在《使用 Docker 和 Golang 快速上手 WebAssembly》一文中,我介绍了如何制作符合 WASI 接口标准的通用 WASM,以及如何在几种不同的场景下进行程序调用。
本篇文章将延续前文,聊聊在如何借助 WASM 增强 Golang、Node.js ,进行更高效的密集计算。
或许有读者会说,既然使用 Golang 又何必使用 Node.js,差不多的代码实现场景,两者性能根本不在一个数量级,比较起来不够客观。但其实,完全没有必要做这样的语言对立,除了两种语言的绝对的性能区别之外,或许我们也应该关注下面的事情:
在相同的计算场景下,如果分别以两种语言自身的实现方式为基准,配合 WASM 进行业务实现,是否有可能在:程序执行效率、程序分发内容安全、插件生态上产生更好的变化呢?
以及,我们可以脑洞更大一些,两种语言是否可以通过 WASM 的方式进行生态整合,让丰富的 Node / NPM 生态,灵活的 JavaScript 应用和严谨高效的 Golang 产生化学反应呢?
在开始本文之前,我先来说几个让人意外的观察结论(具体数据可以参考文末表格):
如果说 Go 在使用 WASM 的模式下,普遍执行速度并不会比“原生”差多少,甚至在个别场景下,执行速度还比原生快,你是否会感到诧异?
如果说原本 Node 多进程/线程的执行速度落后相同功能的 Golang 程序 200%,在不进行极端优化的场景下,仅仅是通过引入 WASM,就能让差距缩小到 100%。
甚至在一些情况下,你会发现 Node + WASM 的性能和 Go 最佳的表现其实差距可以从 300% 缩短到接近 30%。
如果你觉得意外,但是又好奇,不妨跟随文章自己亲自来试一试。
测试环境中的几种程序,为了模拟最糟糕的情况,均采用 CLI 一次性触发执行的方式来收集结果,减少 Go 语言运行时的 GC 优化、或者 Node 在运行过程中的 JIT 优化,以及字节码缓存带来的有益帮助。
在开始折腾之旅之前,我们首先需要准备环境。为了保障程序运行和测试的结果尽量客观,我们统一使用同一台机器,并且准备相同的容器环境,并将容器可以使用的 CPU 资源数量限制小一些,为宿主机预留一些资源,确保测试的机器不会出现 CPU 不足的状况。
关于构建程序使用的方式和容器环境,可以参考前一篇文章的“环境准备”,为了节约篇幅,就不多赘述了。
下面是各种依赖和组件的版本。
# go version
go version go1.17.3 linux/amd64
# node --version
v17.1.0
# wasmer --version
wasmer 2.0.0
#tinygo version
tinygo version 0.21.0 linux/amd64 (using go version go1.17.3 and LLVM version 11.0.0)
为了更好的模拟和进行结果对比,我们需要一个计算时间比较久的“活儿”,“斐波那契数列”就是一个不错的选择,尤其是没有进行动态规划优化的“基础版”。
这里为了方便程序性能对比,我们统一让程序针对斐波那契数列的第40位(大概1亿多的一个整数)进行快速的重复计算。
为了保证容器内的 CPU 充分使用,结果相对客观,程序一律使用“并行计算”的方式来进行数值计算。
如果将上面的需求进行翻译,仅实现斐波那契数列的计算。那么使用 Go 不做任何算法优化的话,纯计算函数的实现,代码大概会类似下面:
package main
func main() {}
//export fibonacci
func fibonacci(n uint) uint {
if n == 0 {
return 0
} else if n == 1 {
return 1
} else {
return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)
}
}
将上面的内容保存为 wasm.go
,参考上篇文章中提到的编写通用的 WASI 程序,执行 tinygo build --no-debug -o module.wasm -wasm-abi=generic -target=wasi wasm.go
。
我们将会顺利的得到一个编译好的、通用的 WASM 程序,用于稍后的程序测试中。
虽然我们已经得到了 WASM 程序,但是为了直观的比较,我们还是需要一个完全使用 Go 实现基础版的程序:
package main
import (
"fmt"
"time"
)
func fibonacci(n uint) uint {
if n == 0 {
return 0
} else if n == 1 {
return 1
} else {
return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)
}
}
func main() {
start := time.Now()
n := uint(40)
fmt.Println(fibonacci(n))
fmt.Printf(" 都搞定了,用时:%v \n", time.Since(start).Milliseconds())
}
将上面的代码保存为 base.go
,然后执行 go run base.go
,将会看到类似下面的结果:
102334155
都搞定了,用时:574
如果你想追求绝对的性能,可以进行 go build base.go
,然后执行 ./base
,不过因为代码实在是太简单了,从输出结果来看,性能差异并不大。
基础计算功能搞定后,我们来简单调整代码,让代码具备并行计算的能力:
package main
import (
"fmt"
"os"
"runtime"
"strconv"
"time"
)
func fibonacci(n uint) uint {
if n == 0 {
return 0
} else if n == 1 {
return 1
} else {
return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)
}
}
func calc(n uint, ch chan string) {
ret := fibonacci(n)
msg := strconv.FormatUint(uint64(ret), 10)
fmt.Println(fmt.Sprintf(" 收到结果 %s", msg))
ch <- msg
}
func main() {
numCPUs := runtime.NumCPU()
n := uint(40)
ch := make(chan string, numCPUs)
fmt.Printf(" 主进程上线 #ID %v\n", os.Getpid())
start := time.Now()
for i := 0; i < numCPUs; i++ {
fmt.Printf(" 分发计算任务 #ID %v\n", i)
go calc(n, ch)
}
for i := 0; i < numCPUs; i++ {
<-ch
}
fmt.Printf(" 都搞定了,用时:%v \n", time.Since(start).Milliseconds())
}
将代码保存为 full.go
,然后执行 go run full.go
,将会看到类似下面的结果:
主进程上线 #ID 2248
分发计算任务 #ID 0
分发计算任务 #ID 1
分发计算任务 #ID 2
分发计算任务 #ID 3
分发计算任务 #ID 4
分发计算任务 #ID 5
分发计算任务 #ID 6
分发计算任务 #ID 7
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
都搞定了,用时:658
是不是有一丝性价比的味道,前面一次计算结果接近 600 毫秒,这次并发8个(受限于 Docker 环境资源限制)计算,也就 650 毫秒。
package main
import (
"fmt"
"os"
"runtime"
"time"
"io/ioutil"
wasmer "github.com/wasmerio/wasmer-go/wasmer"
)
func main() {
wasmBytes, _ := ioutil.ReadFile("module.wasm")
store := wasmer.NewStore(wasmer.NewEngine())
module, _ := wasmer.NewModule(store, wasmBytes)
wasiEnv, _ := wasmer.NewWasiStateBuilder("wasi-program").Finalize()
GenerateImportObject, err := wasiEnv.GenerateImportObject(store, module)
check(err)
instance, err := wasmer.NewInstance(module, GenerateImportObject)
check(err)
wasmInitial, err := instance.Exports.GetWasiStartFunction()
check(err)
wasmInitial()
fibonacci, err := instance.Exports.GetFunction("fibonacci")
check(err)
numCPUs := runtime.NumCPU()
ch := make(chan string, numCPUs)
fmt.Printf(" 主进程上线 #ID %v\n", os.Getpid())
start := time.Now()
for i := 0; i < numCPUs; i++ {
fmt.Printf(" 分发计算任务 #ID %v\n", i)
calc := func(n uint, ch chan string) {
ret, _ := fibonacci(n)
msg := fmt.Sprintf("%d", ret)
fmt.Println(fmt.Sprintf(" 收到结果 %s", msg))
ch <- msg
}
go calc(40, ch)
}
for i := 0; i < numCPUs; i++ {
<-ch
}
fmt.Printf(" 都搞定了,用时:%v \n", time.Since(start).Milliseconds())
}
func check(e error) {
if e != nil {
panic(e)
}
}
将代码保存为 wasi.go
,执行 go run wasi.go
,会得到类似下面的结果:
主进程上线 #ID 3198
分发计算任务 #ID 0
分发计算任务 #ID 1
分发计算任务 #ID 2
分发计算任务 #ID 3
分发计算任务 #ID 4
分发计算任务 #ID 5
分发计算任务 #ID 6
分发计算任务 #ID 7
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
都搞定了,用时:595
多执行几次,你会发现相比较完全使用 Go 实现的程序,多数执行结果居然会更快一些,极限的情况,也不过是差不多快。是不是性价比的味道又来了。(不过为了保证客观,文末会附带多次计算结果)
相同的代码如果使用 Node.js 来实现,行数会稍微多一点。
虽然程序文件名叫啥都行,但是为了能在 CLI
执行上偷懒,就管它叫 index.js
吧:
const cluster = require('cluster');
const { cpus } = require('os');
const { exit, pid } = require('process');
function fibonacci(num) {
if (num === 0) {
return 0;
} else if (num === 1) {
return 1;
} else {
return fibonacci(num - 1) + fibonacci(num - 2);
}
}
const numCPUs = cpus().length;
if (cluster.isPrimary) {
let dataStore = [];
const readyChecker = () => {
if (dataStore.length === numCPUs) {
console.log(` 都搞定了,用时:${new Date - start}`);
exit(0);
}
}
console.log(` 主进程上线 #ID ${pid}`);
const start = new Date();
for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
cluster.fork();
}
cluster.on('online', (worker) => {
console.log(` 分发计算任务 #ID ${worker.id}`);
worker.send(40);
});
const messageHandler = function (msg) {
console.log(" 收到结果", msg.ret)
dataStore.push(msg.ret);
readyChecker()
}
for (const id in cluster.workers) {
cluster.workers[id].on('message', messageHandler);
}
} else {
process.on('message', (msg) => {
process.send({ ret: fibonacci(msg) });
});
}
保存好文件,执行 node .
,程序输出内容会类似下面这样:
主进程上线 #ID 2038
分发计算任务 #ID 1
分发计算任务 #ID 2
分发计算任务 #ID 3
分发计算任务 #ID 4
分发计算任务 #ID 7
分发计算任务 #ID 5
分发计算任务 #ID 6
分发计算任务 #ID 8
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
都搞定了,用时:1747
目前来看,执行时间差不多是 Go 版程序的 3 倍,不过往好处想,可提升空间应该也非常大。
当然,每当提到 Node.js Cluster
的时候,就不免会有人说 Cluster
数据交换效率低、比较笨重,所以我们同样测试一把 Worker Threads
。
其实从 Node.js 12.x LTS 开始,Node 就具备了 Worker Threads 的能力。关于如何使用 Node.js 的 Worker Treads
,以及循序渐进的理解如何使用 SharedArrayBuffer
,可以参考这篇文章《How to work with worker threads in NodeJS》,本文就不做基础展开了。考虑到我们模拟的是极限糟糕的情况,所以这里也不必使用 node-worker-threads-pool
之类的三方库,对 threads 做 pool 化了。(实测几乎没差别)
将上面 Cluster 版本的代码简单调整,我们可以得到类似下面的代码,不同的是,为了书写简单,我们这次需要拆分为两个文件:
const { Worker } = require("worker_threads");
const { cpus } = require('os');
const { exit } = require('process');
let dataStore = [];
const readyChecker = () => {
if (dataStore.length === numCPUs) {
console.log(` 都搞定了,用时:${new Date - start}`)
exit(0);
}
}
const num = [40];
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * num.length);
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);
Atomics.store(sharedArray, 0, num);
const numCPUs = cpus().length;
console.log(` 主进程上线 #ID ${process.pid}`);
const start = new Date();
for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
const worker = new Worker("./worker.js");
worker.on("message", msg => {
console.log(" 收到结果", msg.ret)
dataStore.push(msg.ret);
readyChecker()
});
console.log(` 分发计算任务`);
worker.postMessage({ num: sharedArray });
}
可以考虑换个目录,先将上面的内容同样保存为 index.js
。我们继续来完成 worker.js
的内容。
const { parentPort } = require("worker_threads");
function fibonacci(num) {
if (num === 0) {
return 0;
} else if (num === 1) {
return 1;
} else {
return fibonacci(num - 1) + fibonacci(num - 2);
}
}
parentPort.on("message", data => {
parentPort.postMessage({ num: data.num, ret: fibonacci(data.num) });
});
在文件都保存就绪后,执行 node .
同样可以看到类似下面的输出:
主进程上线 #ID 2190
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
都搞定了,用时:1768
这里应该是因为交换的数据量比较少,所以执行时间其实和 Cluster
版本差不多。
简单调整上文中的 Cluster 模式的代码,来实现一个能够使用 WASM 进行计算的程序:
const { readFileSync } = require('fs');
const { WASI } = require('wasi');
const { argv, env } = require('process');
const cluster = require('cluster');
const { cpus } = require('os');
const { exit, pid } = require('process');
const numCPUs = cpus().length;
if (cluster.isPrimary) {
let dataStore = [];
const readyChecker = () => {
if (dataStore.length === numCPUs) {
console.log(` 都搞定了,用时:${new Date - start}`);
exit(0);
}
}
console.log(` 主进程上线 #ID ${pid}`);
const start = new Date();
for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
cluster.fork();
}
cluster.on('online', (worker) => {
console.log(` 分发计算任务 #ID ${worker.id}`);
worker.send(40);
});
const messageHandler = function (msg) {
console.log(" 收到结果", msg.ret)
dataStore.push(msg.ret);
readyChecker()
}
for (const id in cluster.workers) {
cluster.workers[id].on('message', messageHandler);
}
} else {
process.on('message', async (msg) => {
const wasi = new WASI({ args: argv, env });
const importObject = { wasi_snapshot_preview1: wasi.wasiImport };
const wasm = await WebAssembly.compile(readFileSync("./module.wasm"));
const instance = await WebAssembly.instantiate(wasm, importObject);
wasi.start(instance);
const ret = await instance.exports.fibonacci(msg)
process.send({ ret });
});
}
将内容保存为 index.js
后,执行 node --experimental-wasi-unstable-preview1 .
后,会看到类似下面的输出结果:
主进程上线 #ID 2338
(node:2338) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
分发计算任务 #ID 1
分发计算任务 #ID 3
分发计算任务 #ID 2
分发计算任务 #ID 5
分发计算任务 #ID 6
分发计算任务 #ID 8
分发计算任务 #ID 4
分发计算任务 #ID 7
(node:2345) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2346) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2360) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2350) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2365) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2377) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2371) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2354) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
都搞定了,用时:808
是不是再次嗅到了一丝真香的味道。在几乎不需要怎么费劲的情况下,简单调整下代码,执行效率比不使用 WASM 少了一半的时间,甚至在降低了一个数量级之后,如果继续优化、以及让程序持续的运行,或许甚至能够无限趋近于 Go 版本实现的程序的性能。
为了让我们的代码保持简单,我们可以将程序拆分为三个部分:入口程序、Worker程序、WASI 调用程序。还是先来实现入口程序 index.js
:
const { Worker } = require("worker_threads");
const { cpus } = require('os');
const { exit, pid } = require('process')
let dataStore = [];
const readyChecker = () => {
if (dataStore.length === numCPUs) {
console.log(` 都搞定了,用时:${new Date - start}`);
exit(0);
}
}
const num = [40];
const sharedBuffer = new SharedArrayBuffer(Int32Array.BYTES_PER_ELEMENT * num.length);
const sharedArray = new Int32Array(sharedBuffer);
Atomics.store(sharedArray, 0, num);
const numCPUs = cpus().length;
console.log(` 主进程上线 #ID ${pid}`);
const start = new Date();
for (let i = 0; i < numCPUs; i++) {
const worker = new Worker("./worker.js");
worker.on("message", msg => {
console.log(" 收到结果", msg.ret)
dataStore.push(msg.ret);
readyChecker()
});
console.log(` 分发计算任务`);
worker.postMessage({ num: sharedArray });
}
接着实现 worker.js
部分:
const { parentPort } = require("worker_threads");
const wasi = require("./wasi");
parentPort.on("message", async (msg) => {
const instance = await wasi();
const ret = await instance.exports.fibonacci(msg.num)
parentPort.postMessage({ ret });
});
最后来实现新增的 wasi.js
部分:
const { readFileSync } = require('fs');
const { WASI } = require('wasi');
const { argv, env } = require('process');
module.exports = async () => {
const wasi = new WASI({ args: argv, env });
const importObject = { wasi_snapshot_preview1: wasi.wasiImport };
const wasm = await WebAssembly.compile(readFileSync("./module.wasm"));
const instance = await WebAssembly.instantiate(wasm, importObject);
wasi.start(instance);
return instance;
};
将文件都保存好之后,执行 node .
可以看到类似上面 Cluster 版本的运行输出:
主进程上线 #ID 2927
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
分发计算任务
(node:2927) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2927) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2927) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2927) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2927) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2927) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2927) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
(node:2927) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
收到结果 102334155
都搞定了,用时:825
和分别使用 Cluster 和 Threads 实现基准版程序一样,执行时间也是差不多的。
为了让结果更客观,我们来编写一个小程序,让上面的程序分别重复执行 100 遍,并剔除表现最好和最糟糕的情况,取平均值。
先来实现一个简单的程序,代替我们的手动执行,针对不同的程序目录执行不同的命令,收集 100 次程序运行数据:
const { execSync } = require('child_process');
const { writeFileSync } = require('fs');
const sleep = (ms) => new Promise((res) => setTimeout(res, ms));
const cmd = './base';
const cwd = '../go-case';
const file = './go-base.json';
let data = [];
(async () => {
for (let i = 1; i <= 100; i++) {
console.log(`⌛️ 正在收集 ${i} 次结果`)
const stdout = execSync(cmd, { cwd }).toString();
const words = stdout.split('\n').filter(n => n && n.includes('搞定'))[0];
const time = Number(words.match(/\d+/)[0]);
data.push(time)
await sleep(100);
}
writeFileSync(file, JSON.stringify(data))
})();
程序执行之后的输出会类似下面这样:
⌛️ 正在收集 1 次结果
⌛️ 正在收集 2 次结果
⌛️ 正在收集 3 次结果
...
⌛️ 正在收集 100 次结果
在数据采集完毕之后,我们来编写一个更简单的程序,来查看程序运行的极端情况,以及排除掉极端情况后的平均值。(其实还应该跑个分布,不过偷懒就不做啦,感兴趣的同学可以试试看,会有惊喜)
const raw = require('./data.json').sort((a, b) => a - b);
const body = raw.slice(1,-1);
const sum = body.reduce((x,y)=>x+y, 0);
const average = Math.floor(sum / body.length);
const best = raw[0];
const worst = raw[raw.length-1];
console.log('最佳',best);
console.log('最差',worst);
console.log('平均', average);
前文提到,本次测试可以看作上述程序在非常受限制的情况下的比较差的数据。
因为这次我没有使用云服务器,而是使用笔记本上的本地容器,所以在持续运行过程中,由于多次密集计算,会导致设备的发热。存在因为温度导致计算结果放大的情况,如果你采取云端设备进行测试,数值结果应该会比较漂亮。
类型 | 最佳 | 最差 | 平均 |
---|---|---|---|
Go | 574 | 632 | 586 |
Go + WASM | 533 | 800 | 610 |
Node Cluster | 1994 | 3054 | 2531 |
Node Threads | 1997 | 3671 | 2981 |
Node Cluster + WASM | 892 | 1694 | 1305 |
Node Threads + WASM | 887 | 2160 | 1334 |
但是总体而言,趋势还是很明显的,或许足够支撑我们在一些适合的场景下,采取 WASM + Node 或者 WASM + GO 的方式来进行混合开发了。
如果说上一篇文章目的在于让想要折腾 WASM 的同学快速上手,那么这篇文章,希望能够帮助到“犹豫是否采用轻量异构方案”的同学,并给出最简单的实战代码。
因为非常多的客观原因,WASM 的发展和推广或许会和 Docker 一般,非常的慢热。在 2021 年的末尾,我们看到了 Docker 已经爆发出来的巨大能量。
如果你愿意保持开放心态,如同七八年前,对待 Docker 一样的来看待 WASM,相信这个轻量的、标准化的、异构的解决方案应该能为你和你的项目带来非常多的不同。
君子以文会友,以友辅仁。
–EOF
我们有一个小小的折腾群,里面聚集了几百位喜欢折腾的小伙伴。
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本文使用「署名 4.0 国际 (CC BY 4.0)」许可协议,欢迎转载、或重新修改使用,但需要注明来源。 署名 4.0 国际 (CC BY 4.0)
本文作者: 苏洋
创建时间: 2021年11月26日
统计字数: 12835字
阅读时间: 26分钟阅读
本文链接: https://soulteary.com/2021/11/26/intensive-computing-with-wasm-part-1.html