Wasm Internals - Overview

Tue, 26 Aug 2025 12:29:03 +0800

Wasm 的历史发展

早期（Wasm MVP - 2017）

诞生背景： Wasm 的设计目标是为了替代 asm.js，提供更小、更快、更安全的 Web 二进制格式。
核心模块的初步定义： MVP（Minimum Viable Product）阶段定义了 Wasm Core Module 的基本结构：函数、内存、表、导入、导出、全局变量等。
主要用例： 游戏引擎、音视频编解码、计算密集型任务等。
限制：
- 没有模块化系统： 模块之间没有标准的链接机制，只能通过宿主环境（如 JavaScript）进行协调。
- 缺乏垃圾回收（GC）： 需要手动内存管理或使用语言自带的 GC 机制（如 Emscripten 的 mimalloc）。
- 没有线程： 无法直接利用多核 CPU。
- 没有宿主 API 标准化： 模块与宿主环境的交互方式高度依赖宿主（如浏览器），没有统一的接口定义。
- 没有组件模型： 模块重用和组合非常困难。

中期（MVP 之后 - 持续演进）

Wasm 社区和工作组认识到 MVP 的局限性，并开始着手扩展 Wasm 的能力，这直接影响了 Core Module 的能力：

多值（Multiple Returns & Parameters）： 允许函数返回多个值，接收多个参数，提高表达能力。
引用类型（Reference Types）： 引入了 externref 和 funcref，允许 Wasm 直接引用宿主对象和函数，而无需通过数字 ID 传递，为未来的 GC 和组件模型打下基础。
固定大小的 SIMD（Fixed-width SIMD）： 引入了新的指令集，允许在 Wasm 中进行向量化操作，进一步提升某些计算密集型任务的性能。
线程（Threads）： 引入了共享内存和原子操作，允许 Wasm 模块在多线程环境下运行，极大地提升了并行计算能力。
内存增长和限制（Memory Growth and Limits）： 提供了更灵活的内存管理机制。
Tail Calls（尾调用）： 优化了函数调用的性能。

近期和未来（Wasm Component Model）

这是 Wasm 发展中最重要的方向之一，旨在解决 Core Module 在模块化和互操作性方面的根本性问题：

Wasm Internals: Stack Machine

Wed, 20 Aug 2025 01:04:28 +0800

Wasm 中的“栈机”（Stack Machine），这正是其核心执行模型之一。Wasm 是一种基于栈的虚拟机，这意味着它的所有操作都通过从一个操作数栈中弹出值、执行操作并将结果压回栈中来完成。它没有传统的“寄存器”概念。

什么是栈机？

在计算机科学中，栈机是一种计算模型，其中指令操作数被隐含地从一个被称为“操作数栈”的内存区域中获取，并且结果被隐含地压回这个栈。这种模型与基于寄存器或基于累加器的模型形成对比。

Wasm 栈机的工作原理

Wasm 模块中的函数是由一系列指令组成的。这些指令会操作一个中央的操作数栈。

操作数栈（Operand Stack）：
- 这是 Wasm 执行函数时最核心的数据结构。
- 所有的操作数（如整数、浮点数）和操作结果都临时存储在这个栈上。
- 指令不会像在注册机中那样直接指定操作数的位置（如“将 R1 的值加到 R2”）。相反，它们会假定操作数已经在栈的顶部。
局部变量（Local Variables）：
- 除了操作数栈，每个函数调用还有一个独立的“局部变量”区域。
- 局部变量是命名的存储位置，可以在函数的整个执行过程中被访问和修改。
- 虽然局部变量不是栈的一部分，但有很多指令允许你将局部变量的值压入栈中，或者将栈顶部的值存储到局部变量中。
参数（Parameters）：
- 函数的参数在函数被调用时，会被初始化为局部变量的一部分（通常是前几个局部变量）。
- 它们也可以被认为是函数执行上下文的一部分。
指令的操作：
- 压栈（Push）：很多指令会将值压入栈中。例如：
  - i32.const 42：将整数常量 42 压入栈。
  - local.get <idx>：获取索引为 <idx> 的局部变量的值并压入栈。
- 弹栈（Pop）：大多数操作指令会从栈顶弹出所需数量的操作数。例如：
  - i32.add：弹出栈顶的两个 i32 整数，将它们相加，然后将结果压回栈。
  - if/else/loop 等控制流指令的条件值也会从栈中弹出。
- 复合操作：一些指令可能弹出一个值，执行一些副作用（如内存写入），而不压入任何新值。例如：
  - i32.store：弹出内存地址和要存储的值，将值写入内存。

栈机模型的优势与特点

紧凑性（Compactness）：
- 指令更短，因为它们不需要编码操作数的位置。例如，一个加法操作，在寄存器机中可能需要指定两个源寄存器和一个目标寄存器；在栈机中，它只是一个简单的 add 指令。
- 这有助于生成更小的二进制代码，对于 Web 环境中的快速下载和解析非常有利。
简化编译器后端（Simplified Compiler Backends）：
- IR（中间表示）到指令的映射通常更直接。许多高级语言的语义本身就可以很容易地映射到栈操作。
- 这使得将 C/C++/Rust 等语言编译到 Wasm 变得相对容易。
易于验证（Easy to Validate）：
- Wasm 在加载时会进行严格的类型检查和结构验证。栈机模型使得验证其类型安全变得相对容易。例如，当检查 i32.add 指令时，验证器只需确保栈顶有两个 i32 类型的值。
- 这对于沙盒环境中的安全性至关重要。
独立于目标架构（Architecture-Independent）：

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