WebAssembly的起源及實(shí)踐分析

在瀏覽器之爭(zhēng)中，Chrome憑借Java的卓越性能取得了市場(chǎng)主導(dǎo)地位，然而由于Java的無(wú)類(lèi)型特性，導(dǎo)致其運(yùn)行時(shí)消耗大量的性能做為代價(jià)，這也是Java的瓶頸之一。WebAssembly旨在解決這一問(wèn)題。本文從WebAssembly的起源到開(kāi)發(fā)實(shí)踐對(duì)其做全面探究，幫助開(kāi)發(fā)者對(duì)WebAssembly有全面的了解。
　　緣起
　　讓我們從瀏覽器大戰(zhàn)說(shuō)起。微軟憑借Windows系統(tǒng)捆綁Internet Explorer的先天優(yōu)勢(shì)擊潰Netscape后，進(jìn)入了長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的靜默期。而Netscape則于1998年將Communicator開(kāi)源，并由Mozilla基金會(huì)衍生出Firefox瀏覽器，在2004年發(fā)布了1.0版本。從此，第二次瀏覽器大戰(zhàn)拉開(kāi)帷幕。這場(chǎng)大戰(zhàn)由Firefox瀏覽器領(lǐng)銜，Safari、Opera等瀏覽器也積極進(jìn)取，Internet Explorer的主導(dǎo)地位首次受到挑戰(zhàn)。2008年Google推出Chrome瀏覽器，不但逐步侵蝕Firefox的市場(chǎng)，更是壓制了老邁的Internet Explorer。在此次大戰(zhàn)之后的2012年，StatCounter的數(shù)據(jù)指出Chrome以微弱優(yōu)勢(shì)超越Internet Explorer成為世界上最流行的瀏覽器。
　　分析Google Chrome瀏覽器戰(zhàn)勝I(mǎi)nternet Explorer的原因，除了對(duì)Web標(biāo)準(zhǔn)更友善的支持外，卓越的性能是其中相當(dāng)重要的因素，而瀏覽器性能之爭(zhēng)的本質(zhì)則體現(xiàn)在Java引擎。此前，Java引擎的實(shí)現(xiàn)方式經(jīng)歷了遍歷語(yǔ)法樹(shù)到字節(jié)碼解釋器等較為原始的方式，將每條源代碼翻譯成相應(yīng)的機(jī)器碼并執(zhí)行，并不保存翻譯后的機(jī)器碼，使得解釋執(zhí)行很慢。2008年9月，Google發(fā)布了V8 Java引擎。V8被設(shè)計(jì)用于提高Web瀏覽器中Java的執(zhí)行性能，通過(guò)即時(shí)編譯JIT（Just-In-Time）技術(shù)，在執(zhí)行時(shí)將Java代碼編譯成更為高效的機(jī)器代碼并保存，下次執(zhí)行同一代碼段時(shí)無(wú)需再編譯，使得Java獲得了幾十倍的性能提升。
　　然而，Java是個(gè)無(wú)類(lèi)型（untyped，變量沒(méi)有類(lèi)型）的語(yǔ)言，這直接導(dǎo)致表達(dá)式c=a+b有多重含義：
　　a、b均為數(shù)字，則算術(shù)運(yùn)算符+表示值相加；
　　a、b為字符串，則+運(yùn)算符表示字符串連接；
　　……
　　表達(dá)式執(zhí)行時(shí)，JIT編譯器需要檢查a和b的類(lèi)型，確定操作行為。若a、b均為數(shù)字，JIT編譯器則將a、b確認(rèn)為整型，而一旦某一變量變成字符串，JIT編譯器則不得不將之前編譯的機(jī)器碼推倒重來(lái)。由此可見(jiàn)，Java的無(wú)類(lèi)型特性建立在消耗大量性能代價(jià)的基礎(chǔ)之上。即便JIT編譯器在對(duì)變量類(lèi)型發(fā)生變化時(shí)已進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，但仍然有很多情況Java引擎未進(jìn)行或無(wú)法優(yōu)化，例如for-of、try-catch、try-finally、with語(yǔ)句以及復(fù)合let、const賦值的函數(shù)等。
　　由此可見(jiàn)，Java的無(wú)類(lèi)型是Java引擎的性能瓶頸之一，改進(jìn)方案有兩種：一是設(shè)計(jì)一門(mén)新的強(qiáng)類(lèi)型語(yǔ)言并強(qiáng)制開(kāi)發(fā)者進(jìn)行類(lèi)型指定；二是給現(xiàn)有的Java加上變量類(lèi)型。
　　微軟開(kāi)發(fā)的Type屬于第一種改進(jìn)方案。它是擴(kuò)展了Java特性的語(yǔ)言，包含了類(lèi)型批注，編譯時(shí)類(lèi)型檢查，類(lèi)型推斷和擦除等功能，Type開(kāi)發(fā)者在聲明變量時(shí)指定類(lèi)型，使得Java引擎能夠更快將這種強(qiáng)類(lèi)型的語(yǔ)言編譯成弱類(lèi)型。
　　看看第二種方案：
　　
　　代碼1
　　代碼1表示帶有兩個(gè)參數(shù)（a和b）的Java函數(shù)，和通常Java代碼不同的地方在于a=a | 0及b=b | 0，以及返回值后面均利用標(biāo)注進(jìn)行了按位OR操作。這么做的優(yōu)點(diǎn)是使Java引擎強(qiáng)制轉(zhuǎn)換變量的值為整型執(zhí)行。通過(guò)標(biāo)注加上變量類(lèi)型，Java引擎就能更快地編譯。
　　既然增加變量類(lèi)型能夠提升Web性能，有沒(méi)有辦法將靜態(tài)類(lèi)型代碼例如C/C++等轉(zhuǎn)換成Java指令的子集呢？上面的這段代碼恰恰是作為Java子集的asm.js，由代碼2的C語(yǔ)言編譯而來(lái)：
　　
　　代碼2
　　事實(shí)上，早在1995年起就已經(jīng)有Netscape Plugin API（NPAPI）在內(nèi)的可以使用瀏覽器運(yùn)行C/C++程序的項(xiàng)目在開(kāi)發(fā)。而2013年問(wèn)世的asm.js是目前較為廣泛的方案。asm.js是一種中間編程語(yǔ)言，允許用C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)軟件作為Web應(yīng)用程序運(yùn)行，并保持更好的性能，而Mozilla Firefox從版本22起成為第一個(gè)為asm.js特別優(yōu)化的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器。
　　Google也同樣在為原生代碼運(yùn)行在Web端而努力。Google Native Client（NaCl）采用沙盒技術(shù)，讓Intel x86、ARM或MIPS子集的機(jī)器碼直接在沙盒上運(yùn)行。它能夠在無(wú)需安裝插件的情況下從瀏覽器直接運(yùn)行原生可執(zhí)行代碼，使Web應(yīng)用程序可以用接近于機(jī)器碼運(yùn)作的速度來(lái)運(yùn)行。而Google Portable Native Client（PNaCl）則稍有變化，通過(guò)一些前端編譯器將C/C++源代碼編譯成LLVM的中間字節(jié)碼而不是x86或ARM代碼，并且進(jìn)行優(yōu)化以及鏈接。