Rust 编写 WASM 入门

xuejianxinokok2024-03-13 14:16

用 Rust 编写和编译 WASM

Hello world! 在今天的文章中，我们将讨论如何用 Rust 编写 WebAssembly 模块。 WebAssembly 是编程语言的可移植编译目标，能够方便地与 Web 上的 JavaScript 进行互操作。 Rust 能够利用这一点，使其对于许多场景都非常有用，例如：

  • CPU 密集型工作负载（加密）
  • GPU 密集型工作负载（图像/视频处理、图像识别）

本文将重点讨论编写可在后端使用的用于图像处理的 WASM 模块，以及探索编写和部署 WASM常见方法。

入门

首先，您需要安装 Rust。如果没有，您可以在here安装。

我们将重点尝试以三种不同的方式编写 WASM 模块：

  • 使用 wasm-bindgen CLI

  • 使用 wasm-pack

  • 使用 napi-rs

首先将使用 wasm-bindgen-cli 创建应用程序，然后查看使用 wasm-pack 。本文的重点是创建一个简单的图像处理模块。字节数组操作和数据处理是 Rust 可以显着加快应用程序速度的领域。

在开始之前，请确保已安装 wasm32-unknown-unknown target。如果没有，可以像这样添加：

bash 复制代码 
rustup target add wasm32-unknown-unknown

注意，为了尝试我们的模块，您还需要安装 npm （或其他替代方案）。

编写 WASM 模块

基础

为了设置项目，使用 cargo init --lib wasm-example 创建一个名为 wasm-example 的library项目。然后将使用以下代码安装依赖项：

bash 复制代码 
cargo add wasm-bindgen@0.2.91
cargo add js-sys@0.3.68
cargo add image@0.24.9

还想将动态库 flag 添加到 Cargo.toml 文件中。通常，它让 Cargo 知道我们想要创建一个动态系统库 - 但当它与 WebAssembly 目标一起使用时，它只是意味着"创建一个没有 start 函数的 *.wasm 文件" 。为此，可以在下面添加这个小片段：

toml 复制代码 
[lib]
crate-type = ["cdylib"]

Rust 中的 JavaScript 类型

为了能够在 Rust 中使用 JavaScript 类型，除了使用 wasm-bindgen 宏之外，还需要使用 extern C 。这允许直接从 JavaScript 导入函数到 Rust！

WASM 中的 Hello World 应用程序如下所示：

rust 复制代码 
use wasm_bindgen::prelude::*;

#[wasm_bindgen]
extern "C" {
    fn alert(s: &str);
}

#[wasm_bindgen]
pub fn greet(name: &str) {
    alert(&format!("Hello, {}!", name));
}

注意，extern C 中的 alert 函数直接来自 JavaScript，并且允许我们在 Rust 函数中调用它。如果我们要编译它并在 JavaScript 文件中执行它，则与从常规 JavaScript 调用 alert() 相同。

我们可以应用相同的逻辑来处理其他类型和函数 - 即buffers。 JavaScript 中的 Vec<u8> 可以用以下两种方式之一表示：

  • Uint8Array 类（ Vec<u8> 的直接 JavaScript 等价类型）
  • Buffer 类型

Buffer 是 Uint8Array 的子类。这是因为当 Node.js 首次发布时，还没有 Uint8Array 类型 - 这就是导致创建 Buffer 类型的原因。后来，当 ES6 引入 Uint8Arrays 时，两者最终被合并，因为这样做是有意义的。许多 JavaScript 库仍然使用 Buffer 。通过使用 js-sys ，我们可以获得 JavaScript 和 Rust 之间的互操作性 - 通过定义 Buffer 类型并提供带有 buffer() 方法的方法，我们可以在下面看到这一点：

rust 复制代码 
use js_sys::ArrayBuffer;
// This defines the Node.js Buffer type
#[wasm_bindgen]
extern "C" {
    pub type Buffer;

    #[wasm_bindgen(method, getter)]
    fn buffer(this: &Buffer) -> ArrayBuffer;

    #[wasm_bindgen(method, getter, js_name = byteOffset)]
    fn byte_offset(this: &Buffer) -> u32;

    #[wasm_bindgen(method, getter)]
    fn length(this: &Buffer) -> u32;
}

现在，当编写 WASM 函数时，可以直接引用 Buffer 类型！

下边开始编写 Rust 函数来转换图像文件格式。我们将使它需要我们的 Buffer ，然后让它返回 Vec<u8> - 通过 wasm-pack 或其他编译器编译它时，它会自动转换为 Uint8Array 。

rust 复制代码 
use js_sys::{ArrayBuffer, Uint8Array};
use wasm_bindgen::prelude::wasm_bindgen;
use image::ImageFormat;
use image::io::Reader;
use std::io::Cursor;

// .. extern C stuff goes here

#[wasm_bindgen]
pub fn convert_image(buffer: &Buffer) -> Vec<u8> {
    // This converts from a Node.js Buffer into a Vec<u8>
    let bytes: Vec<u8> = Uint8Array::new_with_byte_offset_and_length(
        &buffer.buffer(),
        buffer.byte_offset(),
        buffer.length()
    ).to_vec();

    let img2 = Reader::new(Cursor::new(bytes)).with_guessed_format().unwrap().decode().unwrap();

    let mut new_vec: Vec<u8> = Vec::new();
    img2.write_to(&mut Cursor::new(&mut new_vec), ImageFormat::Jpeg).unwrap();

    Ok(new_vec)
}

通过 wasm-bindgen-cli 构建

在这里，需要通过为 wasm32-unknown-unknown target 构建包来从 Rust 编译为 WASM，可以这样做：

bash 复制代码 
cargo build --target=wasm32-unknown-unknown

接下来，需要使用 wasm-bindgen 生成 JS 粘合代码以使其正常工作。将使用 nodejs 目标，它将生成 CommonJS 模块并将其放入 ./pkg 文件夹中，然后可以将其植入到想要的任何位置。

bash 复制代码 
wasm-bindgen --target nodejs --out-dir ./pkg \
./target/wasm32-unknown-unknown/release/wasm_example.wasm

现在可以将 WASM 代码作为包发布，或者将其植入到想要使用的任何地方！

不想使用 CommonJS！

如果您因为使用 ESM（EcmaScript 模块，或 ES6 模块）而不想使用 CommonJS，那也很easy！ CLI 当前允许多个target：

  • bundler （生成与 Webpack 等捆绑器一起使用的代码）

  • web （可直接在网络浏览器中加载）

  • nodejs （可通过 require 作为 CommonJS Node.js 模块加载）

  • deno （可用作 Deno 模块）

  • no-modules （与 web 目标类似，但不使用 ES 模块）。

有一些与 ES 一起使用的特定文档，您可以在here.查看。就使用的编译器而言，最简单的方法通常是使用 Webpack，因为它是最兼容的。 here还有一个额外的指南，您可以使用它在没有捆绑器的情况下编译为 ES6 模块 - 尽管它涉及在运行之前手动初始化 WASM 模块，这会增加一些开销。

测试驱动新模块

现在已经编写了代码，尝试一下！将使用 Express.js 启动 JavaScript 后端服务器。假设您在 Rust 项目所在的同一文件夹中运行以下命令（为了方便起见）。将从以下 shell 片段开始：

bash 复制代码 
npm init -y
npm i express express-fileupload

接下来，将在根目录中创建一个 server.js 文件并插入以下代码：

jsx 复制代码 
const fileUpload = require('express-fileupload');
const express = require('express');
const { convert_image } = require('./pkg/wasmmeme.js');

const app = express();
const port = 3030;

app.get('/', (req, res) => {
  res.send(`
    <h2>With <code>"express"</code> npm package</h2>    <form action="/api/upload" enctype="multipart/form-data" method="post">      <div>Text field title: <input type="text" name="title" /></div>      <div>File: <input type="file" name="file"/></div>      <input type="submit" value="Upload" />    </form>  `);
});

app.post('/api/upload', (req, res, next) => {
        const image = convertImage(req.files.file.data)

  res.setHeader('Content-disposition', 'attachment; filename="meme.jpeg"');
  res.setHeader('Content-type', 'image/jpg');
    res.send(image);
  });

app.listen(port, () => {
  console.log(`Example app listening on port ${port}`)
})

该代码执行以下操作：

  • 在端口3030设置了一个Express服务器

  • 在 / 处有一个路由，当我们在浏览器中访问它时，它会提供一个 HTML 表单

  • 有一个 API 路由，可以从文件上传中获取数据，将其转换为新格式，设置正确的标头并返回新图像。

如果使用 node server.js ，在浏览器中前往 [http://localhost:3030](http://localhost:3030) 然后填写表单并上传图像，应该会收到图像下载响应！

注意，根据用于图像文件格式转换的设置，文件大小可能会在转换后增加；这是因为可能正在使用无损转换。如果想使用有损转换来减小文件大小，则需要在 Rust 代码中实例化图像编码器时使用 new_with_quality 方法。

使用替代 CLI 构建应用程序

虽然 wasm-bindgen-cli 很有用，但它也是我们选项中最低级别的 CLI，在使用它时可能会遇到问题，例如 wasm-bindgen 版本不兼容问题。我们可以从一些额外的包受益，例如自动版本控制和 wasm-opt 使用。让我们快速浏览一下其他一些选项，看看它们如何比较。

Wasm-pack

wasm-pack 是一个旨在将 Rust 编译为 WASM 的一站式工具。它包含一个 CLI，您可以通过在here安装它来使用它。与使用 wasm-bindgen-cli 相比，它提升了很多便捷性：

  • 附带 wee_alloc ，一个具有（预压缩）1kB 代码占用空间的 WebAssembly 分配器。

  • 带有一个panic hook，允许您在浏览器中调试 Rust panic消息

在初始化项目时候，可以使用 wasm-pack new wasm-example ，它会为我们做一切事情。在代码方面，主要函数（和 C/JS 绑定）将保持不变，因为 wasm-pack 主要提供工具添加以使编译更容易，并且没有任何我们可以使用的库代码。

napi-rs

napi-rs 是一个用于在 Rust 中构建预编译 Node.js 插件的框架。如果您发现使用 wasm-bindgen 太复杂而不好使用，并且只想编写 Node.js 内容，那么这是一个不错的选择。要使用它，需要 Node v0.10.0 或更高版本。可以使用以下 shell 安装它（需要 npm 或其替代品）：

bash 复制代码 
npm install -g @napi-rs/cli

完成后，您可以使用 napi new wasm-example 构建新的 NAPI 项目！

napi-rs 确实带来了一些代码更改，可以在下面看到：最终可以摆脱 extern C 块，转而使用 napi 的 bindgen_prelude 包括需要的一切。

rust 复制代码 
use napi::bindgen_prelude::*;
use image::io::Reader;
use image::ImageFormat;
use image::ImageOutputFormat;
use std::io::Cursor

#[macro_use]
extern crate napi_derive;

#[napi]
pub fn convert_image(buffer: Buffer) -> Result<Buffer> {
    let bytes: Vec<u8> = buffer.into();

    let img2 = Reader::new(Cursor::new(bytes)).with_guessed_format().unwrap().decode().unwrap();

    let mut new_vec: Vec<u8> = Vec::new();
    img2.write_to(&mut Cursor::new(&mut new_vec), ImageFormat::Jpeg).unwrap();

    Ok(new_vec.into())
}

这样做的优点很明显：

  • 不需要使用 extern C 手动导入任何内容
  • 可以轻松地使用 Node.js 内部结构，没有任何麻烦

当然，尽管有很多优点， napi-rs 只与 Node.js 兼容。如果想为浏览器编写一些 WASM 代码，则需要默认为 wasm-pack 或 wasm-bindgen 。此外，还需要使用 Node 生态系统来保持 CLI 更新，从 Rust 优先的角度来看，这是一个有点奇怪的决定。但是， napi-rs 任然是开始使用 Rust 编写 Node.js 的一种非常简单的方法。

总结

谢谢阅读！ Rust 与 WASM 具有很好的互操作性，没有理由不利用这一点来帮助我们使用其他语言。

原文地址:Writing & Compiling WASM in Rust

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