WebAssembly

对于可以应用在诸如 i386、X86-64 等实际存在的物理系统架构上的指令集，我们一般称之为 ISA（Instruction Set Architecture，指令集架构）。而对另外一种使用在虚拟架构体系中的指令集，我们通常称之为 V-ISA，也就是 Virtual（虚拟）的 ISA，JVM 跟 WASM 都属于后者

模块组成

每一个不同的 Section 都描述了关于这个 Wasm 模块的一部分信息。而模块内的所有 Section 放在一起，便描述了整个模块在二进制层面的组成结构

Type Section

存放了 Wasm 模块使用到的所有函数类型（签名）

Start Section

通过这个 Section，我们可以为模块指定在其初始化过程完成后，需要首先被宿主环境执行的函数

Global Section

主要存放了整个模块中使用到的全局数据（变量）信息

Custom Section

主要用来存放一些与模块本身主体结构无关的数据，比如调试信息、source-map 信息等等

Import Section 和 Export Section

Import 定义了所有从外界宿主环境导入到模块对象中的资源，这些资源将会在模块的内部被使用，能够在 Wasm 模块之间，以及 Wasm 模块与宿主环境之间共享代码和数据

Export 可以将一些资源导出到虚拟机所在的宿主环境中

Function Section 和 Code Section

Function Section 存放了模块内每个函数对应的函数类型，即具体的函数与类型对应关系；而在 Code Section 中存放的则是每个函数的具体定义，也就是实现部分

Table Section 和 Element Section

目前 Table Section 的作用并不大，你只需要知道我们可以在其对应的 Table 结构中存放类型为 “anyfunc” 的函数指针，并且还可以通过指令 “call_indirect” 来调用这些函数指针所指向的函数

通过 Element Section，我们便可以为 Table Section 所描述的 Table 对象填充实际的数据

Memory Section 和 Data Section

Memory Section 可以描述一个 Wasm 模块内所使用的线性内存段的基本情况，比如这段内存的初始大小、以及最大可用大小等等

使用 Data Section 为线性内存段填充实际的二进制数据

魔数和版本号

开头的前四个字节分别为 “（高地址）0x6d 0x73 0x61 0x0（低地址）”

四个字节对应的 ASCII 可见字符为 “asm”

接下来的四个字节，用来表示当前 Wasm 二进制文件所使用的 Wasm 标准版本号，版本号1即为 0x0 0x0 0x0 0x1

数字类型

Wasm 将其模块内部所使用到的数字值分为以下三种类型：

  1. uintN（N = 8 / 16 / 32） 表示了一个占用 N 个 bit 的无符号整数。该整数由 N/8 个字节组成，并以小端模式进行存储
  2. varuintN（N = 1 / 7 / 32） 使用 Unsigned LEB-128 编码，具有 N 个 bit 长度的可变长无符号整数
  3. varintN（N = 7 / 32 / 64） 表示的是使用 Signed LEB-128 编码，具有 N 个 bit 长度的可变长有符号整数

WAT

一种与 Wasm 字节码格式完全等价，可用于编码 Wasm 模块及其相关定义的文本格式

(func $factorial (; 0 ;) (param $0 i32) (result i32)
 (local $1 i32)
 (local $2 i32)
 (block $label$0
  (br_if $label$0
   (i32.eqz
    (get_local $0)
   )
  )
  (set_local $2
   (i32.const 1)
  )
  (loop $label$1
   (set_local $2
    (i32.mul
     (get_local $0)
     (get_local $2)
    )
   )
   (set_local $0
    (tee_local $1
     (i32.add
      (get_local $0)
      (i32.const -1)
     )
    )
   )
   (br_if $label$1
    (get_local $1)
   )
  )
  (return
   (get_local $2)
  )
 )
 (i32.const 1)
)

S表达式

求值会从最内层的括号表达式开始，类似于Lisp

Flat-WAT

平铺即通过“嵌套”与“小括号”的方式指定了各个表达式的求值顺序


(func $factorial (param $0 i32) (result i32)
 block $label$0
  local.get $0
  i32.eqz
  br_if $label$0
  local.get $0
  i32.const 255
  i32.add
  i32.const 255
  i32.and
  call $factorial
  local.get $0
  i32.mul
  i32.const 255
  i32.and
  return
 end
 i32.const 1)

模块结构


(module
 (table 0 anyfunc)
 (memory $0 1)
 (export "memory" (memory $0))
 (export "factorial" (func $factorial))
 ...
)

相关工具

WASI

20221129103749

WASI 在 Wasm 字节码与虚拟机之间，增加了一层“系统调用抽象层”提供了可移植性

另外一点，基础设施，即虚拟机在实现WASI标准时，便会采用 “Capability-based Security” 的方式来控制每一个 Wasm 模块实例所拥有的 capability

浏览器加载

能够使用 Wasm 来实现的功能，现阶段都可以通过 JavaScript 来实现

对应的 js 方法：

bufferSource = new Int8Array([...]); 
let module = new WebAssembly.Module(bufferSource);

let memory = new WebAssembly.Memory({
  initial:10, 
  maximum:100,
});

WebAssembly.compile(bufferSource)

WebAssembly.instantiate(bufferSource, importObject)

Web API

运行时

20221129114714

内存模型

在 Web 浏览器这个宿主环境中，一个内存实例通常可以由 JavaScript 中的 ArrayBuffer 类型来进行表示

20221129115134

局限

应用

纳米进程

每一个模块实例都拥有着自己独立的数据资源及可用权限，因此我们可以称每一个实例化的模块为一个独立的 “nanoprocess”

为了避免依赖的第三方模块是恶意模块，每个模块拥有的权限，都是来源于其调用者，即全部来自于最上层的调用者

20221130112341

运行时

编译

利用 LLVM 的能力，可以将许多语言的源代码先转为 LLVM 的中间产物，通过LLVM的llc 编译为 WASM