WebAssembly和Emscripten入门简介

初识WebAssembly

WebAssembly，简称 WASM ，是一种新的低级二进制格式，它可以在所有主流的浏览器中使用，包括 Chrome，Firefox，Edge和Safari。WebAssembly最初由Mozilla、Google、微软和其他技术公司推出，它的目标是通过提供一种高性能、可移植和安全的方式来扩展Web平台，以便开发人员可以在Web上构建更加复杂和功能更加强大的应用程序。

WebAssembly与JavaScript不同，它是一种二进制格式，而不是文本格式，它需要使用虚拟机来解释字节码，同时提供与Web技术的交互。WebAssembly可以将C/C++、Rust等语言编写的代码编译成字节码格式，然后在浏览器中运行。WebAssembly可以通过使用JavaScript的API调用，也可以在WebAssembly模块之间进行通信。WebAssembly可以更快地加载、解析和执行，从而提供更好的性能和更低的内存占用。

Emscripten开发入门

WebAssembly需要将C/C++、Rust等语言编写的代码编译成字节码格式，然后在浏览器中运行。Emscripten是一个将C/C++代码转换为WebAssembly的工具集，是WebAssembly技术的重要推动者之一。Emscripten的核心是一个将LLVM字节码转换为JavaScript或WebAssembly字节码的编译器，称为LLVM到JavaScript的编译器。该编译器可以将C/C++代码编译为LLVM字节码，然后通过LLVM到JavaScript编译器将字节码转换为JavaScript或WebAssembly代码。通过利用Emscripten工具，开发者可以使用C/C++等语言来开发Web应用，利用WebAssembly的高性能、低资源消耗、跨平台等优势来提升Web应用的性能和用户体验。

使用Emscripten开发编译流程大致如下：

Emscripten安装

安装Emscripten需要使用emsdk脚本，emsdk脚本是基于python语言开发的，安装前需要确认有以下依赖项：git，python，Node.js。

安装步骤如下：

在终端中输入以下命令

bash 复制代码

git clone https://github.com/emscripten-core/emsdk.git
cd emsdk
git pull
./emsdk install latest
./emsdk activate latest

配置环境变量

bash 复制代码

source ./emsdk_env.sh

安装完成后的目录

安装结束后进行版本校验，查看版本信息

emcc -v

Hello, Emscripten

接下来我们开始Emscripten开始之旅，新建一个hello.cpp文件，代码如下：

c 复制代码

// hello.cpp

#include <iostream>

using namespace std;

int main() {
    cout << "Hello, World!" << endl;
    return 0;
}

切换到当前工程目录，在控制台使用emcc命令生成wasm文件，通过-o选项指定输出文件：

emcc hello.cpp -o hello.js

编译完成后在目录中会生成hello.js文件和hello.wasm文件。被编译成WebAssembly后的C/C++代码是不能直接运行的，需要通过浏览器加载运行。在同一个目录，我们继续新建一个hello.html文件，并引入hello.js文件：

xml 复制代码

// hello.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Document</title>
</head>
<body>
    <script src="hello.js"></script>
</body>
</html>

在浏览器中打开hello.html文件，在开发者面板中的Console中能够看到hello.cpp的输出内容。

WebAssembly是一种跨平台的字节码，不仅可以在浏览器中运行，也可以在node环境中运行：

WebAssembly和JavaScript交互

如果要实现一个实用功能的WebAssembly模块，必然需要提供能够和外部交互的函数接口。包括JavaScript调用C/C++函数功能，C/C++函数调用JavaScript方法，以及C/C++函数和JavaScript交换数据等需求。

Emscripten编译生成的js文件是一种胶水代码，用来加载WebAssembly模块和导出相关函数。生成的js代码中有一个全局对象Module，该全局对象是Emscripten的核心，负责WebAssembly模块的载入、创建初始化等，以及对C/C++函数进行封装等功能。在之前hello.js中有对hello.cpp中的main函数的封装代码如下：

Emscripten会对封装导出的函数前面加上下划线，main()函数会被封装成_main()。我们可以在浏览器控制台中直接使用_main()函数。

JavaScript调用C/C++函数

接下来我们新建一个export.cpp文件，代码如下：

arduino 复制代码

// export.cpp

#ifndef EM_PORT_API
#    if defined(__EMSCRIPTEN__)
#        include <emscripten.h>
#        if defined(__cplusplus)
#            define EM_PORT_API(rettype) extern "C" rettype EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
#        else
#           define EM_PORT_API(rettype) rettype EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
#        endif
#    else
#        if defined(__cplusplus)
#            define EM_PORT_API(rettype) extern "C" rettype
#        else
#           define EM_PORT_API(rettype) rettype
#        endif
#    endif
#endif

EM_PORT_API(int) add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

我们定义了一个EM_PORT_API的宏定义，用来统一C和C++环境，方便用来导出函数。其中__EMSCRIPTEN__是用来识别Emscripten环境，__cplusplus是用来判断C++代码，EMSCRIPTEN_KEEPALIVE是Emscripten的宏定义，用来优化编译的。

切换到工程目录，在控制台使用emcc命令生成wasm文件：

arduino 复制代码

emcc export.cpp -o export.js

目录中生成文件：export.js和export.wasm。继续在浏览器中测试我们的代码，新建一个export.html文件，代码如下：

xml 复制代码

// export.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Document</title>
</head>
<body>
    <script async src="export.js"></script>
    <script>
        Module = {}
        Module.onRuntimeInitialized = function() {
            console.log(Module._add(123, 456))
        }
    </script>
</body>
</html>

WebAssembly实例是通过方法createWasm()异步创建的，有可能js文件加载后，Emscripten运行环境没有准备好，我们需要通过建立一种Emscripten运行时准备就绪的机制。一种简单的方法就是使用onRuntimeInitialized 回调方法，在这个回调方法中运行WebAssembly Module导出的方法。

通过运行浏览器，我们可以在控制台查看JavaScript调用C++代码的结果：

C/C++函数调用JavaScript方法

反过来，我们也可以在C/C++函数调用JavaScript方法。首先需要创建一个call_js.cpp文件，代码如下：

arduino 复制代码

// call_js.cpp

#ifndef EM_PORT_API
#    if defined(__EMSCRIPTEN__)
#        include <emscripten.h>
#        if defined(__cplusplus)
#            define EM_PORT_API(rettype) extern "C" rettype EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
#        else
#           define EM_PORT_API(rettype) rettype EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
#        endif
#    else
#        if defined(__cplusplus)
#            define EM_PORT_API(rettype) extern "C" rettype
#        else
#           define EM_PORT_API(rettype) rettype
#        endif
#    endif
#endif

// declare the function in the cpp file
// function definition in js file
EM_PORT_API(int) js_add(int a, int b);
EM_PORT_API(void) js_console_log(int a);

// define the function in the cpp file
EM_PORT_API(void) call_js_func() {
    int ret = js_add(11, 22);
    js_console_log(ret);
}

我们在call_js.cpp文件中声明了js_add和js_console_log两个函数，这两个函数/方法的具体实现是在js文件中。接着新建一个mylibrary.js文件，代码如下：

javascript 复制代码

// mylibrary.js

mergeInto(LibraryManager.library, {
    js_add: function (a, b) {
        console.log("js_add");
        return a + b;
    },
    js_console_log: function(a) {
        console.log("js_console_log: ", a);
    }
})

按照在C++文件中声明的方法签名，在js文件中实现了js_add和js_console_log的方法功能，并合并注入到LibraryManager.library中。LibraryManager.library对象可以简单理解为是JavaScript注入到C/C++中的运行时库。

在控制台使用emcc命令生成wasm文件，需要使用--js-library链接外部的js文件：

css 复制代码

emcc call_js.cpp --js-library mylibrary.js -o call_js.js

继续新建一个call_js.html文件用来测试代码，在浏览器查看我们的运行结果。

xml 复制代码

// call_js.html

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=edge">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Document</title>
</head>
<body>
    <script async src="./call_js.js"></script>
    <script>
        Module = {}
        Module.onRuntimeInitialized = function() {
            Module._call_js_func();
        }
    </script>
</body>
</html>

浏览器的运行结果如下：

总结

我们简单的展示了C/C++和JavaScript函数之间通过WebAssembly的相互调用，在这里并没有涉及到复杂的数据交换和相关的内存模型操作。WebAssembly是一个强大的Web应用技术，可以为Web应用程序提供更好的性能和更多强大的功能。Emscripten是一个用来开发WebAssembly应用的强大工具集。通过不断的学习WebAssembly开发技术，可以帮助开发人员在Web平台上构建更快、更安全、更可移植的应用程序。