前端高性能计算（2）：asm.js & webassembly

2012年，Mozilla的工程师Alon Zakai在研究LLVM编译器时突发奇想：能不能把C/C++编译成Javascript，并且尽量达到Native代码的速度呢？于是他开发了Emscripten编译器，用于将C/C++代码编译成Javascript的一个子集asm.js，性能差不多是原生代码的50%。大家可以看看这个PPT。

之后Google开发了Portable Native Client，也是一种能让浏览器运行C/C++代码的技术。 后来估计大家都觉得各搞各的不行啊，居然Google, Microsoft, Mozilla, Apple等几家大公司一起合作开发了一个面向Web的通用二进制和文本格式的项目，那就是WebAssembly，官网上的介绍是：

WebAssembly or wasm is a new portable, size- and load-time-efficient format suitable for compilation to the web.

WebAssembly is currently being designed as an open standard by a W3C Community Group that includes representatives from all major browsers.

所以，WebAssembly应该是一个前景很好的项目。我们可以看一下目前浏览器的支持情况：

安装Emscripten

访问https://kripken.github.io/emscripten-site/docs/getting_started/downloads.html

1. 下载对应平台版本的SDK

2. 通过emsdk获取最新版工具

# Fetch the latest registry of available tools.

./emsdk update

 

# Download and install the latest SDK tools.

./emsdk install latest

 

# Make the “latest” SDK “active” for the current user. (writes ~/.emscripten file)

./emsdk activate latest

 

# Activate PATH and other environment variables in the current terminal

source ./emsdk_env.sh

3. 将下列添加到环境变量PATH中

~/emsdk–portable

~/emsdk–portable/clang/fastcomp/build_incoming_64/bin

~/emsdk–portable/emscripten/incoming

4. 其他

我在执行的时候碰到报错说LLVM版本不对，后来参考文档配置了LLVM_ROOT变量就好了，如果你没有遇到问题，可以忽略。

LLVM_ROOT = os.path.expanduser(os.getenv(‘LLVM’, ‘/home/ubuntu/a-path/emscripten-fastcomp/build/bin’))

5. 验证是否安装好

执行emcc -v，如果安装好会出现如下信息：

emcc (Emscripten gcc/clang–like replacement + linker emulating GNU ld) 1.37.21

clang version 4.0.0 (https://github.com/kripken/emscripten-fastcomp-clang.git 974b55fd84ca447c4297fc3b00cefb6394571d18) (https://github.com/kripken/emscripten-fastcomp.git 9e4ee9a67c3b67239bd1438e31263e2e86653db5) (emscripten 1.37.21 : 1.37.21)

Target: x86_64–apple–darwin15.5.0

Thread model: posix

InstalledDir: /Users/magicly/emsdk–portable/clang/fastcomp/build_incoming_64/bin

INFO:root:(Emscripten: Running sanity checks)

Hello, WebAssembly!

创建一个文件hello.c：

#include <stdio.h>

int main() {

  printf(“Hello, WebAssembly!\n”);

  return 0;

}

编译C/C++代码：

emcc hello.c

上述命令会生成一个a.out.js文件，我们可以直接用Node.js执行：

node a.out.js

输出

Hello, WebAssembly!

为了让代码运行在网页里面，执行下面命令会生成hello.html和hello.js两个文件，其中hello.js和a.out.js内容是完全一样的。

emcc hello.c -o hello.html<code>

 

➜  webasm–study md5 a.out.js

MD5 (a.out.js) = d7397f44f817526a4d0f94bc85e46429

➜  webasm–study md5 hello.js

MD5 (hello.js) = d7397f44f817526a4d0f94bc85e46429

然后在浏览器打开hello.html，可以看到页面

前面生成的代码都是asm.js，毕竟Emscripten是人家作者Alon Zakai最早用来生成asm.js的，默认输出asm.js也就不足为奇了。当然，可以通过option生成wasm，会生成三个文件：hello-wasm.html, hello-wasm.js, hello-wasm.wasm。

emcc hello.c -s WASM=1 -o hello-wasm.html

然后浏览器打开hello-wasm.html，发现报错TypeError: Failed to fetch。原因是wasm文件是通过XHR异步加载的，用file:////访问会报错，所以我们需要启一个服务器。

npm install –g serve

serve

然后访问http://localhost:5000/hello-wasm.html，就可以看到正常结果了。

调用C/C++函数

前面的Hello, WebAssembly!都是main函数直接打出来的，而我们使用WebAssembly的目的是为了高性能计算，做法多半是用C/C++实现某个函数进行耗时的计算，然后编译成wasm，暴露给js去调用。

在文件add.c中写如下代码：

#include <stdio.h>

int add(int a, int b) {

  return a + b;

}

 

int main() {

  printf(“a + b: %d”, add(1, 2));

  return 0;

}

有两种方法可以把add方法暴露出来给js调用。

通过命令行参数暴露API

emcc -s EXPORTED_FUNCTIONS=”[‘_add’]” add.c -o add.js

注意方法名add前必须加_。 然后我们可以在Node.js里面这样使用：

// file node-add.js

const add_module = require(‘./add.js’);

console.log(add_module.ccall(‘add’, ‘number’, [‘number’, ‘number’], [2, 3]));

执行node node-add.js会输出5。 如果需要在web页面使用的话，执行：

emcc -s EXPORTED_FUNCTIONS=”[‘_add’]” add.c -o add.html

然后在生成的add.html中加入如下代码：

<button onclick=“nativeAdd()”>click</button>

  <script type=‘text/javascript’>

    function nativeAdd() {

      const result = Module.ccall(‘add’, ‘number’, [‘number’, ‘number’], [2, 3]);

      alert(result);

    }

  </script>

然后点击button，就可以看到执行结果了。

Module.ccall会直接调用C/C++代码的方法，更通用的场景是我们获取到一个包装过的函数，可以在js里面反复调用，这需要用Module.cwrap，具体细节可以参看文档。

const cAdd = add_module.cwrap(‘add’, ‘number’, [‘number’, ‘number’]);

console.log(cAdd(2, 3));

console.log(cAdd(2, 4));

定义函数的时候添加EMSCRIPTEN_KEEPALIVE

添加文件add2.c。

#include <stdio.h>

#include <emscripten.h>

 

int EMSCRIPTEN_KEEPALIVE add(int a, int b) {

  return a + b;

}

 

int main() {

  printf(“a + b: %d”, add(1, 2));

  return 0;

}

执行命令：

emcc add2.c -o add2.html

同样在add2.html中添加代码：

<button onclick=“nativeAdd()”>click</button>

  <script type=‘text/javascript’>

    function nativeAdd() {

      const result = Module.ccall(‘add’, ‘number’, [‘number’, ‘number’], [2, 3]);

      alert(result);

    }

  </script>

但是，当你点击button的时候，报错：

Assertion failed: the runtime was exited (use NO_EXIT_RUNTIME to keep it alive after main() exits)

可以通过在main()中添加emscripten_exit_with_live_runtime()解决：

#include <stdio.h>

#include <emscripten.h>

 

int EMSCRIPTEN_KEEPALIVE add(int a, int b) {

  return a + b;

}

 

int main() {

  printf(“a + b: %d”, add(1, 2));

  emscripten_exit_with_live_runtime();

  return 0;

}

或者也可以直接在命令行中添加-s NO_EXIT_RUNTIME=1来解决，

emcc add2.c -o add2.js -s NO_EXIT_RUNTIME=1

不过会报一个警告：

exit(0) implicitly called by end of main(), but noExitRuntime, so not exiting the runtime (you can use emscripten_force_exit, if you want to force a true shutdown)exit(0) implicitly called by end of main(), but noExitRuntime, so not exiting the runtime (you can use emscripten_force_exit, if you want to force a true shutdown)

所以建议采用第一种方法。

上述生成的代码都是asm.js，只需要在编译参数中添加-s WASM=1中就可以生成wasm，然后使用方法都一样。

用asm.js和WebAssembly执行耗时计算

前面准备工作都做完了， 现在我们来试一下用C代码来优化前一篇中提过的问题。代码很简单：

// file sum.c

#include <stdio.h>

// #include <emscripten.h>

 

long sum(long start, long end) {

  long total = 0;

  for (long i = start; i <= end; i += 3) {

    total += i;

  }

  for (long i = start; i <= end; i += 3) {

    total -= i;

  }

  return total;

}

 

int main() {

  printf(“sum(0, 1000000000): %ld”, sum(0, 1000000000));

  // emscripten_exit_with_live_runtime();

  return 0;

}

注意用gcc编译的时候需要把跟emscriten相关的两行代码注释掉，否则编译不过。 我们先直接用gcc编译成native code看看代码运行多块呢？

➜  webasm–study gcc sum.c

➜  webasm–study time ./a.out

sum(0, 1000000000): 0./a.out  5.70s user 0.02s system 99% cpu 5.746 total

➜  webasm–study gcc –O1 sum.c

➜  webasm–study time ./a.out

sum(0, 1000000000): 0./a.out  0.00s user 0.00s system 64% cpu 0.003 total

➜  webasm–study gcc –O2 sum.c

➜  webasm–study time ./a.out

sum(0, 1000000000): 0./a.out  0.00s user 0.00s system 64% cpu 0.003 total

可以看到有没有优化差别还是很大的，优化过的代码执行时间是3ms!。really？仔细想想，我for循环了10亿次啊，每次for执行大概是两次加法，两次赋值，一次比较，而我总共做了两次for循环，也就是说至少是100亿次操作，而我的mac pro是2.5 GHz Intel Core i7，所以1s应该也就执行25亿次CPU指令操作吧，怎么可能逆天到这种程度，肯定是哪里错了。想起之前看到的一篇rust测试性能的文章，说rust直接在编译的时候算出了答案， 然后把结果直接写到了编译出来的代码里， 不知道gcc是不是也做了类似的事情。在知乎上GCC中-O1 -O2 -O3 优化的原理是什么？这篇文章里， 还真有loop-invariant code motion（LICM）针对for的优化，所以我把代码增加了一些if判断，希望能“糊弄”得了gcc的优化。

#include <stdio.h>

// #include <emscripten.h>

 

// long EMSCRIPTEN_KEEPALIVE sum(long start, long end) {

long sum(long start, long end) {

  long total = 0;

  for (long i = start; i <= end; i += 1) {

    if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {

      total += i;

    } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {

      total += i / 2;

    }

  }

  for (long i = start; i <= end; i += 1) {

    if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {

      total -= i;

    } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {

      total -= i / 2;

    }

  }

  return total;

}

 

int main() {

  printf(“sum(0, 1000000000): %ld”, sum(0, 100000000));

  // emscripten_exit_with_live_runtime();

  return 0;

}

执行结果大概要正常一些了。

➜  webasm–study gcc –O2 sum.c

➜  webasm–study time ./a.out

sum(0, 1000000000): 0./a.out  0.32s user 0.00s system 99% cpu 0.324 total

ok，我们来编译成asm.js了。

#include <stdio.h>

#include <emscripten.h>

 

long EMSCRIPTEN_KEEPALIVE sum(long start, long end) {

// long sum(long start, long end) {

  long total = 0;

  for (long i = start; i <= end; i += 1) {

    if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {

      total += i;

    } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {

      total += i / 2;

    }

  }

  for (long i = start; i <= end; i += 1) {

    if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {

      total -= i;

    } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {

      total -= i / 2;

    }

  }

  return total;

}

 

int main() {

  printf(“sum(0, 1000000000): %ld”, sum(0, 100000000));

  emscripten_exit_with_live_runtime();

  return 0;

}

执行

emcc sum.c -o sum.html

然后在sum.html中添加代码

<button onclick=“nativeSum()”>NativeSum</button>

  <button onclick=“jsSumCalc()”>JSSum</button>

  <script type=‘text/javascript’>

    function nativeSum() {

      t1 = Date.now();

      const result = Module.ccall(‘sum’, ‘number’, [‘number’, ‘number’], [0, 100000000]);

      t2 = Date.now();

      console.log(`result: ${result}, cost time: ${t2 – t1}`);

    }

  </script>

  <script type=‘text/javascript’>

    function jsSum(start, end) {

      let total = 0;

      for (let i = start; i <= end; i += 1) {

        if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {

          total += i;

        } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {

          total += i / 2;

        }

      }

      for (let i = start; i <= end; i += 1) {

        if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {

          total -= i;

        } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {

          total -= i / 2;

        }

      }

 

      return total;

    }

    function jsSumCalc() {

      const N = 100000000;// 总次数1亿

      t1 = Date.now();

      result = jsSum(0, N);

      t2 = Date.now();

      console.log(`result: ${result}, cost time: ${t2 – t1}`);

    }

  </script>

另外，我们修改成编译成WebAssembly看看效果呢？

emcc sum.c -o sum.js -s WASM=1

感觉Firefox有点不合理啊， 默认的JS太强了吧。然后觉得webassembly也没有特别强啊，突然发现emcc编译的时候没有指定优化选项-O2。再来一次：

emcc -O2 sum.c -o sum.js # for asm.js

emcc -O2 sum.c -o sum.js -s WASM=1 # for webassembly

居然没什么变化， 大失所望。号称asm.js可以达到native的50%速度么，这个倒是好像达到了。但是今年Compiling for the Web with WebAssembly (Google I/O ‘17)里说WebAssembly是1.2x slower than native code，感觉不对呢。asm.js还有一个好处是，它就是js，所以即使浏览器不支持，也能当成不同的js执行，只是没有加速效果。当然WebAssembly受到各大厂商一致推崇，作为一个新的标准，肯定前景会更好，期待会有更好的表现。

Rust

本来还想写Rust编译成WebAssembly的，不过感觉本文已经太长了， 后期再写如果结合Rust做WebAssembly吧。

着急的可以先看看这两篇

• Compiling to the web with Rust and emscripten（https://users.rust-lang.org/t/compiling-to-the-web-with-rust-and-emscripten/7627）
• Rust ⇋ JavaScript（https://www.slideshare.net/RReverser/rust-javascript）

Refers

• http://asmjs.org/
• http://webassembly.org/
• https://kripken.github.io/emscripten-site/index.html
• https://developer.mozilla.org/en-US/docs/WebAssembly
• http://www.codepool.biz/emscripten-compile-cc-javascript.html
• http://www.ruanyifeng.com/blog/2017/09/asmjs_emscripten.html
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/25865972