（Low-Level-Virtural-Machine）, 底层虚拟机架构，优点包括：

模块化设计（三段式：前端、优化器、后端），代码更为清晰和便于排查问题，前端负责语法解析，生成字节码；优化器负责优字节码；后端负责生成相应平台的机器码；
语言无关的中间代码，可以无限扩展而又不伤害可调试性；
作为工具和函数库，易于实现新的基于编程语言的优化编译器或VM。

WebAssembly 与LLVM结合

WebAssembly与LLVM结合，不需要为各个语言额外添加前端编译工具，中间的IL可以不断地优化，仅需添加一个'后端'，就可以让大部分语言编译成wasm。这个'后端'不同于之前提到的后端，它不会直接生成机器码，它生成的wasm，会由浏览器wasm运行时负责编译运行。

这就是WebAssembly的编译原理，既然WebAssembly的核心目标是与Javascript等Web技术兼容，那么其兼容到底程度如何？下面，我们将通过项目实战来验证。

注：具体的代码和Demo示例将在grapecity的公开课中进行演示，欢迎各位同学点击文末“了解更多”观看。

项目实战：WebAssembly + Javascript

在进入项目实战之前，大家需要理解一个核心概念，即JavaScript为何能完全控制WebAssembly代码，并执行下载和编译运行：

Module（模块）：该模块表示一个已经被浏览器编译为可执行机器码的wasm二进制序列。模块是无状态的，它可以被缓存在IndexedDB中或者在workers之间共享，也能够像JS一样导入导出。
Memory（内存）：连续大小可变的字节数组，能够被Wasm和JS同步读写。它可以用来在JS和Wasm之间传递数据，进行通信。
Table（表格）：带类型的大小可变的数组，表格里存储了不能作为原始字节存储在内存里的对象的引用。
Instance（实例）：一个模块及其在运行时的所有状态，包括内存，表格，以及导入的值。

可见，JavaScript API为开发者提供了创建模块、内存、表格和实例的能力。

通过一个WebAssembly实例，JavaScript能够调用该实例暴露的函数，把JavaScript函数导入到WebAssembly实例中，WebAssembly也能调用JavaScript函数。

另外，WebAssembly不能直接读写DOM，只能调用JavaScript，并且只能传入整形和浮点型的原始数据作为参数。因此，JavaScript能够完全控制WebAssembly代码实现下载、编译、运行， JavaScript开发者也可以把WebAssembly想象成一个生成高性能函数的JavaScript特性。