AssemblyScript 如何帮助 WebAssembly 发挥潜力?

阅读数:1806 2019 年 12 月 4 日 11:46

AssemblyScript如何帮助WebAssembly发挥潜力?

WebAssembly(或 Wasm)是 Web 浏览器中相对较新的功能,但它有潜力极大地扩展 Web 作为一个应用程序服务平台的能力。Web 开发人员在入门 WebAssembly 时可能会经历艰难的学习过程,而 AssemblyScript 就提供了一种解决办法。首先我们来看一下为什么 WebAssembly 是一项很有前途的技术,然后再介绍 AssemblyScript 是怎样帮助 WebAssembly 发挥潜力的。

WebAssembly

WebAssembly 是针对浏览器使用的底层语言,为开发人员提供了 JavaScript 之外的 Web 编译目标。它使网站代码可以在安全的沙盒环境中以接近原生的速度运行。

它是根据所有主流浏览器(Chrome、Firefox、Safari 和 Edge)代表的意见开发的,这些代表于 2017 年初达成了设计共识。所有这些浏览器现在都支持 WebAssembly,意味着整个市场中约 87%的浏览器可以使用它。

WebAssembly 以二进制格式交付,这意味着与 JavaScript 相比,WebAssembly 在大小和加载时间上均占优势。但它也有供人类阅读的文本表示形式

当 WebAssembly 首次亮相时,一些开发人员认为它最后有可能取代 JavaScript,成为 Web 的主要语言。但最好将 WebAssembly 视为与现有 Web 平台集成良好的一项新工具,这也是其高阶目标之一

WebAssembly 并没有取代现有的 JavaScript 用例,而是开拓了新的用户场景,吸引了更多人的兴趣。WebAssembly 尚不能直接访问 DOM,并且大多数现有网站都希望继续使用 JavaScript——毕竟经过多年的优化,JavaScript 已经相当快了。下面是 WebAssembly 自身提供的可行用例列表:

  • 游戏
  • 科学计算的可视化和模拟
  • CAD 应用
  • 图像 / 视频编辑

这些用例的共同属性是,我们通常会将它们视为桌面应用程序。WebAssembly 可以为 CPU 密集型任务提供接近原生平台的性能表现,这样人们就能将更多桌面型应用程序移植到 Web 端了。

现有网站也可以从 WebAssembly 中受益。 Figma 提供了一个现实应用的示例,它使用 WebAssembly 大大缩短了加载时间。如果网站使用的某些代码需要进行大量的计算,则可以只将这部分代码替换为 WebAssembly 以提高性能。

所以也许现在你就有兴趣开始使用 WebAssembly 了。你可以学习这种语言本身并直接编写它,但实际上它打算成为其他语言的编译目标。它被设计为对 C 和 C++ 具有良好的支持,Go 在 1.11 版中添加了对它的实验性支持,Rust 也对其投入了大量资源

但也许你并不想为了使用 WebAssembly 而学习或使用其中的任何一种语言。这就轮到 AssemblyScript 出场表现了。

AssemblyScript

AssemblyScript 是一个 TypeScript 到 WebAssembly 的编译器。由 Microsoft 开发的 TypeScript 为 JavaScript 添加了类型。它已经非常流行了,但就算用户不怎么熟悉 TS,AssemblyScript 也只支持 TypeScript 功能的一个有限子集,因此不需要花很长时间就能上手。

因为它与 JavaScript 非常相似,所以 AssemblyScript 使 Web 开发人员可以轻松地将 WebAssembly 整合到他们的网站中,而不必使用某种完全不同的语言。

尝试一下

下面我们试着编写第一个 AssemblyScript 模块(所有代码都在这个 GitHub 仓库中提供: https://github.com/dguo/assemblyscript-demo )。为了支持 WebAssembly,我们需要的 Node.js 最低版本是 8.0

转到一个空目录,创建一个 package.json 文件,然后安装 AssemblyScript。请注意,我们需要直接从其 GitHub 仓库安装它。它尚未在 npm 上发布,因为 AssemblyScript 开发人员认为这个编译器尚未准备好应对一般用途。

复制代码
mkdir assemblyscript-demo
cd assemblyscript-demo
npm init
npm install --save-dev github:AssemblyScript/assemblyscript

使用随附的 asinit 命令生成脚手架文件:

复制代码
npx asinit .

我们的 package.json 现在应该包含以下脚本:

复制代码
{
"scripts": {
"asbuild:untouched": "asc assembly/index.ts -b build/untouched.wasm -t build/untouched.wat --sourceMap --validate --debug",
"asbuild:optimized": "asc assembly/index.ts -b build/optimized.wasm -t build/optimized.wat --sourceMap --validate --optimize",
"asbuild": "npm run asbuild:untouched && npm run asbuild:optimized"
}
}

顶层 index.js 看起来像这样:

复制代码
const fs = require("fs");
const compiled = new WebAssembly.Module(fs.readFileSync(__dirname + "/build/optimized.wasm"));
const imports = {
env: {
abort(_msg, _file, line, column) {
console.error("abort called at index.ts:" + line + ":" + column);
}
}
};
Object.defineProperty(module, "exports", {
get: () => new WebAssembly.Instance(compiled, imports).exports
});

它使我们可以轻松地 require 我们的 WebAssembly 模块,就像 require 普通的 JavaScript 模块一样。其中,assembly 目录包含我们的 AssemblyScript 源代码。生成的示例是一个简单的加法函数。

复制代码
export function add(a: i32, b: i32): i32 {
return a + b;
}

你可能以为函数签名会像 TypeScript 中的形式,也就是 add(a: number, b: number): number 这种格式;但这里之所以使用 i32,原因是 AssemblyScript 使用了 WebAssembly 的特定整数和浮点类型,而不是 TypeScript 的通用数字类型。下面我们来构建示例。

复制代码
npm run asbuild

现在,build 目录应包含以下文件:

复制代码
optimized.wasm
optimized.wasm.map
optimized.wat
untouched.wasm
untouched.wasm.map
untouched.wat

我们得到了构建的普通版本和优化版本。对于每个构建版本,我们都有了一个.wasm 二进制文件、一个.wasm.map 源映射,以及该二进制文件的.wat 文本表示形式。文本表示形式是用来供人类阅读的,但在这个例子中我们无需阅读或理解它——使用 AssemblyScript 的其中一个目的,就是用不着使用原始的 WebAssembly 了。

启动 Node,并像其他模块一样使用我们的编译模块。

复制代码
$ node
Welcome to Node.js v12.10.0.
Type ".help" for more information.
> const add = require('./index').add;
undefined
> add(3, 5)
8

从 Node 调用 WebAssembly 就只需要这些步骤!

添加监视脚本

在开发时,建议你在更改源代码时使用 onchange 自动重建模块,因为 AssemblyScript 尚不包含监视模式

复制代码
npm install --save-dev onchange

将 asbuild:watch 脚本添加到 package.json。加入 -i 标志,可在运行命令后立即运行初始构建。

复制代码
{
"scripts": {
"asbuild:untouched": "asc assembly/index.ts -b build/untouched.wasm -t build/untouched.wat --sourceMap --validate --debug",
"asbuild:optimized": "asc assembly/index.ts -b build/optimized.wasm -t build/optimized.wat --sourceMap --validate --optimize",
"asbuild": "npm run asbuild:untouched && npm run asbuild:optimized",
"asbuild:watch": "onchange -i 'assembly/**/*' -- npm run asbuild"
}
}

现在你可以运行 asbuild:watch,这样就用不着不断重新运行 asbuild 了。

性能

我们来写一个基本的基准测试,看看我们可以获得怎样的性能提升。WebAssembly 的专长是处理诸如数字计算之类的 CPU 密集型任务,所以我们这里使用一个函数来确定一个整数是否为质数。

我们的参考实现如下所示。这是一种原始的暴力解决方案,因为我们的目标是执行大量计算。

复制代码
function isPrime(x) {
if (x < 2) {
return false;
}
for (let i = 2; i < x; i++) {
if (x % i === 0) {
return false;
}
}
return true;
}

等效的 AssemblyScript 版本仅需要一些类型注释:

复制代码
function isPrime(x: u32): bool {
if (x < 2) {
return false;
}
for (let i: u32 = 2; i < x; i++) {
if (x % i === 0) {
return false;
}
}
return true;
}

我们将使用 Benchmark.js( https://benchmarkjs.com/ )。

复制代码
npm install --save-dev benchmark

创建 benchmark.js :

复制代码
const Benchmark = require('benchmark');
const assemblyScriptIsPrime = require('./index').isPrime;
function isPrime(x) {
for (let i = 2; i < x; i++) {
if (x % i === 0) {
return false;
}
}
return true;
}
const suite = new Benchmark.Suite;
const startNumber = 2;
const stopNumber = 10000;

在我的机器上,运行 node benchmark 时得到了以下结果:

复制代码
AssemblyScript isPrime x 74.00 ops/sec ±0.43% (76 runs sampled)
JavaScript isPrime x 61.56 ops/sec ±0.30% (64 runs sampled)
AssemblyScript isPrime is ~20.2% faster.

请注意,这个测试是一个 microbenchmark ,我们不应该太看重它的结果。

如果你想要参考一些更深度的 AssemblyScript 基准测试,我建议了解 WasmBoy 基准测试 wave equation 基准测试

加载模块

接下来我们在网站中使用我们的模块。创建 index.html:

复制代码
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="utf-8" />
<title>AssemblyScript isPrime demo</title>
</head>
<body>
<form id="prime-checker">
<label for="number">Enter a number to check if it is prime:</label>
<input name="number" type="number" />
<button type="submit">Submit</button>
</form>
<p id="result"></p>
<script src="demo.js"></script>
</body>
</html>

创建 demo.js。要加载 WebAssembly 模块有多种方法,但最有效的方法是使用 WebAssembly.instantiateStreaming 函数,以流方式编译和实例化这些模块。请注意,我们需要提供一个中止函数,如果断言失败就会调用这个中止函数。

复制代码
(async () => {
const importObject = {
env: {
abort(_msg, _file, line, column) {
console.error("abort called at index.ts:" + line + ":" + column);
}
}
};
const module = await WebAssembly.instantiateStreaming(
fetch("build/optimized.wasm"),
importObject
);
const isPrime = module.instance.exports.isPrime;
const result = document.querySelector("#result");
document.querySelector("#prime-checker").addEventListener("submit", event => {
event.preventDefault();
result.innerText = "";
const number = event.target.elements.number.value;
result.innerText = `${number} is ${isPrime(number) ? '' : 'not '}prime.`;
});
})();

现在安装 static-server 。我们需要一个服务器,因为使用 WebAssembly.instantiateStreaming 时,该模块需要 MIME 类型的 application/wasm。

复制代码
npm install --save-dev static-server

将脚本添加到 package.json。

复制代码
{
"scripts": {
"serve-demo": "static-server"
}
}

运行 npm run serve-demo 命令,并在浏览器中打开 localhost URL。在表单中提交一个数字,你将收到一条消息,指出该数字是否为质数。到这里,从编写 AssemblyScript,到在网站中实际使用它的整个流程我们都走了一遍。

结论

WebAssembly 和它的 AssemblyScript 扩展并不会一夜之间加快所有网站的速度,但这也不是它们的目的。WebAssembly 之所以令人兴奋,是因为它为 Web 开拓了更多的可能性,从而支持更多种类的应用程序。

类似地,AssemblyScript 使更多开发人员可以快速上手 WebAssembly,这样我们就能在一般场景中继续使用 JavaScript,而在需要大量数字运算的任务中轻松切换到 WebAssembly 了。

原文链接
https://blog.logrocket.com/the-introductory-guide-to-assemblyscript/

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