WebAssembly与JavaScript的交互（1）

前一阵子利用Balazor开发了一个NuGet站点，对WebAssembly进行了初步的了解，觉得挺有意思。在接下来的一系列文章中，我们将通过实例演示的方式介绍WebAssembly的一些基本概念和编程模式。首先我们先来说说什么是WebAssembly，它主要帮助我们解决什么问题？

一、概述

WebAssembly可以视为一种采用精简的”二进制格式”的“低等级”、“类汇编”语言。目前主流的浏览器均提供了对WebAssembly的支持，虽然WebAssembly的执行性能（它能够提供near-native的执行性能）是JavaScript无法比拟的，但是在表达能力和灵活性还是不如JavaScript，所以WebAssembly的出现并不是要取代JavaScript，而是作为JavaScript的“助手”，两者配合，各自发挥自身的优势，进而开发出更高质量的Web应用。

与其说WebAssembly像汇编，不如说它更像MSIL，因为它不是面向开发者的高级语言，而是高级语言的“编译目标”。虽然.NET 的运行时CLR不能直接执行C#、VB.NET和F#这样的高级语言编写的代码，而执行执行MSIL指令，但是我们可以将前者编译成后者。与之类似，我们也可以使用C、C++、C#、Rust和AssemblyScript（面向WebAssembly的TypeScript）作为开发语言，然后将代码编译成WebAssembly。

与汇编一样，虽然WebAssembly采用的是单纯的二进制格式，但是可以转换成文本形式。不仅如此，我们还可以按照这样的文本格式来编写程序（在接下来的内容中，我们提供的WebAssembly程序均采用这样的编写方式），并利用相应的工具将其编程成WebAssembly。WebAssembly文本采用一种名为S-expression的树形结构，我们定义的内容都存在与一个具体的“节点”中，每个节点通过小括号包裹起来，子节点直接内嵌于父节点中。由于模块是WebAssembly的基本部署和加载单元，所以module总是它们的根节点，如下所示的就是一个合法的最简单的WebAssembly程序。

(module)

为了让大家对WebAssembly文本的S-expression有一个大致的了解，我们采用这样的形势定义了一个进行整数加法运算的add函数。如下面的代码片段所示，我们定义的函数通过内嵌于module节点的(func)节点表示。它具有一些子节点，其中(export "add") 表示将这个函数以名称“add”进行导出，这意味着加载此模块的JavaScript应用可以直接调用此函数。额外三个节点(param $x i32) (param $y i32) (result i32)定义了函数的签名，揭示了此函数包含两个Int32(i32)的输入参数，返回值（结果）的类型也是Int32(i32)。为了提供可读性，同时也方面传参方面，我们将参数进行了命名($x和$y)

(module
  (func (export "add") (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
    local.get $x
    local.get $y
    i32.add)
)

值得一提的是，WebAssembly仅仅支持4种数据类型，分别是32和64位的整数（i32和i64）和浮点数（f32和f64），连我们最常使用的字符串类型都不支持。由于字符串本质上就是一组字符序列，而一个字符本质上是采用某种编码的一段字节序列，所以WebAssembly中针对字符串的处理需要自行解决编解码的工作，所以直接以S-expression文本的形式编写WebAssembly程序并不容易。

上面说WebAssembly更像MSIL，还因为执行WebAssembly的VM是一个“堆栈机（Stack Machine）”,意味着它采用“压栈”的方式传递参数。而汇编面向的是真正的机器语言，是“堆栈机（Stack Machine）”和“寄存器机（Register Machine）”的结合，不仅参数传递可以采用堆栈，也可以采用寄存器。这一点可以从add函数的实现看出来，由于最终需要执行i32.add指令，我们需要在这之前调用local.get指令将两个参数压入栈中。i32.add执行后的结果也将入栈，并成为函数返回值。

在对WebAssembly以及基于S-expression的文本形式有了基本了解之后，我们通过一个简单的例子来演示一下一个WebAssembly程序大体上如何编写，我们着重关注JavaScript应用和WebAssembly之间的功能交互。我们创建一个空的目录，并创建两个文本文件app.wat和index.html，前者代表以S-expression文本形式编写的WebAssembly程序，后者是一个空的HTML页面，我们利用它提供的JavaScript程序加载并执行编译后的WebAssembly模块。

二、WebAssembly程序(app.wat)

如下所示的是app.wat的内容，看起来很长，好在我们现在对S-expression有了基本的了解，所以理解起来没有什么问题。模块的第一个节点(func $print (import "js" "print") (param $op1 i32) (param $op2 i32) (param $op i32) (param $result i32))同样是定义了一个函数，我们将其命名为$print，子节点(import "js" "print") 表明该函数是从作为宿主的Javascript应用中导入的，具体的路径为js->print。如果导入的Javascript对象通过变量imports表示，意味着imports.js.print表示的就是这个导入的对象。至于其余的四个节点(param $op1 i32) (param $op2 i32) (param $op i32) (param $result i32))同样是提供了函数的签名：个i32类型的参数，分别表示第一个操作数、第二个操作数、操作符（1，2，3，4分别代表加、减、乘、除）和执行结果。由于这个函数仅仅打印运算表达式，所以没有返回值。

(module

  ;; import js func print (op1, op2, op, result)  

  (func $print (import "js" "print") (param $op1 i32) (param $op2 i32) (param $op i32) (param $result i32))

  ;; int32 add (int32 x, int32 y)
  (func $add (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
    local.get $x
    local.get $y
    i32.add)

  ;; int32 sub(int32 x, int32 y)
  (func $sub (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
    local.get $x
    local.get $y
    i32.sub)


  ;; int32 mul(int32 x, int32 y)
  (func $mul (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
    local.get $x
    local.get $y
    i32.mul)


   ;; int32 div(int32 x, int32 y)
   (func $div (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
    local.get $x
    local.get $y
    i32.div_u)

   (func $main
    ;; call print(1, 2, add(1,2), 1)
    i32.const 1
    i32.const 2
    i32.const 1

    i32.const 1
    i32.const 2
    call $add
    call $print

    ;; call print(1, 2, sub(1,2), 2)
    i32.const 1
    i32.const 2
    i32.const 2

    i32.const 1
    i32.const 2
    call $sub
    call $print

    ;; call print(1, 2, mul(1,2), 3)
    i32.const 1
    i32.const 2
    i32.const 3

    i32.const 1
    i32.const 2
    call $mul
    call $print

    ;; call print(1, 2, div(1,2), 4)
    i32.const 1
    i32.const 2
    i32.const 4

    i32.const 1
    i32.const 2
    call $div
    call $print
   )

   (start $main)
)

接下来我们定义了四个进行加、减、乘和除运算的函数add、sub、mul和div，它们与上面定义的add函数类似，不过由于缺少了（export “{funcname}”）节点，所以它们仅仅是四个内部函数而已。接下来，我们定义了一个$main函数，它会传入相同的参数（1、2）调用上述4个函数，并调用导入的print方法将包含结果的运算表达式打印出来。虽然命名为$main，但是它也仅仅是一个普通的函数而已，所以我们需要利用(start $main)节点将其作为入口函数，这样它就会在加载的时候自动执行了。

三、编译生成app.wasm

以文本形式编写的WebAssembly程序需要编译成二进制模块才能被加载执行，这里我们使用的wat2wasm这个工具，这个工具可以从这里下载。除了将wat文件转化成wasm文件的wat2wasm，下载包里还包含了其他一些有用的工具，比如进行反向操作的wasm2wat。上面编写的app.wat文件利用如下的命令就可以编译生成WebAssembly目标文件app.wasm。

wat2wasm app.wat -o app.wasm

四、JavaScript程序

如下所示的就是index.html文件的内容，我们着重关注其提供的JavaScript代码。我们首先定义被WebAssembly导入的用来输出运行表达式的函数print，然后按照导入路径js.print将其封装到一个导入对象中（{"js":{"print":print}}）。我们调用WebAssembly.instantiateStreaming函数以异步方式加载app.wasm模块，并创建对应的实例。具体下载app.wasm模块通过第一个参数提供的Promise（fetch("app.wasm")）完成，第二个参数代表导入对象。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head></head>
<body>
    <script>
        var url="app.wasm";
        var print = (op1, op2, op, result) => {
            switch (op) {
                case 1:
                    console.log(`${op1} + ${op2} = ${result}`);
                    break;
                case 2:
                    console.log(`${op1} - ${op2} = ${result}`);
                    break;
                case 3:
                    console.log(`${op1} * ${op2} = ${result}`);
                    break;
                case 4:
                    console.log(`${op1} / ${op2} = ${result}`);
                    break;
                default:
                    console.log("invalid operator.");
}
        };
        WebAssembly.instantiateStreaming(fetch("app.wasm"), {"js":{"print":print}});
    </script>
</body>
</html>

五、跑起来看看

我们采用相应的方式将当前目录发布为本地web站点，比如执行Python命令（python -m http.server），然后我们利用浏览器访问此站点的默认文件index.html，浏览器的控制台输出就会看到WebAssembly模块初始化输出的四个运算表达式。

六、调用导出函数

上面我们演示了WebAssembly模块在初始化的时候调用导入的JavaScript函数，现在我们来演示JavaScript应用如何调用从WebAssembly导出的函数，为此我们将app.wat的代码改写成如下的形式，仅仅保留4个导出的函数add、sub、mul和div。

(module
  (func (export "add") (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
    local.get $x
    local.get $y
    i32.add)

  (func (export "sub")  (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
    local.get $x
    local.get $y
    i32.sub)

  (func (export "mul")  (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
    local.get $x
    local.get $y
    i32.mul)

   (func (export "div")  (param $x i32) (param $y i32) (result i32)
    local.get $x
    local.get $y
    i32.div_u)
)

index.html中的Javascript代码也做了如下的修改：我们在调用WebAssembly.instantiateStreaming函数成功加载WebAssembly模块并创建对应模块实例后，利用返回结果的instance属性得到这个模块实例。模块导出的成员都保存在该实例的exports属性返回的集合中，为此我们从中提取出导出的四个返回，并利用它们完成对应的运算后，调用console.log函数将包含结果的运算表达式输出到控制台上。由于WebAssembly模块不在需要调用导入的函数，所以调用instantiateStreaming函数的时候不需要在指定导入对象。

<!DOCTYPE html>
<html>
<head></head>
<body>
    <script>
        var url="app.wasm";
        WebAssembly
            .instantiateStreaming(fetch("app.wasm"))
            .then(result => {
                var exports = result.instance.exports;

                var result = exports.add(1,2);
                console.log(`1 + 2 = ${result}`);

                result = exports.sub(1,2);
                console.log(`1 - 2 = ${result}`);

                result = exports.mul(1,2);
                console.log(`1 * 2 = ${result}`);

                result = exports.div(1,2);
                console.log(`1 / 2 = ${result}`);
            });
    </script>
</body>
</html>

程序运行之后，浏览器的控制台上依然会输出相同的结果。