WebAssembly

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让我们深入了解 WebAssembly (Wasm)。我将把它分解成易于理解的几个部分：它是什么、如何工作、为何重要、如何使用以及未来发展方向。读完本文后，你将扎实掌握 WebAssembly 并了解如何开始使用它。

1. 什么是 WebAssembly？

WebAssembly 是一种二进制指令格式，设计为编程语言的可移植高性能编译目标。它是一种类似汇编的低级语言，具有紧凑的二进制表示形式，但并非供人类直接编写——而是通过编译 C、C++、Rust、Go 甚至 Python 等高级语言生成。

主要特性：
- 高性能： 通过利用硬件能力，以接近原生速度执行。
- 可移植性： 跨平台（浏览器、服务器、物联网设备等）一致运行。
- 安全性： 在沙箱环境中运行，与主机系统隔离。
- 互操作性： 与 JavaScript 协同工作，而非对立。
发展历程：
- 2015 年由 Mozilla、Google、Microsoft 和 Apple 合作推出。
- 2019 年成为 W3C 推荐标准，标志着其成为官方 Web 标准。
应用场景：
- 网页游戏（例如 Unity 或 Unreal Engine 导出）。
- 性能关键型应用（例如 Figma 等视频编辑器或类似 Photoshop 的工具）。
- 服务端应用（例如与 Node.js 配合使用）。
- 在现代环境中运行遗留代码库。

2. WebAssembly 如何工作？

WebAssembly 弥合了高级代码与机器执行之间的差距。流程如下：

源代码： 使用 C++ 或 Rust 等语言编写代码。
编译： 编译器（例如用于 C/C++ 的 Emscripten 或用于 Rust 的 wasm-pack）将其转换为 WebAssembly 的二进制格式（.wasm 文件）。
执行：
- 在浏览器中，.wasm 文件被获取（通常通过 JavaScript），经过验证并由浏览器的 Wasm 运行时编译为机器码。
- 运行时在沙箱中执行代码，确保安全。

文本格式 (WAT)： WebAssembly 也有一种人类可读的文本表示形式（.wat），适用于调试或学习。例如：
```
(module
  (func (export "add") (param i32 i32) (result i32)
    local.get 0
    local.get 1
    i32.add)
)
```
这定义了一个函数 add，它接受两个 32 位整数并返回它们的和。
内存模型： Wasm 使用线性内存模型——一个程序可以读/写的扁平字节数组。它通过手动管理或源语言的运行时进行管理。
与 JavaScript 交互： 使用 WebAssembly.instantiate() 或 fetch() 在 JavaScript 中加载 Wasm 模块，并调用导出的函数。Wasm 也可以回调到 JavaScript。

3. 为何使用 WebAssembly？

速度： 预编译的二进制文件比解释型 JavaScript 运行更快。
语言灵活性： 可以使用 C、Rust 等语言，而不必局限于 JavaScript。
体积效率： .wasm 文件比等效的 JavaScript 更小，减少了加载时间。
跨平台： 一次编写，随处运行——浏览器、服务器或嵌入式设备。
安全性： 沙箱机制防止恶意代码访问主机系统。

权衡之处：

无法直接访问 DOM（需要通过 JavaScript 实现）。
对于初学者来说，工具链可能较为复杂。
调试比 JavaScript 更棘手。

4. 开始使用 WebAssembly

让我们通过一个简单示例来了解：将 C 函数编译为 WebAssembly 并在浏览器中运行。

步骤 1：安装工具

Emscripten： 用于将 C/C++ 编译为 WebAssembly 的工具链。
- 安装：遵循 Emscripten 指南（需要 Python、CMake 等）。
Node.js： 可选，用于在浏览器外运行 Wasm。
Web 服务器： 浏览器要求通过 HTTP 提供 .wasm 文件（例如使用 python -m http.server）。

步骤 2：编写代码

创建文件 add.c：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

步骤 3：编译为 WebAssembly

运行以下 Emscripten 命令：

emcc add.c -s EXPORTED_FUNCTIONS='["_add"]' -s EXPORT_ES6=1 -s MODULARIZE=1 -o add.js

输出 add.js（胶水脚本）和 add.wasm（二进制文件）。

步骤 4：在 HTML 中使用

创建 index.html：

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <meta charset="utf-8">
</head>
<body>
    <script type="module">
        import init, { add } from './add.js';
        async function run() {
            await init();
            console.log(add(5, 3)); // 输出 8
        }
        run();
    </script>
</body>
</html>

步骤 5：提供并测试

启动本地服务器：python -m http.server 8080
在浏览器中打开 http://localhost:8080，并检查控制台。

对于 Rust，可以使用 cargo 和 wasm-pack——过程类似，工具链不同。

5. 生态系统与工具

语言支持：
- C/C++： Emscripten。
- Rust： wasm-pack、wasm-bindgen。
- Go： 内置 Wasm 支持（GOOS=js GOARCH=wasm）。
- AssemblyScript： 类似 TypeScript 语法的 Wasm。
运行时：
- 浏览器： Chrome、Firefox、Safari、Edge。
- Node.js： 使用 --experimental-wasm-modules。
- 独立运行时： Wasmtime、Wasmer、WasmEdge。
库：
- WebGL： 用于图形处理（例如游戏）。
- WASI： 用于非 Web 场景的 WebAssembly 系统接口（文件 I/O 等）。

6. 高级特性

线程： 通过 SharedArrayBuffer 支持并行处理。
SIMD： 用于数学密集型任务的向量指令（例如图像处理）。
WASI： 将 Wasm 扩展到 Web 之外，增加系统调用。
动态链接： 加载多个 .wasm 模块并在运行时链接它们。

7. WebAssembly 的未来

更广泛的应用： 更多语言和框架正在添加 Wasm 支持。
无服务器计算： Wasm 的轻量特性适合边缘计算。
标准化： 垃圾回收和异常处理等提案正在进行中。
非 Web 领域的增长： WASI 和 Wasmer 等运行时正在将 Wasm 推向物联网、桌面应用等更多领域。

8. 扩展学习资源

官方网站： webassembly.org
MDN 文档： MDN 上的 WebAssembly
教程： 《Rust and WebAssembly》书籍 (rustwasm.github.io/book) 或 Emscripten 文档。
X 平台帖子： 在 X 上搜索 #WebAssembly 获取实际案例和讨论。

快速回顾

WebAssembly 在性能和可移植性方面具有革命性意义。你可以用自己喜欢的语言编写代码，编译为 .wasm，并在任何地方快速运行。它并非万能药（JavaScript 仍然主导着 Web 的交互性），但它是现代开发者工具包中的强大工具。

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