深入 WebAssembly 二进制格式:小巧、快速的奥秘
什么是 WebAssembly?
为什么需要二进制格式?
Wasm 二进制格式概览
深入 Wasm 二进制格式
1. LEB128 编码
2. 结构化控制流
3. 线性内存
4. 基于栈的虚拟机
Wasm 二进制格式示例
如何查看和分析 Wasm 二进制文件?
Wasm 二进制格式的优势
总结
你好!今天咱们来聊聊 WebAssembly(简称 Wasm)的二进制格式。你可能听说过 Wasm 很快、很小巧,但你知道这背后的原因吗?如果你对底层技术感兴趣,想一探究竟,那就跟我来吧!
什么是 WebAssembly?
在深入二进制格式之前,咱们先简单回顾一下 WebAssembly 是什么。Wasm 是一种可移植的、体积小、加载快的二进制格式,可以在现代 Web 浏览器中运行。它被设计为一种编译目标,可以从 C、C++、Rust 等高级语言编译而来,让你能在 Web 上运行高性能的代码。
为什么需要二进制格式?
你可能会问,JavaScript 不是挺好的吗,为什么还需要 Wasm?JavaScript 是一种解释型语言,这意味着它需要在运行时进行解析和编译。这会带来一定的性能开销。而 Wasm 是一种二进制格式,这意味着它已经被编译成了一种更接近机器码的形式,可以更快地被解析和执行。
Wasm 二进制格式概览
Wasm 的二进制格式是经过精心设计的,以实现体积小巧和快速加载的目标。它主要由以下几个部分组成:
- 模块(Module): Wasm 的基本单元是模块。一个模块包含了一组定义,例如类型、函数、内存、表和全局变量。
- 节(Section): 模块由一系列节组成。每个节都有一个特定的 ID 和用途。例如,类型节包含模块中使用的所有函数类型的定义,函数节包含函数的代码。
- 类型(Type): 类型节定义了模块中使用的函数签名。
- 函数(Function): 函数节包含了函数的代码,这些代码由一系列 Wasm 指令组成。
- 指令(Instruction): Wasm 指令是 Wasm 虚拟机的基本操作。它们类似于汇编指令,但更加抽象。
- 内存(Memory): Wasm 模块可以定义一个线性内存,用于存储数据。
- 表(Table): 表是一种用于存储函数引用的数组,可以用于实现间接函数调用。
- 全局变量(Global): 全局变量用于存储模块中的全局状态。
- 导出(Export): 导出节声明了哪些函数、内存、表、全局变量可以被外部(如JavaScript)访问。
- 导入(Import): 导入节声明了当前模块需要从外部(如JavaScript)导入哪些函数、内存、表、全局变量。
- 数据段(Data):数据段用于初始化内存。
- 元素段(Element):元素段用于初始化表。
- Start Section(起始节): 起始节指定了模块加载后应该自动执行的函数。
深入 Wasm 二进制格式
下面,咱们来更深入地了解一下 Wasm 二进制格式的一些关键特性。
1. LEB128 编码
Wasm 使用 LEB128(Little Endian Base 128)编码来表示整数。LEB128 是一种可变长度的编码方式,可以根据整数的大小使用不同数量的字节来表示。对于较小的整数,LEB128 编码可以节省空间。
例如,数字 624485 可以被编码为 0xE5 0x8E 0x26
。
2. 结构化控制流
Wasm 使用结构化控制流,这意味着它不支持任意的跳转指令(如 goto)。相反,它使用结构化的控制流指令,如 block
、loop
、if
、else
和 br
(break)。这使得 Wasm 代码更容易验证和优化。
3. 线性内存
Wasm 使用线性内存模型。这意味着 Wasm 代码可以访问一个连续的内存区域,就像 C 或 C++ 中的数组一样。线性内存的大小可以在模块中定义,也可以在运行时动态调整。
4. 基于栈的虚拟机
Wasm 虚拟机是基于栈的。这意味着 Wasm 指令从栈中获取操作数,并将结果推回到栈中。这种设计使得 Wasm 虚拟机更容易实现,并且可以生成更紧凑的代码。
Wasm 二进制格式示例
为了更好地理解 Wasm 二进制格式,咱们来看一个简单的例子。假设我们有以下 C 代码:
int add(int a, int b) { return a + b; }
我们可以使用 Emscripten 将其编译为 Wasm:
emcc add.c -s WASM=1 -o add.wasm
生成的 add.wasm
文件就是一个 Wasm 二进制文件。我们可以使用 wasm-objdump
工具来查看其内容:
wasm-objdump -x add.wasm
输出结果可能类似于:
add.wasm: file format wasm 0x1 Section Details: Type[1]: - type[0] (i32, i32) -> i32 Function[1]: - func[0] sig=0 <add> Code[1]: - func[0] size=7 <add> 00000b: 20 00 | local.get 0 00000d: 20 01 | local.get 1 00000f: 6a | i32.add 000010: 0b | end
这个输出显示了 Wasm 模块的结构。我们可以看到:
- Type 节定义了一个函数类型,它接受两个 i32 类型的参数并返回一个 i32 类型的值。
- Function 节声明了一个名为
add
的函数,它使用了上面定义的函数类型。 - Code 节包含了
add
函数的代码。代码由一系列 Wasm 指令组成:local.get 0
:获取第一个局部变量(参数 a)的值,并将其推入栈中。local.get 1
:获取第二个局部变量(参数 b)的值,并将其推入栈中。i32.add
:从栈中弹出两个值,将它们相加,并将结果推回栈中。end
:函数结束。
如何查看和分析 Wasm 二进制文件?
除了 wasm-objdump
,还有一些其他工具可以帮助你查看和分析 Wasm 二进制文件:
- wabt: WebAssembly Binary Toolkit,包含了一组用于处理 Wasm 文件的工具,例如
wasm2wat
(将 Wasm 转换为可读的文本格式)、wat2wasm
(将文本格式转换为 Wasm)、wasm-validate
(验证 Wasm 文件的有效性)等。 - Binaryen: Binaryen 是一个编译器和工具链基础设施库,用于 WebAssembly,它提供了一组用于操作和优化 Wasm 模块的 API,以及一些命令行工具,例如
wasm-opt
(优化 Wasm 模块)、wasm-as
(将 Wasm 汇编文本转换为二进制格式)等。 - Chrome DevTools: Chrome 浏览器的开发者工具也提供了对 Wasm 的支持。你可以在 Sources 面板中查看 Wasm 模块的源代码,并在调试器中设置断点和单步执行。
- Firefox DevTools:与Chrome类似。
Wasm 二进制格式的优势
通过上面的介绍,我们可以总结出 Wasm 二进制格式的几个主要优势:
- 体积小巧:Wasm 二进制文件通常比 JavaScript 文件小得多。这是因为它是一种二进制格式,不需要包含空格、注释等冗余信息。此外,Wasm 使用 LEB128 编码和结构化控制流等技术,可以进一步减小文件大小。
- 加载快速:Wasm 二进制文件可以更快地被解析和编译。这是因为它已经被编译成了一种更接近机器码的形式,不需要像 JavaScript 那样进行复杂的解析和编译过程。
- 执行高效:Wasm 代码可以接近原生代码的执行速度。这是因为它是一种低级语言,可以直接映射到机器指令。此外,Wasm 虚拟机是基于栈的,可以生成更紧凑的代码。
- 安全性: Wasm 运行在一个沙箱环境中,与 JavaScript 共享相同的安全策略。这意味着 Wasm 代码不能直接访问宿主环境的资源,除非通过显式定义的 API。
- 可移植性: Wasm 被设计为一种可移植的格式,可以在不同的平台和架构上运行。
总结
WebAssembly 的二进制格式是实现其小巧、快速和高效的关键。通过使用 LEB128 编码、结构化控制流、线性内存和基于栈的虚拟机等技术,Wasm 能够在 Web 上提供接近原生代码的性能。如果你对底层技术感兴趣,深入了解 Wasm 二进制格式将有助于你更好地理解 WebAssembly 的工作原理。
希望这篇文章对你有所帮助!如果你还有其他问题,欢迎随时提问。