WebAssembly 介绍

http://blog.csdn.net/zhangzq86/article/details/61195685

WebAssembly 的出现是不是意味着 Javascript 要完？

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新时代

WebAssembly（简称Wasm）是一种新的适合于编译到Web的，可移植的，大小和加载时间高效的格式。这是一个新的与平台无关的二进制代码格式，目标是解决JavaScript性能问题。这个新的二进制格式远小于JavaScript，可由浏览器的JavaScript引擎直接加载和执行，这样可节省从JavaScript到字节码，从字节码到执行前的机器码所花费的即时编译JIT（Just-In-Time）时间。 作为一种低级语言，它定义了一个抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST），开发人员可以以文本格式进行调试。

WebAssembly描述了一个内存安全的沙箱执行环境，可以在现有的JavaScript虚拟机中实现。 当嵌入到Web中时，WebAssembly将强制执行浏览器的同源和权限安全策略。因此，和经常出现安全漏洞的Flash插件相比，WebAssembly是一个更加安全的解决方案。

WebAssembly可由C/C++等语言编译而来。此外，WebAssembly由Google、Mozilla、微软以及苹果公司牵头的W3C社区组共同努力，基本覆盖主流的浏览器厂商，因此其可移植性相较Silverlight等有极大提升，平台兼容问题将不复出现。

在Web平台的很多项目中，对于原生新功能的支持需要Web浏览器或Runtime提供复杂的标准化的API来实现，但是JavaScript API往往较慢。使用WebAssembly，这些标准API可以更简单，并且操作在更低的水平。例如，对于一个面部识别的Web项目，对于访问数据流我们可以由简单的JavaScript API实现，而把面部识别原生SDK做的事情交由WebAssembly实现。

需要了解的是，WebAssembly不是将C/C++等其他语言编译到JavaScript，更不是一种新的编程语言。

探究

asm.js

上文的c语言求和代码经由编译器生成asm.js后如代码3所示。

代码3

上述代码转换为WebAssembly的文本格式稍显复杂，为了理解方便，我们从精简的asm.js开始（见代码4）。

代码4

wast文本文件

将asm.js代码转换为WebAssembly的文本格式 add.wast（转换工具见本文工具链章节，如代码5所示）。

代码4

WebAssembly中代码的可装载和可执行单元被称为一个模块（module）。在运行时，一个模块可以被一组import值实例化，多个模块实例能够访问相同的共享状态。目前文本格式中的module主要用S表达式来表示。虽然S表达格式不是正式的文本格式，但它易于表示AST。WebAssembly也被设计为与ES6的modules集成。

一个单一的逻辑函数定义包含两个部分：功能部分声明在模块中每个内部函数定义的签名，代码段部分包含由功能部分声明的每个函数的函数体。WebAssembly是带有返回值的静态类型，并且所有参数都含有类型。上面的add.wast可以解读为：

• 声明了一个名为$add的函数；
• 包含两个参数a和b，两者都是32位整型；
• 结果是一个32位整型；
• 函数体是一个32位的加法：
• 上面是局部变量$a得到的值；
• 下面是局部变量$b得到的值；
• 由于没有明确的返回节点，因此return是该加法函数的最后加载指令。

二进制Wasm文件

如图1所示，由C语言求和代码经过编译生成二进制文件，通读文件可以找到相应的头部、类型、导入、函数以及代码段等。通过JavaScript API载入Wasm二进制文件后，最终转换到机器码执行。

图1 经过编译的二进制文件

工具链

开发人员现在可以使用相应的工具链从C / C ++源文件编译WebAssembly模块。WebAssembly由许多工具支持，以帮助开发人员构建和处理源文件和生成的二进制内容。

Emscripten

Emscripten是其中无法回避的工具之一，如图2所示。在图2中，Emscripten SDK管理器（emsdk）用于管理多个SDK和工具，并且指定当前正被使用到编译代码的特定SDK和工具集。

图2 Emscripten工具链流程图及生成JavaScript（asm.js）流程

Emscripten的主要工具是Emscripten编译器前端（emcc），它是例如GCC的标准编译器的简易替代实现。

Emcc使用Clang将C/C++文件转换为LLVM（源自于底层虚拟机Low Level Virtual Machine）字节码，使用Fastcomp（Emscripten的编译器核心，一个LLVM后端）把字节码编译成JavaScript。输出的JavaScript可以由Node.js执行，或者嵌入HTML在浏览器中运行。这带来的直接结果就是，C和C++程序经过编译后可在JavaScript上运行，无需任何插件。

WABT和Binaryen

除此之外，对于想要使用由其他工具（如Emscripten）生成的WebAssembly二进制文件感兴趣的开发者，目前http://webassembly.org/官方额外提供了另外两组不同的工具：

• WABT ——WebAssembly二进制工具包；
• Binaryen——编译器和工具链。

WABT工具包支持将二进制WebAssembly格式转换为可读的文本格式。其中wasm2wast命令行工具可以将WebAssembly二进制文件转换为可读的S表达式文本文件。而wast2wasm命令行工具则执行完全相反的过程。

Binaryen则是一套更为全面的工具链，是用C++编写成用于WebAssembly的编译器和工具链基础结构库（如图3所示）。WebAssembly是二进制格式（Binary Format）并且和Emscripten集成，因此该工具以Binary和Emscript-en的末尾合并命名为Binaryen。它旨在使编译WebAssembly容易、快速、有效。它包含且不仅仅包含下面的几个工具。

图3 Binaryen生成WebAssembly流程

• wasm-as：将WebAssembly由文本格式（当前为S表达式格式）编译成二进制格式；
• wasm-dis：将二进制格式的WebAssembly反编译成文本格式；
• asm2wasm：将asm.js编译到WebAssembly文本格式，使用Emscripten的asm优化器；
• s2wasm：在LLVM中开发，由新WebAssembly后端产生的.s格式的编译器；
• wasm.js：包含编译为JavaScript的Binaryen组件，包括解释器、asm2wasm、S表达式解析器等。

Binaryen目前提供了两个生成WebAssembly的流程，由于emscripten的asm.js生成已经非常稳定，并且asm2wasm是一个相当简单的过程，所以这种将C/C ++编译为WebAssembly的方法已经可用（如图4所示）。

图4 Emscripten+Binaryen生成WebAssembly的完整流程

由此可见，Emscripten以及Binaryen提供了完整的C/C++到WebAssembly的解决方案。而Binaryen则帮助提升了WebAssembly的工具链生态。

提示

由于WebAssembly正处于活跃开发阶段，各项编译步骤和编译工具会有大幅变更和改进，相信最终的编译工具和步骤会趋于便捷，开发者需要留意官方网站的最新动态。

实战

Linux和mac OS平台编译原生代码到WebAssembly可由如下步骤实现。

编译环境准备

操作系统必须有可以工作的编译器工具链，因此需要安装GCC、cmake环境，此外Python、node.js及Java环境也是需要的（其中Java为可选，如图5所示）。

图5 编译环境安装

如果是以其他方式安装了Node.js，可能需要更新~/.emscripten文件的NODE_JS属性。

安装正确的emscripten分支

要编译原生代码到WebAssembly，我们需要emscripten的incoming分支。由于emscripten不仅仅是用于WebAssembly的编译工具链，选择正确的分支尤为重要（如图6所示）。

图6 安装emscripten的incoming分支

其中URLTO具体的URL是https://s3.amazonaws.com/mozilla-games/emscripten/releases/emsdk-portable.tar.gz。

处理安装异常

可运行emcc -v命令进行验证安装。如果遇到如图7所示的错误，表明带有JavaScript后端的LLVM编译器并未被生成。

图7 emcc -v命令报错

图8 emcc -v命令报错解决方案

通过图8步骤，可以解决该问题，并且在~/.emscripten 文件中修改如下配置：

开始编译程序

现在一个完整的工具链已经具备，我们可以使用它来编译简单的程序到WebAssembly。但是，还有一些其他注意事项：

• 必须通过参数-s Wasm=1到emcc（否则默认emcc将编译出asm.js）；
• 除了Wasm二进制文件和JavaScript wrapper外，如果还希望emscripten生成一个可直接运行的程序的HTML页面，则必须指定一个扩展名为.html的输出文件。

在编译之前，首先准备一个最基本的add.c程序，见代码6。

代码6

按代码7所示的命令编辑好add.c程序并编译：

运行WebAssembly应用

以Chrome浏览器为例，如果直接在浏览器内本地打开HTML文件，会有图9所示的错误： 

图9 XMLHttpRequest本地访问的跨域请求错误

由于XMLHttpRequest跨域请求不支持file://协议，必须经由HTTP实际输出，可以由python的SimplHTTPServer改进，见代码8：

代码8

在浏览器中输入http://127.0.0.1:8080并打开add.html，就能直接看到转换成WebAssembly的应用程序输出结果。

创建独立WebAssembly

默认情况下，emcc会创建JavaScript文件和WebAssembly的组合，其中JS加载包含编译代码的WebAssembly。对于C/C++开发人员，他们可能更倾向于创建独立的WebAssembly，用于JavaScript开发人员调用，见代码9。

代码9

上述命令运行后，我们可以得到独立的Wasm文件。需要说明的是，该参数仍然在开发中，可能随时发生规范和实现变更。

JavaScript API调用

从C/C++程序编译获得一个.wasm模块之后，JavaScript开发人员可以通过如下方式进行载入.wasm文件并执行。WebAssembly社区组也有计划通过Streams使用streaming以及异步编译，见代码10。

代码10

最后一行调用导出的WebAssembly函数，它反过来调用我们导入的JS函数，最终执行add(201700, 2)，并且在控制台获得期望的结果输出（如图10所示）。

图10 WebAssembly求和函数在控制台的输出

性能

那么，WebAssembly的真实性能如何呢？首先我们用一直被用来作为CPU基准测试的斐波那契 （Fibonacci）数列来进行对比，这里使用的是性能较差的递归算法，在Node.js v7.2.1环境下，能够看到WebAssembly性能优势越发明显（如图11所示）。

图11 CPU基准测试反应WebAssembly的真实性能

再看看最基本的1000毫秒时间内，求和计算的运算量统计，在同一台计算机的Firefox 50.1.0版本的运算结果如图12所示。

图12 1000毫秒内求和计算的运算量统计

尽管重复测试时结果不尽相同，重启浏览器并多次测试取平均值后依然可以看到WebAssembly的运算量比JavaScript快了近一个量级。

Demo

图13展示了Angry Bots Demo，它是由WebAssembly项目发布的一个Demo，由Unity游戏移植而来。

图13 Angry Bots Demo / Google Chrome 55.0.2883.87

通过如下方式可以体验WebAssembly在浏览器中的强大性能。即便Google Chrome较新的稳定版也已支持WebAssembly，还是推荐使用canary版及Firefox的nightly版进行测试。

1. 下载浏览器： 
   1-1. Google Chrome； 
   1-2. Mozilla Firefox； 
   1-3. Opera； 
   1-4. Vivaldi。
2. 打开 WebAssembly支持 ： 
   2-1. Google Chrome：chrome://flags/#enable-webassembly； 
   2-2. Mozilla Firefox：about:config→接受→搜索javascript.options.wasm→设置为true； 
   2-3. Opera：opera://flags/#enable-webassembly； 
   2-4. Vivaldi：vivaldi://flags#enable-webassembly。

访问：http://webassembly.org/demo/。

使用W、A、S、D等键实现移动操作，点击鼠标进行射击。该WebAssembly游戏在浏览器中运行相当流畅，媲美原生性能。

除了最新的浏览器开始对WebAssembly逐步支持外，Intel开源技术中心开发的Crosswalk项目（https://crosswalk-project.org/）早在2016年11月初的Crosswalk 22稳定版（Windows及Android 平台）即已加入对WebAssembly实验性的支持，开发者可以使用该版本体验Angry Bots Demo。

开发者

WebAssembly对于Web有显著的性能提升，对于开发者尤其是前端或者JavaScript开发人员而言，并不意味着WebAssembly将会取代JavaScript（如图14所示）。

图14 WebAssembly与JavaScript引擎的关系

WebAssembly被设计为对JavaScript的补充，而不是替代，是为了提供一种方法来获得应用程序的关键部分接近原生性能。随着时间的推移，虽然WebAssembly将允许多种语言（不仅仅是C/C++）被编译到Web，但是JavaScript的发展势头不会因此被削弱，并且仍然将保持Web的单一动态语言。此外，由于WebAssembly构建在JavaScript引擎的基础架构上，JavaScript和WebAssembly将在许多场景中配合使用。

那么WebAssembly是不是仅仅面向C/C++开发者呢？答案依旧是否定的。WebAssembly最初实现的重点是C/C++，由Mozilla主导开发的注重高效、安全和并行的Rust也能在2016年末被成功编译到WebAssembly了，未来还会继续增加其他语言的支持，见代码11。 

代码11

在未来，通过ES6模块接口与JavaScript集成，Web开发人员并不需要编写C++，而是可以直接利用其他人编写的库，重用模块化C++库可以像使用JavaScript中的modules一样简单。

进展

依据开发路线图，2016年10月31日，WebAssembly到达浏览器预览的里程碑。Google Chrome V8引擎及Mozilla Firefox SpiderMonkey引擎都已经在trunk上支持WebAssembly浏览器预览。2016年12月下旬，Microsoft Edge浏览器使用的JavaScript引擎ChakraCore v1.4.0启用了WebAssembly浏览器预览支持。而Webkit JavaScriptCore引擎对于该支持也在积极进行中。

目前，WebAssembly社区组已经有初始（MVP）二进制格式发布候选和JavaScript API在多个浏览器中实现。作为浏览器预览期间的一部分，WebAssembly社区组（WebAssembly Community Group）现在正在征求更广泛的社区反馈。社区组的初步目标是浏览器预览在2017年第一季度结束，但在浏览器预览期间的重大发现可能会延长该周期。当浏览器预览结束时，社区组将产生WebAssembly的草案规范，并且浏览器厂商可以开始默认提供符合规范的实现。预计在2017年上半年，四大主流浏览器对原生的WebAssembly支持将到达稳定版。

具体到Google V8引擎的最新进展，asm.js代码将不再通过Turbofan JavaScript编译器而是编译到WebAssembly后，在WebAssembly的原生执行环境中执行最终的机器码。这种改变带来的好处有，为asm.js将预先编译（AOT，Ahead Of Time Compilation）带到了Chrome，且完全向后兼容。新的WebAssembly编译渠道重用了一些Turbofan JavaScript编译器后端部分，因此能够在少了很多编译和优化消耗的前提下，产生类似的代码。在Google Chrome中，WebAssembly将很快在Canary版中默认启用，开发团队也期望能够发布到2017年第一季度末的稳定版中。

社区

包含所有主要浏览器厂商代表的W3C Web——Assembly社区组于2015年4月底成立。该小组的任务是，在编译到适用于Web的新的、便携的、大小和加载时间高效的格式上，促进早期的跨浏览器协作。该社区组也正在将WebAssembly设计为W3C开放标准。目前，除了文中所述主流浏览器厂商Mozilla、Google、微软、及苹果公司之外，Opera CTO及Intel的8位该领域专家均参与了该社区组。当然，并不是只有社区组成员才能参与标准的制定，任何人都可以在https://github.com/WebAssembly做出贡献。

展望

由于主要的浏览器厂商对WebAssembly支持表现积极，并且都在实现WebAssembly的各项功能，因此在Web中高性能需求的应用例如在线游戏、音乐、视频流、AR／VR、平台模拟、虚拟机、远程桌面、压缩及加密等都能够获得接近于原生的性能。相信WebAssembly将会开创Web的新时代。