译者 | 陈峻
审校 | 孙淑娟
二十多年来，有一种编程语言一直在Web浏览器中以原生的方式被使用至今。这便是JavaScript。期间，我们见证了诸如Java和Flash的ActionScript等第三方二进制插件，从兴起到逐渐消亡。而作为另一类Web语言的CoffeeScript，最终仍然会被编译成JavaScript。可见，只有JavaScript才是Web开发界的王者，并骨灰级地被沿用着。
不过，我们现在有了一种新的可选项：WebAssembly（简称为Wasm）。作为一种小型且快速的二进制格式编程语言，它可以为Web应用提供接近原生的性能。此外，WebAssembly旨在成为任何语言的编译目标，而JavaScript只是目标中的一种。也就是说，鉴于每一种主流浏览器都能支持WebAssembly，我们有必要开始认真地考虑，如何编写出各种可以被编译为WebAssembly的客户端应用。
值得注意的是，WebAssembly应用程序并不打算（至少目前并没有）取代JavaScript应用程序。相反，鉴于JavaScript具有灵活、动态类型、以及源代码可读等交付特性，WebAssembly旨在提供高速、强类型，以及紧凑二进制式的交付特性。因此，WebAssembly可以被视为JavaScript的辅助“伙伴”。
在实际中，开发人员可以考虑将WebAssembly运用到诸如：游戏、音乐流、视频编辑、以及CAD应用等性能敏感型的用例中。目前，许多Web服务已经开始采用WebAssembly了。例如，为了缩短加载的时间与执行的速度，谷歌地球和协作式绘图与图表应用Figma，都采用了较新的WebAssembly。
1.WebAssemzbly的工作原理
由W3C开发的WebAssembly，用其创建者的话来说是一个“编译的目标”。开发人员不必直接编写WebAssembly。他们可以选用自己熟悉的语言编写代码，然后编译成WebAssembly类型的字节码。字节码通常运行在客户端的Web浏览器中，并被翻译成可被高速执行的原生机器代码。
WebAssembly代码旨在实现比JavaScript更快的加载、解析和执行。当使用WebAssembly时，Web浏览器仍然存在下载Wasm模块，以及予以设置的开销。虽然对于较大的Wasm项目而言，此类模块会因为在运行过程中产生了几兆字节，而出现延迟。但是在其他同等条件的中小型项目中，WebAssembly会运行得更快一些。
同时，WebAssembly也提供了一个沙盒执行模型，该模型与JavaScript的现有安全模型非常相似。也就是说，Wasm应用程序无法直接访问到沙箱之外的任何内容，甚至是它们正在运行的网页上的DOM。因此，如果应用程序需要与系统中的其他部分进行交互，就必须使用类似WebAssembly系统接口（WASI，https://wasi.dev/）的各种ABI（应用程序二进制接口）。WASI为程序提供了常被用于文件、网络、系统时钟、以及其他系统服务的受控式访问。
目前，虽然在Web浏览器中运行WebAssembly，是其最常见的一种使用场景，但是WebAssembly远不仅仅是基于Web的解决方案。例如：Wasmer项目就可以在服务器端运行WebAssembly应用程序。这与Node.js运行时（runtime）在浏览器之外运行JavaScript的方式非常类似。
2.用例
WebAssembly的最基本用例就是被开发者用来编写浏览器内的软件。我们可以用各种语言来编写出可以被编译成WebAssembly的组件，然后通过JavaScript，将WebAssembly的最终、有效负载传递给客户端。
如前文所述，WebAssembly在设计时就考虑到了各种性能密集型、基于浏览器的用例。其中包括：游戏、音乐流、视频编辑、CAD、加密、以及图像识别等等。总的说来，WebAssembly用例通常适合如下三个领域：
- 已存在于目标语言中的高性能代码。例如，如果你有一个已用C语言编写的高效数学函数，并且需要将它合并到某个Web应用程序中，那么，你就可以将它部署为一个WebAssembly模块。同时，您可将该应用中，那些对于性能不太敏感的、面向用户的部分，保留为JavaScript。
- JavaScript代码不够理想，需要从头开始编写的高性能代码。过去，开发人员会使用asm.js（http://asmjs.org/）来改写此类代码。如今，您可以通过WebAssembly来实现该目的。
- 将桌面应用移植到Web环境中。虽然asm.js和WebAssembly都可以在技术上实现此类需求，但是WebAssembly可以提供比使用HTML呈现GUI更为基础的应用。对此，您可以查看WebDSP和浏览器中的Windows 2000这两个示例，来进一步了解其功效。
总之，WebAssembly开发往往能够达到比现有JavaScript应用程序更快的运行效果。
3.WebAssembly的语言支持
顾名思义，WebAssembly不可被直接编写，它更像是一种汇编语言，一种供机器使用、而非高级的、用户友好的编程语言。与C或Java相比，WebAssembly更接近由LLVM语言编译器的基础结构所生成的中间代码表示（intermediate representation，IR）。
通常，大多数使用WebAssembly的场景都会涉及到使用如下三种基本方式中的一种，把那些由高级语言编写的代码，转换为WebAssembly：
- 直接编译。通过本语言自带的编译器工具链，源代码可以被直接翻译成WebAssembly。例如：Rust、C/C++、Kotlin/Native、以及D都可以通过原生方式，从支持此类语言的编译器处，直接编译出Wasm。
- 第三方工具。Java、Lua和.Net等语言虽然并不提供原生的、支持Wasm的工具链，但它们可以使用第三方实用程序，将代码转换为Wasm。
- 基于WebAssembly的解释器。它并非是将现有语言的代码翻译成WebAssembly，而是用由WebAssembly编写的语言解释器，去运行代码。由于解释器本身就占有几兆字节的代码空间，因此，该方法较为臃肿。当然，它保留了那些原有语言编写的代码，在无需转换的情况下，被运行起来。例如，Python（往往是通过PyScript）和Ruby都拥有翻译成Wasm的解释器。
4.WebAssembly即将推出的功能
不可否认，WebAssembly仍处于早期阶段。其工具链和实现，更接近于概念性的验证（proof-of-concept）。目前，WebAssembly正努力通过如下方面的举措，让其更加实用：
垃圾回收的原语（Primitives）
WebAssembly目前并不直接支持那些使用垃圾回收内存模型（garbage-collected memory model）的语言。我们只能通过限制功能集，或将整个运行时（runtime）嵌入WebAssembly的可执行文件，以支持Lua或Python等语言。当然，WebAssembly正在紧锣密鼓地研发其支持垃圾回收内存模型的功能。
线程（Threading）
对线程的原生支持，在Rust和C++等语言中十分常见。而WebAssembly缺乏对于线程的支持，就意味着那些以WebAssembly为最终目标的应用代码的整个类，我们都不能使用Rust和C++等语言来编写。目前，已有人提出使用C++线程模型，向WebAssembly添加线程。
大容量内存操作和SIMD
大容量内存操作和SIMD（单指令与多数据，single instruction, multiple data）的并行性，对于需要处理大量数据、并需要通过原生CPU加速，来防止阻塞的应用程序（如机器学习或数据科学应用）而言，是必不可少的。目前，WebAssembly正努力添加此类功能。
高级语言结构
同时，WebAssembly正在对标高级语言结构，并不断完善如下功能：
- 异常（Exceptions）可以在WebAssembly中被模拟，但是不能通过WebAssembly的指令集被原生地实现。目前，WebAssembly正计划创建与C++异常模型相兼容的异常原语，以便被编译为WebAssembly的那些语言代码所使用。
- 参考类型（Reference types）可以轻松地向主机环境传递被用作参考的对象。它能够使得垃圾回收和其他高级功能，更容易地在WebAssembly中实现。
- 尾调用（Tail calls）是一种在多种语言中被用到的设计模式。
- 能返回多个值的函数，如Python或C#中的元组（tuples，或称数组）。
- 符号扩展运算符（Sign-extension operators），一种实用的低级数学运算。LLVM能够支持它。
调试和分析工具
如您所知，被转译的JavaScript存在着一个巨大问题：由于无法在转译代码和源代码之间建立关联，因此我们难以进行调试和分析。目前，WebAssembly正努力通过源地图支持的方式，来解决此类问题。
原文链接：https://dzone.com/articles/what-is-webassembly
译者介绍
陈峻 （Julian Chen），51CTO社区编辑，具有十多年的IT项目实施经验，善于对内外部资源与风险实施管控，专注传播网络与信息安全知识与经验；持续以博文、专题和译文等形式，分享前沿技术与新知；经常以线上、线下等方式，开展信息安全类培训与授课。
