webassembly 架构详解：模块、执行环境、堆栈机、内存与表格
本文是 WebAssembly 多部分系列文章的一部分，探索 WebAssembly 的核心架构组件。
我们已了解 WebAssembly 的基本概念，接下来深入探讨其底层架构。WebAssembly 主要包含以下关键组件：
- 模块
- 执行环境
- 堆栈机
- 线性内存
- 表格
WebAssembly 模块
WebAssembly 模块是编译后的代码单元，包含函数、内存、表格和其他运行代码所需的资源。每个模块独立存在，可单独实例化，通常以 .wasm 为扩展名。模块支持函数和内存的导入和导出，实现模块化编程并与其他网络技术无缝集成。
WebAssembly 执行环境
WebAssembly 依赖于沙箱执行环境，确保代码安全隔离地运行。此沙箱环境嵌入在主机环境中，例如浏览器或 Node.js。通过限制对主机系统的访问来保证安全，WebAssembly 环境默认处于封闭状态，需要明确请求才能访问特定资源。执行环境包含 WebAssembly 运行时，负责加载、验证模块、管理内存和执行指令。
堆栈机
WebAssembly 基于堆栈的虚拟机运行，所有指令均由该虚拟机执行。它使用堆栈数据结构管理执行过程中的数据和控制流。指令在执行期间压入和弹出堆栈。
例如，一个简单的加法函数：
(
func $add(param $a i32)(param $b i32)(result i32)
local.get $a
local.get $b
i32.add
)
堆栈机执行顺序如下：
- 初始堆栈为空。
- 将
$a的值压入堆栈。 - 将
$b的值压入堆栈。 - 弹出
$a和$b，执行 32 位整数加法。 - 将结果压入堆栈。
堆栈中剩余的值即为函数的返回值。
线性内存
WebAssembly 的线性内存模型是其互操作性的基石。它是一个连续的、可增长的字节数组，即 WebAssembly 程序的堆内存。使用字节偏移量进行索引，允许直接访问特定位置。
例如，存储两个 8 位数字（10 和 16）：
- 10 - 地址 0
- 16 - 地址 1
数据不一定连续，但可通过偏移量访问。 数据位取决于读取数据的视图类型。 使用一致的内存视图避免冲突。
在 JavaScript 中，通过 webassembly.memory 接口访问内存：
const memory = new webassembly.memory({
initial: 10,
maximum: 100,
});
(1 页内存 = 64KB)
可以使用 setValue(ptr, value, type) 和 getValue(ptr, type) 方法在 JavaScript 和 C 之间高效地进行内存交互。 务必在 C 代码中释放分配的内存以避免内存泄漏。
表格
WebAssembly 表格是独立的内存段（与线性内存分开），存储对 wasm 函数的引用，支持动态函数调用。通过表格索引间接调用函数，无需事先知道函数名，在运行时调用函数。
例如，游戏引擎加载用户自定义皮肤插件，无需预先了解插件所有函数，只需插件按照指定顺序将函数存储在 wasm 表格中，游戏引擎即可通过索引调用相应函数。
结论
本文概述了 WebAssembly 的核心组件。 更多细节请参考 Marco Selvatici 的 wasm 教程、MDN 的 WebAssembly 文档和 wasm 示例。 理解这些组件是构建实际 WebAssembly 项目的基础。
