多领域试水，WebAssembly 距离大规模应用还有多远？

2022 年 7 月 24 日 InfoQ

采访嘉宾 | 于航

编辑 | 闫园园

2021 年 6 月 21 日，Scott Logic 发布了 2021 年 WebAssembly （以下简称 Wasm）用户报告。报告中显示 69% 的受访者认为 Wasm 将对未来的 Web 开发产生非常大的影响，同时受访者还预计 Wasm 将会对不同应用领域产生重要影响。

不难看出，作为一项相对年轻的技术，Wasm 本身还是吸引了不少眼球。但另一方面，也有开发者注意到，虽然 Wasm 目前在多个领域都有相应的落地实践，但距离大规模应用还是有一定差距。甚至，还有部分开发者提出 “ Wasm 的声音在这两年渐渐弱了”，那么究竟这门技术的现状如何？今年 Wasm 2.0 草案的发布是否会对其发展有所推动？展望未来 Wasm 的前景又是怎样？带着这些问题，InfoQ 采访了 PayPal Staff Engineer 、《深入浅出 WebAssembly 》的作者于航。

快速发展中的 Wasm

在开始探讨 Wasm 现状之前，我们先来回顾下它的历史。

众所周知，当年 Brendan Eich 大神只用了 10 天时间便发明出了 JavaScript ，随后这门语言便一路蹿红，并且一直到现在 JavaScript 仍是互联网技术领域里最流行的编程语言之一。不过，即便如此，这门语言还是存在其自身的短板，其中，变量的动态类型就经常被大家诟病，虽然这也是它简单易用的原因之一，但相较于静态类型语言而言，这一点确实会带来额外的运行时性能开销。

因此，为了提升 Web 应用的性能，Wasm 应运而生，2015 年 Mozilla 在 asm.js 的基础上发布了 Wasm。不过，Wasm 的出现绝不是要成为一门新的编程语言，正如其官方定义提到，WebAssembly（缩写为 Wasm）是一种基于堆栈式虚拟机的二进制指令集。Wasm 被设计成为一种编程语言的可移植编译目标，并且可以通过将其部署在各类环境中（浏览器、k8s 等），以便为客户端及服务端应用程序提供服务。

新的指令格式：本质上是一种虚拟 ISA，它基于堆栈式虚拟机的执行方式设计。同样的一段指令可以在二进制与文本两种格式之间互相转换。其中，文本格式被存放在以 .wat 结尾的文件中，其内部以 “S- 表达式” 的形式组织各指令之间的具体执行顺序。二进制格式被存放在以 .wasm 结尾的文件中，该文件可以直接被浏览器、虚拟机等 Wasm 引擎解析和使用；
可移植编译目标：由于 Wasm 指令被设计为在虚拟机上执行，因此无论操作系统和其所在的具体硬件指令集架构如何，它都可以在各种设备上运行。并且，作为编译目标，人们通常首先使用高级静态语言来编写相应的功能逻辑，然后再经由 Emscripten 等编译器来将这些高级语言源代码编译为对应的 Wasm 指令代码。

以上就是 Wasm 的诞生以及它的定义，“当下 Wasm 仍然处在快速发展的过程当中，截至其目前发展历史来看，其中有两个年份是比较关键的”，于航总结道：

第一个关键年份是 2017 年。2017 年 2 月，四大浏览器（Firefox、Chrome、Edge 和 Webkit）在 Wasm MVP（最小可用版本）标准的设计上达成共识，“这是一个很好的现象，说明大家对 Wasm 这项技术的潜在价值是认可的”；2017 年 8 月，WebAssembly Working Group（以下简称 WWG）成立，Wasm 正式成为 W3C 众多技术标准中的一员；2017 年末，Mozilla 宣布四大浏览器（引擎）完全支持 Wasm MVP 版本的特性。可以看到，2017 年 Wasm 发展很快，“这时候，大家看到了一种趋势，就是 Wasm 可能会对目前的 Web 技术格局产生影响”。

第二个关键年份是 2019 年。2019 年 3 月，Docker 创始人 Solomon Hykes 在 Twitter 上说了一段话，大概意思为“如果 WASM 和 WASI 早在 2008 年就存在，那么我们就不需要创建 Docker”。此话一出，在社区产生了非常大的反响，“这一次，Wasm 的潜在价值从 Web 逐渐开始向 out-of-web 的其他领域，比如云原生、AI 以及区块链等领域开始传播”；2019 年 12 月，W3C 宣布 Wasm 成为第 4 种 Web 语言，同时 Wasm 1.0 标准正式落地；也是在这一年，由个人和公司组成的团体——字节码联盟（Bytecode Alliance）也宣告成立，联盟旨在通过协作的方式，来共同实现 Wasm 及 WASI 相关标准，并通过提出新标准的方式来共同打造 Wasm 在浏览器之外的未来。“我们常见的一些 Wasm 虚拟机，比如 Wasmtime、Lucet 等也都是由他们负责设计和研发的。”

总结来看，在这两个关键年份集中发生了一些意义重大的事情，对这门技术的发展起到了重要的推动作用。

到了 2020 年和 2021 年，Wasm 本身标准方面并没有出现比较大的动作，或许也是由于此，导致部分开发者认为“ Wasm 渐渐没了声音”。不过，据于航介绍，其实在 2020 年和 2021 年，Wasm 本身也是在不断完善和发展中的：

在 Wasm 1.0 标准基础上，各类围绕 Wasm 的基础工具不断涌现，浏览器和基础设施加快了 Wasm 标准的实现速度。“这里有个改变值得关注，开发者的聚焦点开始逐渐从标准本身移向了 Wasm 在工业界的实践和应用。”

另外，WWG 也在不断推进 Wasm 2.0 相关特性的设计和落地，在此过程中，官方研究人员开始更多地去思考这门技术和开发者之间的关系。例如，对于开发者来说，Wasm 最初的官方文档比较晦涩难读，意识到这个问题之后，WWG 进行了相关调整和优化。“可以看出，Wasm 官方也逐步开始从关注技术本身转而去关注它的推广和应用。”

最后到了今年，Wasm 2.0 草案正式发布，包括很多处于 Phase 3 的提案也正在被实现。总体而言，最近这几年并没有像前几年一样，有看似特别重要的节点，但就一门新技术来说，它自身的发展仍然是在持续有序地进行的。“各类浏览器厂商也正以超预期的速度去整合那些试验性的 Wasm 特性，从中大家也可以看到它们在这门技术上的赌注”。

Wasm 应用现状：多点试水

回顾这门技术的整体发展脉络，与 Java、C++ 等历经几十年磨砺的技术相比，Wasm 还是比较年轻的，不过，这门技术本身受关注度颇高，也从侧面反映出它还是具有潜力的。目前，也已在多个领域有相应的落地，本次采访中，于航按照类别为大家进行了盘点：

多媒体方面。由于在多媒体中包含的图像编解码等过程大都需要大量数学运算，因此像视频解码 ogv.js、Photon 引擎等开源库和应用都在其设计实现中使用了 Wasm 来加速 Web 上媒体资源软解码的速度：通过配合 Wasm 虚拟机本身的高性能，再结合多线程以及 SIMD 等技术，解码速度相较之前单纯使用 JavaScript 有着巨大的提升；除此之外，借助 Wasm 这样一种中间格式，以往用 C/C++ 编写的众多算法编解码库也都可以相对简单地被用在 Web 应用中。“多媒体可以说是目前凸显 Wasm 在 Web 平台上价值的最为重要的一类应用。”
编程语言方面。自 Wasm 出现后，诸多新兴编程语言在设计之初就将它作为编译目标，比如 Walt、Grain 等。
Web 框架领域方面。众多基于 Wasm 的试验性框架出现，比如可以使用 Rust 构建前端应用的框架 Yew 和 Seed；可以使用 Go 构建前端应用的框架 Vecty 等等。“虽然这些框架处在不断发展中，但受限于目前 Wasm 字节码中还无法直接操作 DOM 这一问题，所以，它们的可用性还有待观察。”于航补充道。
与仿真器相关的一系列应用方面，如 WasmBoy、Pinky 等等。这类应用主要依赖于 Wasm 的高性能，可以使得仿真器以较高的效率来在 Web 上模拟对应平台 ISA 指令的执行。

除了在浏览器内部的应用之外，Wasm 在浏览器之外的应用场景也很多：

云原生领域，有 Krustlet、Embly、Kubeless 等。其中，Krustlet 使得 Kubernetes 可以支持调度 Wasm 类型的 Kubelet；Embly 和 Kubeless 则是两个基于 Wasm 的 Serverless 框架。
游戏引擎领域，大家非常熟悉的 Unity 和 Unreal Engine 尝试用 Wasm 技术将大型 3D 游戏移植到 Web 端。同时，Ammo.js、Defold 等一些基于 Wasm 构建的新兴游戏开发引擎也陆续出现。

不仅在上述“热点”领域，Wasm 还在物联网、操作系统、AI、密码学等领域均有相应的落地实践，同时作为技术设施的编译器和虚拟机应用也比较常见。不过于航也表示，这些领域的实践更多是一种“有限”实践，换句话说，本质上还没有为该领域做出突出贡献。

所以，目前来看 Wasm 应用试水的领域还是很广泛的，但距离大规模的应用还有一定的距离，那么是否是这门技术本身存在一定的局限性呢？对此，于航认为眼下的应用现状与技术本身其实并无直接关系，具体原因还需要从不同角度来分析：

一方面，还是在于大部分互联网公司对于新技术的采用是非常谨慎的，并且通常情况下，不会轻易改变自己原有的技术栈。个中缘由不难理解，老的技术栈由于发展时间较长，遇到问题可以相对轻松地找到对应解决方案，“即使在技术性能上稍微有些损耗，但这些损耗往往可以通过简单地横向扩展就得以解决，简单来讲就是用钱就可以解决。”

同时，对于互联网公司来说，采用新技术则需要考虑多方面因素：第一，团队现有人员的技术栈是否可以以较低成本使用这个新技术；第二，新技术的采用对现有组织架构的影响；第三，采用新技术带来的价值是否能够抵消它带来的潜在风险等等。

在这种背景下，对大多数公司来说，现阶段对 Wasm 还是持有一个相对谨慎的态度，更多的先尝试将其用在相对较小、较初期的业务中。

解读 Wasm 2.0 草案

今年 4 月， Wasm 2.0 草案正式发布，虽然作为一个草案，它不一定会得到 W3C 及其成员的认可，甚至随时可能被其他文件更新、替换或弃用，但技术本身自带的热度还是使得这份草案关注度颇高。相比 Wasm 1.0，Wasm 2.0 草案中加入了很多值得关注的新特性，比如引用类型（Reference Types）、固定宽度的 SIMD（Fixed-width SIMD）、批量内存操作（Bulk Memory Operations）等等。这里，于航也为大家详细解读了 2.0 草案：

引用类型（Reference Types）增加了新的名为 externref 的类型，它可用于直接引用宿主环境中的值。并且，新增加的如 ref.func、table.set 等指令很大程度上增加了 Wasm VM 与宿主环境的互操作性，为后续的 Exception Handling 和 GC 提案做了铺垫。

固定宽度的 SIMD（Fixed-width SIMD）提案为 Wasm 提供了固定 128 位的 SIMD 支持。这使得在处理一些特殊场景时，Wasm 可以利用向量化的能力，在一个指令下完成多个结果的计算过程。
批量内存操作（Bulk Memory Operations）提案提供了用于优化 memcpy 与 memset 这两个常用的内存操作函数的指令，新增加的 memory.copy 指令可以更加高效地操作内存。

同时，本次草案中，大家还会关注到仍有一些在讨论中的提案，包括：分支提示（Branch Hinting）、尾部调用优化（Tail Call）、异常处理（Exception Handling）、线程功能（Threads）、宽松 SIMD（Relaxed SIMD）等等。于航提到，他对这些新提案还是相当期待的，因为这些特性可以继续优化 WebAssembly 在各个场景中的使用体验。展开来说：

分支提示（Branch Hinting）、线程功能（Threads）、宽松 SIMD（Relaxed SIMD）、尾部调用优化（Tail Call）都是为了提升 Wasm 字节码在特定情况下的执行性能，最终为了尽可能地让 Wasm 的执行效率能够最大化。
异常处理（Exception Handling）是为了解决支持异常处理的源语言在编译到 Wasm 时，对异常处理的兼容性问题。

“本次草案的发布，更多的是为下一步 GC 等复杂提案的实现打下坚实基础，”于航谈到，他认为就现阶段来看，2.0 草案的发布不会改变语言的写法，甚至对于对于上层用户来说，可能不会有太大感知，但是这次草案的最大意义正是为后续 Wasm 体验的改进做了很多铺垫，“大部分人可能会觉得这几个提案无关痛痒，但本质上它们是后续几个大提案实现的重要前提”。

Wasm 前景如何？

回到开头，在 2021 年 Wasm 用户报告中，不少开发者曾预计 Wasm 将会对 Web 开发以及不同应用领域产生重大影响。那么经过上述分析到底 Wasm 的前景如何呢？本次采访的最后，于航谈到判断 Wasm 的前景的话还需要大家持续关注以下两个方面：

第一，官方提案的进度。对于开发者来说，可以每周或者每个月去跟进 GitHub 上相关提案的推进进度，如果这些提案在不断推进，意味着对于这门技术是个很好的迹象，“至少能够说明 Working Group 作为一个核心的官方团队，是重视这个事情的。”

第二，基础设施厂商的实现进度。毕竟对于 Wasm 厂商和基础设施厂商来说，如果它们愿意花更多精力来实现 Working group 新的提案，前提一定是看好这门技术的，也能从侧面说明 Wasm 的发展前景。

“大家可能会担心，觉得现阶段看不到 Wasm 的更多落地，但我觉得落地还是要关注加入 WWG 的大公司的实践情况。”于航谈到，不过，也可以预见的是，随着这门技术标准和相关生态的逐渐完善，参与制定的互联网领头公司，比如 Google 等势必会率先在自己的业务场景中采用 Wasm 这门技术，届时，在这些巨头的影响下，没有直接参与标准制定的公司或者规模较小的公司也会逐渐将 Wasm 进行落地实践。

嘉宾介绍：

于航

PayPal Staff Engineer

曾先后在 Tapatalk、饿了么等国内外企业工作。目前在 PayPal 负责 “Compliance Insights” 相关的技术研发和管理工作。曾多次作为 QCon、GMTC、TLC 等技术大会的优秀讲师、优秀出品人。2018 年底出版名为《深入浅出 WebAssembly》的国内第一本 Wasm 技术书籍，随后陆续推出了《深入 C 语言与程序运行原理》等多个在线技术专栏。个人擅长的主要技术领域为：Web 前端基础架构、Wasm、C/C++ 系统软件设计与开发、X86-64 汇编等。同时也擅长演讲、跨团队协作及中小型技术团队管理。

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