在知乎「如何看待 WebAssembly 技术」的问题里,可以看出大家普遍对浏览器、WASM 和 JS 之间的三角关系有不少误解。因此这里作为一个开 (bai) 发 (xue) 者 (jia),我就来尝试纠正些常见的问题吧。

全文观点摘要:WASM 运行时性能在原理上就是受限的,甚至 JS 都可以和编译到 WASM 的 Rust 一较高下。加上工具链的高度侵入性,它并不太适合作为前端背景同学 all in 的方向,但对于原生应用的跨平台分发则非常有潜力

WASM == 汇编级性能?

这显然不对,WASM 里的 Assembly 并不意味着真正的汇编码,而只是种新约定的字节码,也是需要解释器运行的。这种解释器肯定比 JS 解释器快得多,但自然也达不到真正的原生机器码水平。一个可供参考的数据指标,是 JS 上了 JIT 后整体性能大致是机器码 1/20 的水平,而 WASM 则可以跑到机器码 1/3 的量级(视场景不同很不好说,仅供参考)。相当于即便你写的是 C++ 和 Rust 级的语言,得到的其实也只是 Java 和 C# 级的性能。这也可以解释为什么 WASM 并不能在所有应用场景都显示出压倒性的性能优势:只要你懂得如何让 JS 引擎走在 Happy Path 上,那么在浏览器里,JS 就敢和 Rust 五五开

一个在 WASM 和 JS 之间做性能对比的经典案例,就是 Mozilla 开发者和 V8 开发者的白学现场。整个过程是这样的:

巧的是,这场论战正发生在两年前白色相簿的季节。双方就像雪菜和冬马那样展开了高水平的对决,名场面十分精彩。最终 Vyacheslav 给出了一张三轮过招后的性能对比图。可以看到虽然最终还是 Rust 更快,但 JS 被逼到极限后非但不是败犬,还胜出了一回合:

JS:先开始性能优化的是你吧!擅自跑到我无法触及的地方去的人是你吧!明明遥不可及,却又近在咫尺,先想出这种拷问方式的人是你吧!明明是这样,为什么还非得被你责备不可啊…?像那样…每天、每天,在我的眼前,跑得那么快…还说这全都是我的错…太残忍了啊…

另外,Milo Yip 大大做过的不同语言光线追踪性能测试(修罗场),也能侧面印证带 VM 语言与机器码之间的性能对比结论。C++、Java 和 JS 在未经特别优化的前提下,可以分别代表三个典型的性能档次:

C++/C#/F#/Java/JS/Lua/Python/Ruby 渲染比试

Ruby:为什么你们都这么熟练啊!

WASM 比 JS 快,所以计算密集型应用就该用它?

这有点偏颇,WASM 同样是 CPU 上的计算。对于可以高度并行化的任务,使用 WebGL 来做 GPU 加速往往更快。譬如我在 实用 WebGL 图像处理入门 这篇文章里介绍的图像处理算法,比起 JS 里 for 循环遍历 Canvas 像素就可以很轻松地快个几十倍。而这种套两层 for 循环的苦力活,用现在的 WASM 重写能快几倍就非常不错了。至于浏览器内 AI 计算的性能方面,社区的评测结论也是 WebGL 和 WebMetal 具备最高的性能水平,然后才是 WASM。参见这里:浏览器内的 AI 评测

不过,WebGL 的加速存在精度问题。例如前端图像缩放库 Pica,它的核心用的是 Lanczos 采样算法。我用 WebGL 着色器实现过这个算法,它并不复杂,早期的 Pica 也曾经加入过可选的 WebGL 优化,但现在却劈腿了 WASM。这一决策的理由在于,WASM 能保证相同参数下的计算结果和 JS 一致,但 WebGL 则不行。相关讨论参见这里:Issue #114 · nodeca/pica

所以对计算密集型任务,WASM 并不是前端唯一的救星,而是给大家多了一种在性能、开发成本和效果之间权衡的选择。在我个人印象里,前端在图形渲染外需要算力的场景说实话并不太多,像加密、压缩、挖矿这种,都难说是高频刚需。至于未来可能相当重要的 AI 应用,长期而言我还是看好 WebGPU 这种更能发挥出 GPU 潜力的下一代标准,当然 WASM 也已经是个不错的可选项了。

WebGL:是我,是我先,明明都是我先来的…3D 也好,图像处理也好,还是深度学习也好…

只要嵌入 WASM 函数到 JS 就能提高性能?

既然 WASM 很快,那么是不是我只要把 JS 里 const add (a, b) => a + b 这样的代码换成用 C 编译出来的 WASM,就可以有效地提高性能了呢?

这还真不一定,因为现代浏览器内的 JS 引擎都标配了一种东西,那就是 JIT。简单来说,上面这个 add 函数如果始终都在算整数加法,那么 JS 引擎就会自动编译出一份计算 int a + int b 的机器码来替代掉原始的 JS 函数,这样高频调用这个函数的性能就会得到极大的提升,这也就是 JIT 所谓 Just-in-time 编译的奥妙所在了。

所以,不要一觉得 JS 慢就想着手动靠 WASM 来嵌入 C,其实现代 JS 引擎可都是在不停地帮你「自动把 JS 转换成 C」的!如果你可以把一个 JS 函数改写成等价的 C,那么我猜如果把这个函数单独抽离出来,靠 JS 引擎的 JIT 都很可能达到相近的性能。这应该就是 V8 开发者敢用 JS 和 Rust 对线的底气所在吧。

像在 JS 和 WASM 之间的调用终于变快了 这篇文章中,Lin Clark 非常精彩地论述了整个优化过程,最终使得 JS 和 WASM 间的函数调用,比非内联的 JS 函数间调用要快。不过,至于和被 JIT 内联掉的 JS 函数调用相比起来如何,这篇文章就没有提及了。

这里偏个题,Mozilla 经常宣传自己实现的超大幅优化,有不少都可能来源于之前明显的设计问题(平心而论,我们自己何尝不是这样呢)。像去年 Firefox 70 在 Mac 上实现的 大幅省电优化,其根源是什么呢?粗略的理解是,以前的 Firefox 在 Mac 上竟然每帧都会全量更新窗口像素!当然,这些文章的干货都相当多,十分推荐大家打好基础后看看原文,至少是个更大的世界,也常常能对软件架构设计有所启发。

如果后续 WASM 支持了 GC,那么嵌入互调的情况很可能更复杂。例如我最近就尝试在 Flutter 的 Dart 和安卓的 Java 之间手动同步大对象,希望能「嵌入一些安卓平台能力到 Flutter 体系里」,然而这带来了许多冗长而低性能的胶水代码,需要通过异步的消息来做深拷贝,可控性很低。虽然 WASM 现在还没有 GC,但一旦加上,我有理由怀疑它和 JS 之间的对象生命周期管理也会遇到类似的问题。只是这个问题主要是让 Mozilla 和 Google 的人来操心,用不着我们管而已。

参数传递什么的,已经无所谓了。因为已经不再有函数,值得去调了。
传达不了的指针,已经不需要了。因为已经不再有对象,值得去爱了。

在 JS 里调 WASM,就像 Python 里调 C 那样简单?

这个问题只有实际做过才有发言权。譬如我最近尝试过的这些东西:

  • 在安卓的 Java class 里调用 C++
  • 在 Flutter 的 Dart 里调用 C
  • 在 QuickJS 这种嵌入式 JS 引擎里调用 C

它们都能做到一件事,那就是在引擎里新建原生对象,并将它以传引用的方式直接交给 C / C++ 函数调用,并用引擎的 GC 来管理对象的生命周期。这种方式一般称为 FFI(Foreign Function Interface 外部函数接口),可以把原生代码嵌入到语言 Runtime 中。但如果是两个不同的 Runtime,事情就没有这么简单了。例如 QuickJS 到 Java 的 binding 项目 Quack,就需要在 JS 的对象和 Java 对象中做 Marshalling(类似于 JSON 那样的序列化和反序列化)的过程,不能随便传引用。

对 WASM 来说是怎样的呢?基本上,WASM 的线性内存空间可以随便用 JS 读写,并没有深拷贝的困扰。不过,WASM 只有 int 和 float 之流的数据类型,连 string 都没有,因此对于稍复杂一点的对象,都很难手写出 JS 和 WASM 两边各自的结构。现在这件脏活是交由 wasm-bindgen 等轮子来做的。但毕竟这个过程并不是直接在 JS 的 Runtime 里嵌入 C / C++ 函数,和传统编译到机器码的 FFI 还是挺不一样的。

而至于不能在 WASM 的 Memory 对象里表达的 JS 对象,就会遇到一种双份快乐的问题了。例如现在如果需要频繁地用 WASM 操作 JS 对象,那么几乎必然是影响性能的。这方面典型的坑是基于 WASM 移植的 OpenGL 应用。像 C++ 中的一个 glTexImage2D 函数,目前编译到 WASM 后就需要先从 WASM 走到 JS 胶水层,再在 JS 里调 gl.texImage2D 这样的 WebGL API,最后才能经由 C++ binding 调用到原生的图形 API。这样从一层胶水变成了两层,性能不要说比起原生 C++,能比得上直接写 JS 吗?

当然,Mozilla 也意识到了这个问题,因此他们在尝试如何更好地将 Web IDL(也就是浏览器原生 API 的 binding)开放给 WASM,并在这个过程中提出了 WASM Interface Types 概念:既然 WASM 已经是个字节码的中间层了,那么干脆给它约定个能一统所有编程语言运行时类型的 IR 规范吧!不过,这一规范还是希望主要靠协议化、结构化的深拷贝来解决问题,只有未来的 anyref 类型是可以传引用的。anyref 有些像 Unix 里的文件描述符,这里就不展开了。

所以,未来也许 WASM 里会有 DOM 的访问能力,但目前这毕竟还只是个饼。不要说像 WebGL 的某些扩展已经明确 不受 Web IDL 支持,就算距离把主流的 Web 标准都开放到 WASM 并普及到主流用户,在 2020 年这个时间节点看来还是挺遥远的。

浏览器:为什么会变成这样呢…第一次有了高性能的脚本语言,又兼容了高级的原生语言。两份快乐重叠在一起。而这两份快乐,又带来了更多的快乐。得到的,本该是像梦境一般的幸福时光…但是,为什么,会变成这样呢…

前端框架迟早会用 WASM 重写?

我觉得很难,或者说这件事的投入产出比 (ROI) 未必足够。因为对于主流的前端应用来说,它们都是 IO 密集而不是计算密集型的,这时 WASM 增加的算力很难成为瓶颈,反而会增加许多工程上的维护成本。

这方面的一个论据,是 Google 的 JIT-less V8 介绍。V8 在关闭 JIT 后峰值性能降低到了不到原先十分之一的级别(见 QuickJS Benchmark),却也几乎不影响刷 YouTube 这种轻度应用的性能表现, 在模拟重度 Web 应用负载的 Speedometer 标准下,其跑分也有原先的 60% 左右,只有在 Webpack 打包类型的任务上出现了数量级的差异。你觉得迁移到 WASM 后,峰值算力就算比现在再翻两倍,能在事件驱动、IO 密集的 GUI 场景中表现出颠覆性的突破吗?能说服框架作者们完全放弃现有的 JS 代码库,选用另一种语言来彻底重写框架吗?况且 WASM 从长期来看,可都要依赖不少体积足以影响首屏性能的 JS 胶水代码和 polyfill 呢。

用 WASM 重写主流 UI 框架,意味着前端需要重度依赖一门完全不同的语言技术栈。你说因为 JVM 比 V8 快,所以 Node 应用就应该用 Java 重写吗?我看前端圈里的政治正确明明是反过来的啊…

我即使是死了,钉在棺材里了,也要在墓里,用这腐朽的声带喊出:JS 牛逼!!!(被禁言)

WASM 属于前端生态?

这个我不太认可。要知道,一个 WASM 应用,其编译工具链和依赖库生态,基本完全不涉及 JS

2018 年我尝试编译过 ffmpeg 到 WASM,这整个过程几乎和 JS 没任何关系,重点都集中在搭建 Docker 编译环境和魔改 Makefile 上了。以我当时的水平,整个流程让我非常困惑。

后来我在折腾嵌入式 Linux 和安卓的过程中,顺带搞懂了工具链的概念。一个原生应用,需要编译、汇编和链接过程,才能变为一个可执行文件。比如我的开发机是 Mac,那么装在 macOS 上典型的几套工具链像这样:

  • 面向 macOS 的工具链,是编译到 macOS 二进制格式的 clang 那一套
  • 面向安卓的工具链,是编译到 ARM 二进制格式的 aarch64-linux-android-gcc 那一套(在 NDK 里翻翻就知道了)
  • 面向 PSP 的工具链,是编译到 MIPS 二进制格式的 mips-gcc 那一套(名字不一定对啊)
  • 面向 WASM 的工具链,是面向 WASM 字节码格式的 Emscripten 那一套

后面三者都是编译到其它的平台,因此叫做交叉编译

一套支持交叉编译的工具链,会附带上用于支持目标平台的一些库,例如 include 了 <GLES2/gl2.h> 之后,你调用到的 glTexImage2D API 就是动态库里提供的。有了动态库,这个 API 才能在 x86 / ARM / MIPS / WASM 等平台上一致地跑起来(就像安卓上的 .so 格式)。像 Emscripten 就提供了面向 WASM 平台,编译成 JS 格式的一套动态库。但它只能保证这些 API 能用,性能如何就另说了。它自己也对移植 WebGL 时的性瓶颈提出了很多的 优化建议

所以这里再重复一遍,编译 WASM 应用所需的依赖库和整套工具链,几乎都跟 JS 没什么关系。JS 就像机器码那样,只是人家工具链编译出来的输出格式而已。在 JS 开发者看来,这整套东西可能显得相当突兀。但从原生应用开发者的视角看来,这一切都再正常不过了。

来而不往非礼也。WASM 可以把其它语言引进来,JS 就不能往外走出去了吗?除了 Flutter 这种修正主义路线,像我详细介绍过的 Static TypeScript 和 QuickJS,就是信奉 JS 系的冬马党们搞的反向输出:

说了这么多,那么 WASM 的适用场景到底是什么呢?现在 WASM 社区大力推广的提案,如 WASI、多线程、GC 这些,其实都跟 JS 生态关系不大,而是方便把更复杂的原生应用直接搬进 Web 的技术需求。话都说到这份上了,大家还没看出来吗?这不就是典型雪菜式的明修栈道,暗度陈仓嘛(笑)

最后总结下,JS 和 WASM 的人设大概各自是这样的:

  • JS:我先来的,哪里有浏览器,哪里就是我的主场。虽然有人不喜欢我的脾气,但我到哪都是一头黑长直的字符串脚本。追我的引擎有的是,但我始终首先是浏览器的忠犬。
  • WASM:我是高岭之花,浏览器内外大家都欢迎我,而且谁都能编译到我,所以欢迎大家都来用我的二进制格式吧。我虽然很想和 JS 和浏览器三个人永远在一起,但最希望以后跨平台只要靠我的努力就可以永远幸福下去了

WASM:啊…如果 JS 是强类型的男孩子的话就好了。

你觉得明明先来的冬马 (JS) 和高岭之花的雪菜 (WASM) 哪个更对你胃口呢?提醒下某些整天喊着我全都要的白学家,双份快乐可不是一般人玩得起的噢。

一般来说整个白学家(程序员)群体里冬马党基数最大,但骨灰级玩家常常是雪菜党。至于我嘛…你看看我简介里的花名叫什么?

最后上一张合照,冬马和雪菜都是好样的!

后记

WASM 当然是个革命性的技术,代表了一种跨平台的全新方向,尤其对原生应用开发者来说具备巨大的商业价值。但它对前端来说其实就是个浏览器内置的字节码虚拟机,不是一切性能问题的灵丹妙药。目前网上不少对它的赞美,在我看来多少有些过誉了。所以建议大家不要盲目跟风,还是从白学,啊不计算机科学的基础出发,去判断一个技术的适用场景和价值在哪吧。

本文配图均来自纯 JS 实现的高性能前端应用 稿定 PS。白学部分纯属娱乐,请大家不要过分解读(如为什么 JS 的 Logo 是雪菜黄,而 WASM 的 Logo 反而是冬马紫之类)。我的水平有限,欢迎大家对本文技术观点更进一步的交流,也希望大家能关注我的「前端随想录」这个自由技术专栏~