webAssembly学习及使用rust

学习理解 webAssembly 概念知识，使用 API 进行 web 前端开发。

概念

是一种运行在现代网络浏览器中的新型代码，并且提供新的性能特性和效果。它有一种紧凑的二进制格式，使其能够以接近原生性能的速度运行。C/C++、 C#、Rust等语言可以编译为 webAssembly 执行。

快速、高效、可移植。不同平台中能够接近本地速度运行。
可读、可调式。是一门低阶语言。
保持安全。被限制运行在一个沙箱中，遵循浏览器的同源策略和授权策略。
不破坏网络。向后兼容

以前无法以此方式运行的客户端软件都将可以运行在 Web 中。

WebAssembly 是一门不同于 JavaScript 的语言，它不是用来取代 JavaScript 的。相反，可以和 JavaScript 一起协同工作，从而使得网络开发者能够利用两种语言的优势

关键概念

模块（module） - 表示一个已经被浏览器编译为可执行机器码的 WebAssembly 二进制代码
内存（memory） - ArrayBuffer，大小可变。
表格（table） - 带类型数组，大小可变
实例（instance） - 一个模块及其在运行时使用的所有状态，包括内存、表格和一系列导入值

js 可以控制 WebAssembly 代码如何下载、编译运行。所以前端可以将 WebAssembly 作为一种高性能函数进行调用。

编写代码并应用

构建完整基于 rust 的 web 应用，比如使用yew。
构建部分应用功能，比如提供一些方法，用于复杂的计算。

使用`wasm-pack`生成 webAssembly 代码

rust 环境参考另一篇文章rust 基础知识

wasm-pack可以构建生成与 js、浏览器、node 进行互操作的代码。可以将这些功能包发布到 npm 上。

安装,等待安装完成，可以通过wasm-pack -V查看版本，是否安装成功

wasm-pack

sh 复制代码

$> cargo install wasm-pack

创建一个 rust 项目js-utils,初始化为一个 lib 库cargo init --lib

配置Cargo.toml,添加wasm-binggen作为依赖,它是 wasm 与 js 之间交互的工具；添加crate-type设置为cdylib,指定该库是一个 C 兼容的动态库，这是针对 rust 编译时设置的一个标志。

添加依赖可以使用命令cargo add,在package字段中添加一些仓库、个人信息，比如authors/description/license/repository,在打包编译时，会被添加到package.json文件中

toml 复制代码

[package]
name = "js-utils"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[lib]
crate-type = ['cdylib']

[dependencies]
wasm-bindgen = "0.2.92"

开始写一些 rust 代码，在/src/lib.rs:

use wasm_bindgen::prelude::*; 导入所有wasm_bindgen的核心功能。以便后续直接调用 #[wasm_bindgen]表明了下面的代码可以在 js 和 rust 中访问。
extern 将 js 函数导入 rust 中以供调用。代码中将alert函数声明后，在 rust 代码方法greet进行调用

rs 复制代码

use wasm_bindgen::prelude::*;

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

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

为了方便测试，我们直接将这个发布为一个 npm 包

首先打包,--scope定义包命名空间

sh 复制代码

$> wasm-pack build --scope hboot

通过wasm-pack login登录你的 npm 账号，登录完成后，进入打包的目录下/pkg下进行发布

sh 复制代码

$> npm publish --access=public

发布完成后，就可以找一个前端项目测试安装发布的包。

sh 复制代码

$> npm i @hboot/js-utils

引入，调用greet函数，并传入自己的名称,启动服务，可以看到浏览器的弹窗。

在这我是采用本地软连接的方式导入到依赖中。

js 复制代码

import * as jsUtils from "js-utils";

jsUtils.greet("hboot");

官方提供了一个前端项目模板wasm-app模板，可以通过 npm 创建项目。

sh 复制代码

$> npm init wasm-app rust-lib-web

官方提供了一个基于 webpack 的混合应用程序模板rust-webpack，可以编写 rust 代码，实时测试效果

sh 复制代码

$> npm init rust-webpack rust-webpack-web

这个混合应用是通过配置@wasm-tool/wasm-pack-plugin插件，在运行时编译 rust 代码，加载编译包呈现在页面。

具体的代码可以查看仓库rust-web-lib; 😀😀😀

初次编译时间都非常久，下一次编译时就会快很多。

配置`wasm-bindgen-test` 进行单元测试

每次发布的包都是需要测试的，测试完成后才能进行发布。使用wasm-bindgen-test用于测试 wasm-pack 编译为 wasm 的 rust 程序。

添加依赖

sh 复制代码

$> cargo add wasm-bindgen-test

编写测试,创建目录tests/web.rs来存储一些测试案例。

在无头浏览器中测试，增加代码,通过执行wasm-pack test --firefox发起测试

rs 复制代码

use wasm_bindgen_test::*;

wasm_bindgen_test_configure!(run_in_browser);

wasm-pack test --chrome执行测试提示chromedriver binaries are unavailable for this target估计是版本太新不匹配。

使用了 firefox 执行测试，运行成功，此时我们没有写任何的测试用例，会提示`no tests to run!。

和 rust 一样的测试书写方式,可以查看文章怎么写测试用例rust 自动化测试 ,区别就是把#[test]改为#[wasm_bindgen_test]

rs 复制代码

use js_utils;
use wasm_bindgen_test::*;

#[wasm_bindgen_test]
fn alert_name() {
    js_utils::greet("hboot");
    js_utils::hello();
}

wasm_bindgen_test_configure!(run_in_browser);

这里我们引入了当前项目作为依赖模块进行使用use js_utils,这里要注意的是 rust-wasm 和普通的 rust crate 不一样，我们需要指定crate-type = ["rlib"]才可以确保我们的库进行单元测试。

修改Cargo.toml:

toml 复制代码

[lib]
crate-type = ['cdylib', 'rlib']

好了，可以执行测试了wasm-pack test --firefox,看到如下输出：

我们运行在浏览器中，测试启动一个服务将我们的代码运行在浏览器中，打开服务http://127.0.0.1:8000可以看到页面弹出的 alert

关闭弹窗，可以看到测试用例的运行情况：

默认情况下的wasm-pack test是在 node 环境下运行测试。

`console_error_panic_hook`将错误打印输出在浏览器中

在 rust 中代码出现逻辑错误，会panic!输出在控制台中，那我们调试前端 web 程序，肯定希望错误展现在浏览器中，方便查看。

安装依赖:

rs 复制代码

$> cargo add console_error_panic_hook

可以先看一下再没有使用console_error_panic_hook时，我们panic!信息，打包加载到我们测试项目中

再配置使用console_error_panic_hook,有两种方式使用，我们使用第一种，可以去查看依赖文档了解。

rs 复制代码

use std::panic;

#[wasm_bindgen]
pub fn greet(name: &str) {
    panic::set_hook(Box::new(console_error_panic_hook::hook));

    // ...

    panic!("测试错误信息！");
}

在函数最顶部调用一次panic hook,再次打包测试。可以看到效果,这极大的方便了开发测试，定位问题。

所有辅助的包都会有一个问题，就是会占用空间。所以在开发测试时需要加上，而正式发布包时则不需要。那就需要一个配置

toml 复制代码

[dependencies]
 - console_error_panic_hook = "0.1.7"
 + console_error_panic_hook = { version = "0.1.7", optional = true }

首先通过optional指定了这个依赖是可选的。然后通过命令参数--features指定启用哪些包，也可以配置包启用哪些特性。

当然，也可以使用Cargo.toml配置字段features来指定默认开启哪些依赖、特性。

toml 复制代码

[features]
default = []

此时，代码里就可以开启条件编译,通过#[cfg(feature = "console_error_panic_hook")]来标识

rs 复制代码

use std::panic;

#[wasm_bindgen]
pub fn greet(name: &str) {
    #[cfg(feature = "console_error_panic_hook")]
    panic::set_hook(Box::new(console_error_panic_hook::hook));

    // ...

    panic!("测试错误信息！");
}

再次打包则需要通过--features来指定开启哪些。

--all-features - 全部开启；
--no-default-features - 不开启，默认不设置时则不开启。

可以在此打包测试下wasm-pack build，可以看到控制台已经没有具体的错误信息所在的文件、行数、调用栈。我们再次加上参数wasm-pack build --features 'console_error_panic_hook'

打包测试，可以看到有具体的错误信息了。

`wee_alloc` 内存分配器

针对 wasm 内存分配，它可以生成更小的.wasm代码体积。适用于那些需要少量初始化动态大小的内存分配。它没有全局的默认分配性能好，但是代码占用空间小。

安装依赖：

sh 复制代码

$> cargo add wee_alloc

需要在全局引用,代替默认的内存的分配器：

rs 复制代码

extern crate wee_alloc;

// Use `wee_alloc` as the global allocator.
#[global_allocator]
static ALLOC: wee_alloc::WeeAlloc = wee_alloc::WeeAlloc::INIT;

配置前的打包体积大概是54kb,配置后整个包的体积为45kb。我们测试包仅仅只有一个文件，看起来差别不大，还是可以看出一点。

它也可以作为可选依赖，配置后可手动指定开启。

在需要性能优先的代码库中，则不推荐使用。

认识`WebAssembly`

在上面重点介绍了 rust 如何编译成 wasm，并引入使用。这边也要了解 WebAssembly 真正的是什么。

可以看到我们之前的测试库打包后生成了.wasm文件，我们直接点击打开是不行的，提示此文件是二进制文件或使用了不受支持的文本编码，所以无法在文本编辑器中显示。

通过 vscode 的插件WebAssembly 可以查看内部的wasm内容。在插件市场查找并安装

完全看不懂 🫠 先来一个简单的示例测试测试。可以使用后缀为.wat格式的文件书写wasm代码

wat 复制代码

(module
  (func (export "add") (param $p1 i32)(param $p2 i32) (result i32)
    local.get $p1
    local.get $p2
    i32.add))

上面的代码就是一个简单的add两数之和。

func定义函数，
(export "add") 定义这个函数被导出，可以在 js 中调用。
params定义参数， $p1定义参数的别名，在下面需要读取。
result定义返回结果。
local.get 读取参数。没有别名时，指定参数下标local.get 0标识读取第一个参数。
i32.add 以上参数之和并返回。

利用插件将.wat转换为.wasm存储，准备引入使用。

在index.html利用 fetch 加载 wasm 文件

js 复制代码

fetch("./index.wasm")
  .then((res) => res.arrayBuffer())
  .then((bytes) => WebAssembly.instantiate(bytes))
  .then((res) => {
    console.log(res);
  });

查看最后的处理完的值，可看到res对象中存在instance对象包含了add方法

这样我们就可以直接调用add方法了。

js 复制代码

// ...
let num = res.instance.exports.add(35, 55);
alert(num);

可以看到执行效果了。这是一个简单的webAssembly示例，语法分析。

通过冒泡排序验证性能

要有强有力的验证说明，才能看到实际会提升多大的效果。rust 和 js 都使用自定义的冒泡排序算法，来执行上万条数据的排序，看看执行时间做一个对比。

数据量少时，由于需要加载 wasm 所需的时间也会影响计算时间。在随着数据量变大，差距越来越大。

通过语言自带的排序算法可能由于内部各自实现的差异，执行效率受到其实现的影响。所以我们就自定义冒泡排序来测试

rs 复制代码

#[wasm_bindgen]
pub fn bublle_srot(arr: &mut [i32]) {
  let len = arr.len();
  for i in 0..len {
      for j in i+1..len {
          if arr[i] > arr[j] {
              arr.swap(i, j)
          }
      }
  }
}

在 js 中实现同样逻辑的算法，先用了一万条数据测试 js 比 wasm 快 4ms；数据增加大三万条时，js 明显就慢了，时间比 wasm 多了 100ms

数据增大到五万条时，js 执行时间已经 wasm 慢了好几倍不止。

浏览器对数据排序应该是做了什么优化，第一次执行时间多出 wasm 好几倍；再次执行则多出几百毫秒。

通过 wasm 的加持，浏览器可以在更多领域施展拳脚。包括游戏、数据可视化、机器学习模型等。

webAssembly学习及使用rust

概念

关键概念

编写代码并应用

使用wasm-pack生成 webAssembly 代码

配置wasm-bindgen-test 进行单元测试

console_error_panic_hook将错误打印输出在浏览器中

wee_alloc 内存分配器

认识WebAssembly

通过冒泡排序验证性能

使用`wasm-pack`生成 webAssembly 代码

配置`wasm-bindgen-test` 进行单元测试

`console_error_panic_hook`将错误打印输出在浏览器中

`wee_alloc` 内存分配器

认识`WebAssembly`