WebAssembly 是什么？

1.1 WebAssembly 的定义

WebAssembly（简称 Wasm）是一种二进制指令格式，设计用于在现代 Web 浏览器中高效运行程序。它可以被认为是一种低级的、接近硬件的编程语言，是一种介于字节码和机器码之间的跨平台中间语言(.net，java虚拟机)。

• 官方目标：让 Web 能运行接近原生性能的代码。
• 核心功能：提供一种安全、跨平台、高性能的沙盒执行环境。

1.2 WebAssembly 的特性

1. 高性能：
   • Wasm 是通过紧凑的二进制格式传输和运行，加载速度快，执行效率接近原生性能。
2. 跨平台：
   • 编译成 Wasm 的程序可以在任何支持 WebAssembly 的环境中运行（包括浏览器、服务端、嵌入式设备等）。
3. 语言无关性：
   • 支持多种编程语言（如 C、C++、Rust、Go 等）编译为 Wasm 字节码。
4. 沙盒环境：
   • 提供安全的运行时隔离机制，防止恶意代码侵入系统。
5. 与 JavaScript 集成：
   • WebAssembly 和 JavaScript 互操作性良好，能被 JS 调用，也能调用 JS 函数。

1.3 WebAssembly 的工作原理

1. 编译阶段：
   • 使用支持的语言（如 Rust、C++）编写代码，并通过工具链编译为 WebAssembly 字节码（.wasm 文件）。
2. 加载阶段：
   • 浏览器或运行时通过字节码加载 WebAssembly 模块。
3. 执行阶段：
   • 使用底层的 JIT 或 AOT（Ahead-of-Time Compilation）技术，生成与平台相关的机器码并执行。

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WebAssembly 和 Java 的 JIT（即时编译）对比

2.1 什么是 JIT？

Java 的 JIT（Just-In-Time Compilation）是一种将字节码（Java 编译器生成的中间代码）字节码是一种中间表示形式，它不是直接由CPU执行的指令集，而是设计为可以在虚拟机（Virtual Machine, VM）中解释或进一步编译成机器码来执行。

• 核心理念：动态优化，提升运行时性能。
• 特点：
  • 在运行时完成字节码到机器码的转换。
  • 利用实时的代码分析和优化技术，改善程序执行效率。

2.2 WebAssembly 和 Java JIT 的相似之处

1. 字节码的本质：
   • 两者都使用字节码作为中间表示：Java 使用 .class 文件，而 WebAssembly 使用 .wasm 文件。
   • 字节码本身与底层硬件无关。
2. 即时编译：
   • WebAssembly 和 Java JIT 都依赖即时编译，将中间代码翻译为平台相关的机器码。
3. 跨平台性：
   • 两者都通过字节码和运行时实现了跨平台支持，运行时根据目标设备环境生成对应的机器码。

2.3 WebAssembly 和 Java JIT 的区别

特性	WebAssembly	Java JIT
初始目标	优化浏览器中的高性能应用（如游戏、音视频处理）。	提供跨平台的企业级应用开发与运行支持。
运行时依赖	需要 WebAssembly 支持的运行时（如浏览器或 Wasm 引擎）。	依赖 JVM（Java Virtual Machine）。
优化策略	偏向轻量、快速加载和运行，注重启动速度。	动态优化运行代码，注重长期运行的高性能（如方法内联等）。
安全性	沙盒隔离，确保与宿主环境完全分离。	依赖 JVM 的内存管理和安全机制。
语言支持	多语言（C/C++、Rust、Go 等）。	主要支持 Java 和兼容语言（如 Kotlin、Scala）。
使用场景	高性能 Web 应用、边缘计算、嵌入式开发。	企业级应用、复杂的分布式系统和服务器端应用。

2.4 性能对比

1. 启动速度：
   • WebAssembly：加载速度快，设计时考虑到 Web 场景，注重低延迟。
   • Java JIT：启动速度稍慢，JIT 需要运行时收集分析信息再进行优化。
2. 长期运行性能：
   • WebAssembly：运行性能接近原生，但不具备长期优化能力。
   • Java JIT：通过持续的动态分析和优化（如热点方法优化、分支预测等），在长期运行下性能可能更优。
3. 内存消耗：
   • WebAssembly：运行时非常轻量级，适合嵌入式和资源受限场景。
   • Java JIT：运行时依赖 JVM，占用的内存相对更大。

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3. WebAssembly 和 Java JIT 的实际应用场景

3.1 WebAssembly 的应用场景

1. 高性能 Web 应用：
   • 游戏（如 Unity 的 Web 部署）。
   • 视频/图像处理（如 Figma 部分功能通过 Wasm 实现）。
2. 跨语言模块：
   • 使用 Rust/C++ 编写高性能逻辑，并将其编译为 Wasm，嵌入到 JS 项目中。
3. 边缘计算和嵌入式开发：
   • Wasm 的沙盒和轻量特性适合边缘设备和微服务。

3.2 Java JIT 的应用场景

1. 企业级应用：
   • Java 的稳定性和成熟的生态使其成为银行、保险等企业系统的首选。
2. 大数据处理：
   • Hadoop 和 Spark 等大数据工具广泛依赖 Java。
3. 分布式系统：
   • 如 Spring Cloud 微服务架构，依赖 Java 的开发效率和 JVM 的性能优化。

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• WebAssembly 专注于高性能和跨平台的 Web/嵌入式开发，其轻量特性和沙盒安全性使其在浏览器和边缘计算领域独具优势。
• Java JIT 则强调动态优化和长期性能，更适合复杂的企业级系统和服务器端开发。

WebAssembly (Wasm) 的成就

1. 成为现代 Web 的性能基石

• WebAssembly 已被所有主流浏览器（Chrome、Firefox、Safari、Edge）广泛支持，成为 Web 性能提升的重要工具。
• 高性能图像/视频处理：
  • 像 Figma 这样的协作设计工具使用 Wasm 实现高性能的图形渲染。
  • Google Earth 使用 Wasm 提供高质量的三维地图渲染。

2. 在游戏开发中的成功应用

• Unity 和 Unreal Engine：
  • 两大主流游戏引擎支持将游戏部署为 WebAssembly，实现在浏览器中运行接近原生性能的 3D 游戏。
• 浏览器游戏：
  • WebAssembly 推动了高性能浏览器游戏的开发，例如 DOOM 3 的 Web 版移植展示了其潜力。

3. 服务端和边缘计算的普及

• Fastly：
  • Fastly 使用 Wasm 构建其 Compute@Edge 平台，使开发者可以部署高性能的边缘函数。
• Cloudflare Workers：
  • Cloudflare 将 Wasm 引入其 Workers 平台，用于运行轻量的服务器端任务。
• WasmEdge：
  • 一个高性能 Wasm 运行时，专注于边缘计算，已在 IoT 和服务端处理领域取得成功。

4. 开发工具生态的成熟

• wasm-bindgen 和 wasm-pack：
  • Rust 社区为 WebAssembly 提供了完善的工具链，开发者可以轻松将 Rust 代码编译为 Wasm 并与 JavaScript 集成。
• AssemblyScript：
  • Wasm 社区推出了 AssemblyScript，允许开发者用 TypeScript 编写 Wasm 模块，降低了开发门槛。

5. 在多语言支持上的突破

• WebAssembly 是一种语言无关的技术，现在已经支持多种编程语言，包括 Rust、C/C++、Go、AssemblyScript、Python 等。
• 多语言生态：
  • 为了更好地支持语言互操作，Wasm 社区推出了 WASI（WebAssembly System Interface），使 Wasm 可以脱离浏览器运行。

6. 应用于 AI 和机器学习

• TensorFlow.js：
  • TensorFlow.js 使用 Wasm 提供硬件加速支持，将 AI 推理任务带入浏览器。
• ONNX Runtime：
  • ONNX Runtime 支持使用 Wasm 部署轻量化的机器学习模型。

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JavaScript 调用 WebAssembly (Wasm) 通常涉及到几个步骤。

这里有一个简化的流程，展示了如何通过 JavaScript 加载和调用一个 WebAssembly 模块：

步骤 1: 编译 C/C++ 或 Rust 等代码为 WebAssembly

首先，你需要将你想要在浏览器中运行的 C/C++ 或 Rust 等代码编译成 WebAssembly (.wasm) 文件。这通常使用工具链如 Emscripten、wasm-pack（针对 Rust）等来完成。

步骤 2: 准备 WebAssembly 模块

确保你的 WebAssembly 模块被正确地托管在一个可以由你的网页访问的位置。如果你正在开发本地项目，你可能需要设置一个简单的 HTTP 服务器来提供 .wasm 文件，因为浏览器安全策略不允许直接从文件系统加载 WebAssembly 模块。

步骤 3: 使用 JavaScript 加载并实例化 WebAssembly 模块

在 HTML 页面中，你可以使用 WebAssembly.instantiateStreaming 方法或 fetch API 来加载 WebAssembly 模块。以下是一个使用 instantiateStreaming 的例子，它更高效，因为它可以在下载的同时解析模块。

// 假设 wasm 模块位于 'myModule.wasm'
async function loadWasm() {
    try {
        const response = await fetch('myModule.wasm');
        if (!response.ok) throw new Error('Network response was not ok');

        // Instantiate the WebAssembly module.
        const { instance } = await WebAssembly.instantiateStreaming(response, {});

        // Now you can call functions from the WebAssembly instance
        console.log(instance.exports.myExportedFunction());
    } catch (err) {
        console.error('Failed to load wasm module:', err);
    }
}

loadWasm();

步骤 4: 调用 WebAssembly 导出的函数

一旦 WebAssembly 实例创建完成，你就可以像调用普通 JavaScript 函数一样调用导出的 WebAssembly 函数。例如，如果 WebAssembly 模块导出了名为 myExportedFunction 的函数，你可以直接在 JavaScript 中调用 instance.exports.myExportedFunction()。

注意事项

• 内存管理：WebAssembly 和 JavaScript 共享线性内存（Linear Memory）。这意味着你可以通过共享同一段内存来传递数据，但是需要注意手动管理内存，尤其是在处理大型数据集时。

• 类型转换：WebAssembly 只支持整数和浮点数类型的参数和返回值。如果你有更复杂的结构（如对象或字符串），你需要在两者之间进行适当的序列化和反序列化。

• 异常处理：WebAssembly 本身并不支持异常传播到 JavaScript。如果你的 WebAssembly 代码抛出异常，那么这个异常会被截获并且会终止模块的执行，除非你在 WebAssembly 代码中显式处理了这些异常。

随着 WebAssembly 技术的发展，更多的高级功能和优化将会被引入，使得 JavaScript 和 WebAssembly 的集成更加无缝和强大。