掘力計(jì)劃22期-基于 WebAssembly 打造一個(gè)純?yōu)g覽器上的POSIX 運(yùn)行環(huán)境

　　8月19日，在掘力計(jì)劃系列第22場《聊聊前端工程化實(shí)踐和未來》活動(dòng)中，來自阿里的劉睿老師受邀進(jìn)行了一場主題為《基于 WebAssembly 打造一個(gè)純?yōu)g覽器上的POSIX 運(yùn)行環(huán)境》的技術(shù)分享。

　　劉睿老師是一位擁有8年互聯(lián)網(wǎng)工作經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人士，他目前就職于阿里巴巴TRE工程基礎(chǔ)服務(wù)團(tuán)隊(duì)，主要從事于中后臺、內(nèi)部工具產(chǎn)品的應(yīng)用層開發(fā)，在領(lǐng)域內(nèi)有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和深厚的技術(shù)功底。

　　這次劉老師結(jié)合自身在WebAssembly領(lǐng)域的研究與探索，通過介紹阿里內(nèi)部開發(fā)的WebIDE產(chǎn)品WebC與目前市面上類似產(chǎn)品講述了WebAssembly在構(gòu)建純前端POSIX運(yùn)行環(huán)境方面的應(yīng)用沒，以及與之相關(guān)的技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式。

　　背景

　　在 2021 年 Google I/O 大會(huì)上，StackBlitz 正式推出了與 Next.js 以及 Google Chrome 團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)的一項(xiàng)基于 WebAssembly 的新技術(shù)，名為 WebContainers 。

　　基于 WebContainers (以及開源的 VS Code Web)，StackBlitz 構(gòu)建了全新的在線 IDE 產(chǎn)品 CodeFlow。

　　劉睿老師提到在阿里內(nèi)部也存在云端研發(fā)場景的用戶訴求存在，因此從去年開始就在著手打造類 “WebContainers” 相關(guān)的產(chǎn)品，面向云研發(fā)用戶提供高效運(yùn)行 Node.js 、bash、git、 Core Utils等終端能力。

　　WebContainers 的優(yōu)勢相比于WebIDE無容器、WebIDE Docker的方案更加的輕量且無額外成本，功能相對完善。因此，伴隨著WebContainers技術(shù)的出現(xiàn)，基于WebContainers的WebIDE體驗(yàn)普遍獲得了明顯的體驗(yàn)提升。

　　在下文中，我們將WebAssembly和WebContainers分別簡稱為WASM和WebC，以便更加簡潔和方便地提及它們。

　　WebC 實(shí)現(xiàn)方式

　　類比本地而言，WebC 更像是一個(gè)運(yùn)行在瀏覽器上的操作系統(tǒng)。不同之處在于Wasm 跟 WebC 有兩層關(guān)系：

　　1.WebC 本身使用 Wasm 實(shí)現(xiàn)。

　　2.wasm 是 WebC 中的可執(zhí)行文件格式，就好比 ELF 之于 *nix、PE 之于 Windows、Mach-O 之于 macOS。

　　如下圖所示：

　　數(shù)據(jù)傳遞

　　瀏覽器 Worker 間傳遞數(shù)據(jù)通常存在三種方式：

　　●ArrayBuffer + MessageChannel (COPY)

　　●ArrayBuffer + MessageChannel + transferable (MOVE)

　　●SharedArrayBuffer + Atomics

　　雖然 ShardArrayBuffer 因?yàn)榘踩珕栴}被瀏覽器默認(rèn)關(guān)閉，但是ShardArrayBuffer +Atomics方案依然是目前比較好的數(shù)據(jù)傳遞方式選項(xiàng)。其原因主要是因?yàn)?WebC 大量核心邏輯(文件系統(tǒng)、進(jìn)程管理、管道、TTY/PTY等)由 C++實(shí)現(xiàn)，而在 Wasm 中調(diào)用諸如 PostMessage等 Web API需要JS 做大量膠水工作。

　　從 WebC 多進(jìn)程深⼊ Wasm

　　類⽐本地，WebC 更像是⼀個(gè)運(yùn)⾏在瀏覽器上的操作系統(tǒng)，WebC 本身也是使⽤ Wasm 實(shí)現(xiàn)的。

　　WebC 共享內(nèi)存設(shè)計(jì) & Wasm 類型

　　WebC在設(shè)計(jì)上選擇了SharedArrayBuffer+Atomics的方案進(jìn)行不同進(jìn)程間的數(shù)據(jù)傳遞。相比消息通道的傳遞方式,這種基于共享內(nèi)存的設(shè)計(jì)可以避免大量的數(shù)據(jù)拷貝開銷。Wasm中的SharedArrayBuffer和Atomics可在多線程/進(jìn)程間高效安全地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這也更契合WebC的場景,大量核心邏輯由C++編寫,消息通道方式將帶來更多JS膠水層的額外性能損耗。

　　內(nèi)存隔離問題 & Wasm 內(nèi)存和變量

　　WebC需要在不同的進(jìn)程間進(jìn)行內(nèi)存隔離。Wasm中的內(nèi)存布局包括Global、Local和Linear Memory三個(gè)部分。其中Global區(qū)域可以用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的邏輯隔離。WebC就是通過控制Wasm的內(nèi)存布局,為每個(gè)進(jìn)程預(yù)留獨(dú)立的Global內(nèi)存空間,從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程間內(nèi)存的隔離。這展示了Wasm內(nèi)存模型的靈活性和隔離特性在構(gòu)建安全的運(yùn)行環(huán)境方面的應(yīng)用價(jià)值。

　　Fork 函數(shù) & Wasm Call 和 Stack-Switching

　　“fork”函數(shù)可以通過保存和恢復(fù)程序計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的創(chuàng)建。但是在Wasm中,函數(shù)的調(diào)用對開發(fā)者是不透明的。Wasm中的調(diào)用無法保存和恢復(fù)調(diào)用現(xiàn)場。這也導(dǎo)致了Wasm目前無法調(diào)用異步JS接口的問題。Stack-Switching提案將通過“棧切換”功能實(shí)現(xiàn)類似于fork的上下文切換效果。這為Wasm帶來了實(shí)現(xiàn)類似fork的能力。

　　WebC “系統(tǒng)調(diào)⽤”& Wasm Linking

　　WebC 并沒有真正的系統(tǒng)調(diào)⽤，但是依然存在程序訪問系統(tǒng)接⼝的過程。⽬前 Wasm Module 之間是⽆法直接 link 的，⽐如在前端，我們必須使⽤ JS 作為膠⽔層。解決這個(gè)問題的 Wasm Module Linking Proposal 也被合⼊ Component Model Proposal(階段1)。

　　Pipe & Wasm 編程

　　以下示例展示了Wasm提供底層內(nèi)存訪問和計(jì)算的優(yōu)勢,可進(jìn)行更高效的位操作和內(nèi)存管理。

　　對 Wasm 未來的一點(diǎn)小期待

　　劉睿老師提到說現(xiàn)在的 Wasm 并沒有像期待的那樣給前端帶來革新，根據(jù)Results for js web frameworks benchmark得出的調(diào)研結(jié)果來看目前基于 Wasm 的前端框架性能普遍上不如 JS 框架。

　　或許是由于WASM本身功能的缺陷導(dǎo)致需要大量膠水層產(chǎn)生來修補(bǔ)才能夠很好的進(jìn)行工作，當(dāng) Component Model，Stack-Switching, GC 這些 proposals 落地之后，Wasm 在前端的應(yīng)用可以完全擺脫對 JS 的依賴以及膠水層產(chǎn)生的性能損失，基于 Wasm 的前端框架可以充分發(fā)揮自己的性能優(yōu)勢。

　　如下圖所示：

　　總結(jié)

　　WebC產(chǎn)品展示了Wasm構(gòu)建瀏覽器運(yùn)行環(huán)境的可能性。但要發(fā)揮Wasm性能優(yōu)勢,仍需不斷迭代和優(yōu)化。本文對其實(shí)現(xiàn)原理和應(yīng)用場景進(jìn)行了一定分析,希望對相關(guān)領(lǐng)域的探索提供一定借鑒和啟發(fā)。

　　參考資料

　　https://krausest.github.io/js-framework-benchmark/2023/table_chrome_116.0.5845.82.html

　　https://webcontainers.io/

　　關(guān)于掘力計(jì)劃

　　掘力計(jì)劃由稀土掘金技術(shù)社區(qū)發(fā)起，致力于打造一個(gè)高品質(zhì)的技術(shù)分享和交流的系列品牌。聚集國內(nèi)外頂尖的技術(shù)專家、開發(fā)者和實(shí)踐者，通過線下沙龍、閉門會(huì)、公開課等多種形式分享最前沿的技術(shù)動(dòng)態(tài)。（作者：葉飛）