本次分享的文章是基于WebAssembly的探索与研究。最近需要做一个与加密相关的项目，想将后端的加密方案直接放到前端使用，好处是加密方案代码只用维护一套，且后端方案更贴近系统底层，应该可以得到更好的性能。恰好发现 WebAssembly ，它是为了可移植的目标而设计的，可以满足需求。
这次研究 WebAssembly的过程中遇到了各种问题，我均记录下来，并在后期可以和大家一起分享，文末放置了参考的文章，大家可以延伸阅读。这篇文章是本系列的第一部分，主要是了解WebAssembly和WebAssembly的基本使用方法。
概述
- WebAssembly的诞生
- WebAssembly是什么？
- MAC安装Emscripten
- WebAssembly简单使用和分析
- 总结
一、 WebAssembly的诞生
当人们说 WebAssembly 更快的时候，一般来讲是与 JavaScript 相比而言的。
JavaScript 于 1995 年问世，它的设计初衷并不是为了执行起来快，在前 10 个年头，它的执行速度也确实不快。紧接着，浏览器市场竞争开始激烈起来。被人们广为传播的“性能大战”在 2008 年打响。许多浏览器引入了 Just-in-time 编译器，也叫 JIT。基于 JIT 的模式，JavaScript 代码的运行渐渐变快。正是由于这些 JIT 的引入，使得 JavaScript 的性能达到了一个转折点，JS 代码执行速度快了 10 倍。
随着性能的提升，JavaScript 可以应用到以前根本没有想到过的领域，比如用于后端开发的 Node.js。性能的提升使得 JavaScript 的应用范围得到很大的扩展。
但这也渐渐暴露出了 JavaScript 的问题：
- 语法太灵活导致开发大型 Web 项目困难；
- 性能不能满足一些场景的需要。
针对以上两点缺陷，近年来出现了一些 JS 的代替语言，例如：
- 微软的 TypeScript 通过为 JS 加入静态类型检查来改进 JS 松散的语法，提升代码健壮性；
- 谷歌的 Dart 则是为浏览器引入新的虚拟机去直接运行 Dart 程序以提升性能；
- 火狐的 asm.js 则是取 JS 的子集，JS 引擎针对 asm.js 做性能优化。
以上尝试各有优缺点，其中：
- TypeScript 只是解决了 JS 语法松散的问题，最后还是需要编译成 JS 去运行，对性能没有提升；
- Dart 只能在 Chrome 预览版中运行，无主流浏览器支持，用 Dart 开发的人不多；
- asm.js 语法太简单、有很大限制，开发效率低。
三大浏览器巨头分别提出了自己的解决方案，互不兼容，这违背了 Web 的宗旨； 是技术的规范统一让 Web 走到了今天，因此形成一套新的规范去解决 JS 所面临的问题迫在眉睫。
于是 WebAssembly 诞生了，WebAssembly 是一种新的字节码格式，主流浏览器都已经支持 WebAssembly。 和 JS 需要解释执行不同的是，WebAssembly 字节码和底层机器码很相似可快速装载运行，因此性能相对于 JS 解释执行大大提升。 也就是说 WebAssembly 并不是一门编程语言，而是一份字节码标准，需要用高级编程语言编译出字节码放到 WebAssembly 虚拟机中才能运行， 浏览器厂商需要做的就是根据 WebAssembly 规范实现虚拟机。
二、WebAssembly是什么？
WebAssembly(缩写 Wasm)是基于堆栈虚拟机的二进制指令格式。Wasm为了一个可移植的目标而设计的，可用于编译C/C+/RUST等高级语言，使客户端和服务器应用程序能够在Web上部署。
上面这段话是来自官方的定义。
我们可以从字面上理解，WebAssembly的名字带个汇编Assembly，所以我们从其名字上就能知道其意思是给Web使用的汇编语言，是通过Web执行低级二进制语法。但是WebAssembly并不是直接用汇编语言，而是提供了抓换机制（LLVM IR），把高级别的语言（C，C++和Rust）编译为WebAssembly，以便有机会在浏览器中运行。可以看出来它其实是一种运行机制，一种新的字节码格式(.wasm)，而不是新的语言。
三、MAC安装Emscripten
如果要把一个C/C++程序编译成一个.wasm文件，是需要编译工具来完成的。WebAssembly 社区推荐常用工具：
Emscripten：能把 C、C++代码转换成 wasm、asm.js；
Binaryen：提供更简洁的 IR，把 IR 转换成 wasm，并且提供 wasm 的编译时优化、wasm 虚拟机，wasm 压缩等功能。
1. 环境依赖
- Git
- CMake
- brew install cmake
- Python 2.7.x 或者更高版本，默认安装过
2. 编译Emscripten
接下来，您需要通过源码自己编译一个Emscripten。运行下列命令来自动化地使用Emscripten SDK。
git clone https://github.com/juj/emsdk.git
cd emsdk
# 编译源码
./emsdk install latest
# 激活sdk
./emsdk activate latest
#设置环境变量
source ./emsdk_env.sh
在运行上述命令的时候，可能会遇到如下问题：
-
./emsdk install latest 报错:
likai@likaideMacBook-Pro:~/resource/emsdk$ ./emsdk install latest Installing SDK 'sdk-releases-upstream-7a7f38ca19da152d4cd6da4776921a0f1e3f3e3f-64bit'.. Installing tool 'node-12.18.1-64bit'.. Error: Downloading URL 'https://storage.googleapis.com/webassembly/emscripten-releases-builds/deps/node-v12.18.1-darwin-x64.tar.gz':Warning: Possibly SSL/TLS issue. Update or install Python SSL root certificates (2048-bit or greater) supplied in Python folder or https://pypi.org/project/certifi/ and try again. Installation failed! -
解决办法：
简单看了emsdk的内容，发现这个命令调用的是emsdk.py文件，所以使用 ./emsdk.py install latest即可解决。
likai@likaideMacBook-Pro:~/resource/emsdk$ ./emsdk.py install latest Installing SDK 'sdk-releases-upstream-7a7f38ca19da152d4cd6da4776921a0f1e3f3e3f-64bit'.. Installing tool 'node-12.18.1-64bit'.. Downloading: /Users/likai/hisun/resource/emsdk/zips/node-v12.18.1-darwin-x64.tar.gz from https://storage.googleapis.com/webassembly/emscripten-releases-builds/deps/node-v12.18.1-darwin-x64.tar.gz, 20873670 Bytes Unpacking '/Users/likai/hisun/resource/emsdk/zips/node-v12.18.1-darwin-x64.tar.gz' to '/Users/likai/hisun/resource/emsdk/node/12.18.1_64bit' Done installing tool 'node-12.18.1-64bit'. Installing tool 'python-3.7.4-2-64bit'.. Downloading: /Users/likai/hisun/resource/emsdk/zips/python-3.7.4-2-macos.tar.gz from https://storage.googleapis.com/webassembly/emscripten-releases-builds/deps/python-3.7.4-2-macos.tar.gz, 25365593 Bytes Unpacking '/Users/likai/hisun/resource/emsdk/zips/python-3.7.4-2-macos.tar.gz' to '/Users/likai/hisun/resource/emsdk/python/3.7.4-2_64bit' Done installing tool 'python-3.7.4-2-64bit'. Installing tool 'releases-upstream-7a7f38ca19da152d4cd6da4776921a0f1e3f3e3f-64bit'.. Downloading: /Users/likai/hisun/resource/emsdk/zips/7a7f38ca19da152d4cd6da4776921a0f1e3f3e3f-wasm-binaries.tbz2 from https://storage.googleapis.com/webassembly/emscripten-releases-builds/mac/7a7f38ca19da152d4cd6da4776921a0f1e3f3e3f/wasm-binaries.tbz2, 69799761 Bytes Unpacking '/Users/likai/hisun/resource/emsdk/zips/7a7f38ca19da152d4cd6da4776921a0f1e3f3e3f-wasm-binaries.tbz2' to '/Users/likai/hisun/resource/emsdk/upstream' Done installing tool 'releases-upstream-7a7f38ca19da152d4cd6da4776921a0f1e3f3e3f-64bit'. Running post-install step: npm ci ... Done running: npm ci Done installing SDK 'sdk-releases-upstream-7a7f38ca19da152d4cd6da4776921a0f1e3f3e3f-64bit'.同样激活 Emscripten也是使用 ./emsdk.py activate latest
likai@likaideMacBook-Pro:~/resource/emsdk$ ./emsdk.py activate latest Setting the following tools as active: node-12.18.1-64bit python-3.7.4-2-64bit releases-upstream-7a7f38ca19da152d4cd6da4776921a0f1e3f3e3f-64bit Next steps: - To conveniently access emsdk tools from the command line, consider adding the following directories to your PATH: /Users/likai/hisun/resource/emsdk /Users/likai/hisun/resource/emsdk/node/12.18.1_64bit/bin /Users/likai/hisun/resource/emsdk/python/3.7.4-2_64bit/bin /Users/likai/hisun/resource/emsdk/upstream/emscripten - This can be done for the current shell by running: source "/Users/likai/hisun/resource/emsdk/emsdk_env.sh" - Configure emsdk in your bash profile by running: echo 'source "/Users/likai/hisun/resource/emsdk/emsdk_env.sh"' >> $HOME/.bash_profilesource ./emsdk_env.sh
likai@likaideMacBook-Pro:~/resource/emsdk$ source ./emsdk_env.sh Adding directories to PATH: PATH += /Users/likai/hisun/resource/emsdk PATH += /Users/likai/hisun/resource/emsdk/upstream/emscripten PATH += /Users/likai/hisun/resource/emsdk/node/12.18.1_64bit/bin PATH += /Users/likai/hisun/resource/emsdk/python/3.7.4-2_64bit/bin Setting environment variables: EMSDK = /Users/likai/hisun/resource/emsdk EM_CONFIG = /Users/likai/hisun/resource/emsdk/.emscripten EM_CACHE = /Users/likai/hisun/resource/emsdk/upstream/emscripten/cache EMSDK_NODE = /Users/likai/hisun/resource/emsdk/node/12.18.1_64bit/bin/node EMSDK_PYTHON = /Users/likai/hisun/resource/emsdk/python/3.7.4-2_64bit/bin/python3
3. 验证
emcc -v 不报错就成功了
likai@likaideMacBook-Pro:~/resource/emsdk$ emcc -v
emcc (Emscripten gcc/clang-like replacement + linker emulating GNU ld) 2.0.3
clang version 12.0.0 (/b/s/w/ir/cache/git/chromium.googlesource.com-external-github.com-llvm-llvm--project a39423084cbbeb59e81002e741190dccf08b5c82)
Target: x86_64-apple-darwin19.4.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Users/likai/hisun/resource/emsdk/upstream/bin
shared:INFO: (Emscripten: Running sanity checks)
获取帮助 emcc --help，内容过多就不展示了。
看下emcc 的版本是2.0.3
likai@likaideMacBook-Pro:~/resource/emsdk$ emcc --version
emcc (Emscripten gcc/clang-like replacement) 2.0.3 (43fcfd2938b72c57373a910ece897b27aa298852)
Copyright (C) 2014 the Emscripten authors (see AUTHORS.txt)
This is free and open source software under the MIT license.
There is NO warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
四、WebAssembly简单使用和分析
到这里WebAssembly的编译工具已经安装好了，我们使用两个官方样例，看一下WebAssembly是如何使用的，方便后面的学习。
当使用Emscripten来编译的时候有很多种不同的选择，我们介绍其中主要的2种：
编译到 wasm 并且生成一个用来运行我们代码的HTML，将所有 wasm 在web环境下运行所需要的 “胶水” JavaScript代码都添加进去。
编译到 wasm,使用JavaScript调用wasm里边的方法。
1. 生成 HTML 和 JavaScript
-
找个目录创建hello_world.c文件
#includeint main(int argc, char ** argv) { printf("Hello World\n"); } -
使用刚才已经配置过的终端，找到hello_world.c文件，执行如下命令
emcc ./hello_world.c -s WASM=1 -o ./hello_world.htmlemcc 是Emscripten编译器行命令
hello_world.c 是我们的输入文件
-s WASM=1 指定我们想要的wasm输出形式。如果我们不指定这个选项，Emscripten默认将只会生成asm.js。(可参考 emcc --help 参数说明)
-o ./hello_world.html 指定这个选项将会生成HTML页面来运行我们的代码，并且会生成wasm模块，以及编译和实例化wasm模块所需要的“胶水”js代码，这样我们就可以直接在web环境中使用了。
likai@likaideMacBook-Pro:~/resource/emsdk/demo$ emcc ./hello_world.c -s WASM=1 -o ./hello_world.html shared:INFO: (Emscripten: Running sanity checks) likai@likaideMacBook-Pro:~/resource/emsdk/demo$ ls hello_world.c hello_world.html hello_world.js hello_world.wasm执行后会产生三个新文件：
- hello_world.wasm 二进制的wasm模块代码，虽然本地打不开，但是浏览器可以帮忙翻译。
- hello_world.js 一个包含了用来在原生C函数和JavaScript/wasm之间转换的胶水代码的JavaScript文件
- hello_world.html 一个用来加载，编译，实例化你的wasm代码并且将它输出在浏览器显示上的一个HTML文件
-
启动http服务命令，查看运行结果
emrun --no_browser --port 8080 ./hello_world.html
likai@likaideMacBook-Pro:~/resource/emsdk/demo$ emrun --no_browser --port 8080 ./hello_world.html Web server root directory: /Users/likai/hisun/resource/emsdk/demo Now listening at http://0.0.0.0:8080/- emrun 这个命令也是emsdk中自带的直接使用即可。
可以看到原来helloworld.c文件中打印的内容现在了浏览器中。我很好奇C代码中的打印结果是怎么跑到浏览器的控制台上的。看似很简单的操作实际上Emscripten做了很多事，点开生成胶水代码hello_world.js看了下，里面写了很多代码2000多行嘞，加载wasm，处理内存分配、内存释放、垃圾回收、函数调用，封装了各种方法。编译后的js文件我放在了gihub中,点击查看 hello_world.js
简单分析一下胶水代码的内容，有助于我们对WebAssembly的理解，对于后面的使用会很有帮助。
先一起看下.wasm的真容，上面提到了.wasm是个二进制文件，打不开，想要看里面内容的话推荐反编译工具wasm2wast，当然浏览器也可以解析，我们通过浏览器简单看下。 右键打开控制台-->Sources-->hello_world.wasm
果然这个文件看得不太懂，看到了module，我猜这大概是个模块，我找到了main函数，不知道是不是hello_world.c的main，我们还是看胶水代码吧。
从胶水代码hello_world.js中可以看到,载入了WebAssembly汇编模块(.wasm),原来这个.wasm被胶水代码加载了一下，核心部分如下：
function instantiateArrayBuffer(receiver) {
return getBinaryPromise().then(function(binary) {
return WebAssembly.instantiate(binary, info);
}).then(receiver, function(reason) {
err('failed to asynchronously prepare wasm: ' + reason);
abort(reason);
});
}
// Prefer streaming instantiation if available.
function instantiateAsync() {
if (!wasmBinary &&
typeof WebAssembly.instantiateStreaming === 'function' &&
!isDataURI(wasmBinaryFile) &&
// Don't use streaming for file:// delivered objects in a webview, fetch them synchronously.
!isFileURI(wasmBinaryFile) &&
typeof fetch === 'function') {
fetch(wasmBinaryFile, { credentials: 'same-origin' }).then(function (response) {
var result = WebAssembly.instantiateStreaming(response, info);
return result.then(receiveInstantiatedSource, function(reason) {
// We expect the most common failure cause to be a bad MIME type for the binary,
// in which case falling back to ArrayBuffer instantiation should work.
err('wasm streaming compile failed: ' + reason);
err('falling back to ArrayBuffer instantiation');
return instantiateArrayBuffer(receiveInstantiatedSource);
});
});
} else {
return instantiateArrayBuffer(receiveInstantiatedSource);
}
}
主要做了如下几件事情：
- 尝试使用WebAssembly.instantiateStreaming()方法创建wasm模块的实例；
- 如果流式创建失败，则改用WebAssembly.instantiate()方法创建实例；
- 成功实例化后的返回值交由receiveInstantiatedSource()方法处理。
receiveInstantiatedSource()代码
function receiveInstance(instance, module) {
var exports = instance.exports;
Module['asm'] = exports;
removeRunDependency('wasm-instantiate');
}
......
function receiveInstantiatedSource(output) {
// 'output' is a WebAssemblyInstantiatedSource object which has both the module and instance.
// receiveInstance() will swap in the exports (to Module.asm) so they can be called
assert(Module === trueModule, 'the Module object should not be replaced during async compilation - perhaps the order of HTML elements is wrong?');
trueModule = null;
// TODO: Due to Closure regression https://github.com/google/closure-compiler/issues/3193, the above line no longer optimizes out down to the following line.
// When the regression is fixed, can restore the above USE_PTHREADS-enabled path.
receiveInstance(output['instance']);
}
receiveInstantiatedSource()方法调用了receiveInstance()方法，后者的这条指令：
Module['asm'] = exports;
将wasm模块实例的导出对象传给了Module的子对象asm。倘若我们在上述函数中手动添加打印实例导出对象的代码。
function receiveInstance(instance, module) {
... ...
Module['asm'] = exports;
console.log(Module['asm']); //print instance.exports
... ...
由此可见，上述一系列代码运行后，Module['asm']中保存了WebAssembly实例的导出对象——而导出函数恰是WebAssembly实例供外部调用最主要的入口。
看看我理解的对不，wasm的编译器把C代码编译了.wasm文件，这个文件是个汇编代码，里面有C代码的内容，胶水代码去加载.wasm文件，通过WebAssembly实例对外提供了C代码里面的方法，然后使用javascript调用C代码。最后给人的感觉就是浏览器上能运行C语言的程序。
我们再一起细品下官方原话（翻译过的）:
WebAssembly(缩写 Wasm)是基于堆栈虚拟机的二进制指令格式。Wasm为了一个可移植的目标而设计的，可用于编译C/C+/RUST等高级语言，使客户端和服务器应用程序能够在Web上部署。
- Wasm是基于堆栈虚拟机的二进制指令格式，hello_world.wasm本地打开是个二进制指令格式。
- 可用于编译C/C+/RUST等高级语言，使用Emscripten编译hello_world.c文件。
- 使客户端和服务器应用程序能够在Web上部署。 确实在浏览器上跑起来了。
- Wasm为了一个可移植的目标而设计的。要是这么说的话，我岂不是可以把加密工具，编译成wasm，然后通过胶水代码来调用了么，下一篇我们一起搞一下。
2. 编译到 wasm,使用JavaScript调用wasm里边的方法。
这个很好理解，就是在编译的时候，不生成默认推荐的html，只生成wasm，然后直接调用wasm即可。这就要我们自己写胶水代码，下面看个简单的例子。步骤如下：
- 写一个test.c文件，里面是加减乘除计算。
- 编译成.wasm文件
- 写一个html，调用.wasm文件
- test.c文件
char* toChar (char* str) {
return str;
}
int add (int x, int y) {
return x + y;
}
int square (int x) {
return x * x;
}
-
编译成.wasm文件
emcc ./test.c -Os -s WASM=1 -s SIDE_MODULE=1 -o ./test.wasm
这个命令好像和上面不一样，解释下：
emcc就是Emscripten编译器，
test.c是我们的输入文件
Os表示这次编译需要优化(可以指定优化策略。emcc --help)
-s WASM=1表示输出wasm的文件，因为默认的是输出asm.js
-s SIDE_MODULE=1表示就只要这一个模块，不要给我其他乱七八糟的代码
-o test.wasm是我们的输出文件。
-
写一个html，调用.wasm文件。test.html 这两个函数是关键：
function loadWebAssembly (path, imports = {}) { return fetch(path) // 加载文件 .then(response => response.arrayBuffer()) // 转成 ArrayBuffer .then(buffer => WebAssembly.compile(buffer)) .then(module => { imports.env = imports.env || {} // 开辟内存空间 imports.env.memoryBase = imports.env.memoryBase || 0 if (!imports.env.memory) { imports.env.memory = new WebAssembly.Memory({ initial: 256 }) } // 创建变量映射表 imports.env.tableBase = imports.env.tableBase || 0 if (!imports.env.table) { // 在 MVP 版本中 element 只能是 "anyfunc" imports.env.table = new WebAssembly.Table({ initial: 0, element: 'anyfunc' }) } // 创建 WebAssembly 实例 return new WebAssembly.Instance(module, imports) }) } // 加载wasm文件 loadWebAssembly('test.wasm') .then(instance => { //调用c里面的方法 const toChar = instance.exports.toChar const add = instance.exports.add const square = instance.exports.square console.log('return: ', toChar("12352324")) console.log('10 + 20 =', add(10, 20)) console.log('3*3 =', square(3)) console.log('(2 + 5)*2 =', square(add(2 + 5))) })有了第一个案例的理解，就大概知道这个意思了，创建了一个WebAssembly的实例，返回WebAssembly导出对象，调用了test.c里面的函数。这里面有一些胶水代码语法相关的知识。MDN Web docs-WebAssembly
运行结果
- test.wasm
可以看到优化后的wasm文件，只有这几个函数了，并且可以看出包含导出test.c中的函数。
五、总结
我们今天通过两个简单的例子讲述了WebAssembly的使用，也进一步理解了WebAssembly是什么，整体的流程是这样的：
使用Emscripten编译C语言源代码，生成.wasm文件和胶水代码，通过javascript调用胶水代码或者.wasm，使C语言的程序在浏览器中运行。
以上就是这篇文章要分享的全部内容了，下一篇，基于wasm的加密工具。
文章参考
Webassembly官方网站
MDN Web docs-WebAssembly
中文原文
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