AssemblyScript 如何帮助 WebAssembly 发挥潜力？

WebAssembly（或 Wasm）是 Web 浏览器中相对较新的功能，但它有潜力极大地扩展 Web 作为一个应用程序服务平台的能力。Web 开发人员在入门 WebAssembly 时可能会经历艰难的学习过程，而 AssemblyScript 就提供了一种解决办法。首先我们来看一下为什么 WebAssembly 是一项很有前途的技术，然后再介绍 AssemblyScript 是怎样帮助 WebAssembly 发挥潜力的。

WebAssembly

WebAssembly 是针对浏览器使用的底层语言，为开发人员提供了 JavaScript 之外的 Web 编译目标。它使网站代码可以在安全的沙盒环境中以接近原生的速度运行。

它是根据所有主流浏览器（Chrome、Firefox、Safari 和 Edge）代表的意见开发的，这些代表于 2017 年初达成了 设计共识 。所有这些浏览器现在都支持 WebAssembly，意味着整个市场中约 87％的浏览器可以使用它。

WebAssembly 以二进制格式交付，这意味着与 JavaScript 相比，WebAssembly 在大小和加载时间上均占优势。但它也有供人类阅读的文本 表示形式 。

当 WebAssembly 首次亮相时，一些开发人员认为它最后有可能取代 JavaScript，成为 Web 的主要语言。但最好将 WebAssembly 视为与现有 Web 平台集成良好的一项新工具，这也是其 高阶目标之一 。

WebAssembly 并没有取代现有的 JavaScript 用例，而是开拓了新的用户场景，吸引了更多人的兴趣。WebAssembly 尚不能直接访问 DOM，并且大多数现有网站都希望继续使用 JavaScript——毕竟经过多年的优化，JavaScript 已经相当快了。下面是 WebAssembly 自身提供的可行用例列表：

• 游戏
• 科学计算的可视化和模拟
• CAD 应用
• 图像 / 视频编辑

这些用例的共同属性是，我们通常会将它们视为桌面应用程序。WebAssembly 可以为 CPU 密集型任务提供接近原生平台的性能表现，这样人们就能将更多桌面型应用程序移植到 Web 端了。

现有网站也可以从 WebAssembly 中受益。 Figma 提供了一个现实应用的示例，它使用 WebAssembly 大大缩短了加载时间。如果网站使用的某些代码需要进行大量的计算，则可以只将这部分代码替换为 WebAssembly 以提高性能。

所以也许现在你就有兴趣开始使用 WebAssembly 了。你可以学习这种语言本身并直接 编写它 ，但实际上它打算成为其他语言的 编译目标 。它被设计为对 C 和 C++ 具有 良好的支持 ，Go 在 1.11 版中添加了对它的 实验性支持 ，Rust 也对其投入了 大量资源 。

但也许你并不想为了使用 WebAssembly 而学习或使用其中的任何一种语言。这就轮到 AssemblyScript 出场表现了。

AssemblyScript

AssemblyScript 是一个 TypeScript 到 WebAssembly 的编译器。由 Microsoft 开发的 TypeScript 为 JavaScript 添加了类型。它已经非常 流行 了，但就算用户不怎么熟悉 TS，AssemblyScript 也只支持 TypeScript 功能的一个有限子集，因此不需要花很长时间就能上手。

因为它与 JavaScript 非常相似，所以 AssemblyScript 使 Web 开发人员可以轻松地将 WebAssembly 整合到他们的网站中，而不必使用某种完全不同的语言。

尝试一下

下面我们试着编写第一个 AssemblyScript 模块（所有代码都在这个 GitHub 仓库中提供： https://github.com/dguo/assemblyscript-demo ）。为了支持 WebAssembly，我们需要的 Node.js 最低版本是 8.0 。

转到一个空目录，创建一个 package.json 文件，然后安装 AssemblyScript。请注意，我们需要直接从其 GitHub 仓库安装它。它尚未在 npm 上发布，因为 AssemblyScript 开发人员认为这个 编译器 尚未准备好应对一般用途。

 复制代码

mkdirassemblyscript-demo
cd assemblyscript-demo
npm init
npm install --save-dev github:AssemblyScript/assemblyscript

使用随附的 asinit 命令生成脚手架文件：

 复制代码

npx asinit .

我们的 package.json 现在应该包含以下脚本：

 复制代码

{
"scripts": {
"asbuild:untouched":"asc assembly/index.ts -b build/untouched.wasm -t build/untouched.wat --sourceMap --validate --debug",
"asbuild:optimized":"asc assembly/index.ts -b build/optimized.wasm -t build/optimized.wat --sourceMap --validate --optimize",
"asbuild":"npm run asbuild:untouched && npm run asbuild:optimized"
}
}

顶层 index.js 看起来像这样：

 复制代码

constfs =require("fs");
constcompiled =newWebAssembly.Module(fs.readFileSync(__dirname +"/build/optimized.wasm"));
constimports = {
env: {
abort(_msg, _file, line, column) {
console.error("abort called at index.ts:"+ line +":"+ column);
}
}
};
Object.defineProperty(module, "exports", {
get:()=>newWebAssembly.Instance(compiled, imports).exports
});

它使我们可以轻松地 require 我们的 WebAssembly 模块，就像 require 普通的 JavaScript 模块一样。其中，assembly 目录包含我们的 AssemblyScript 源代码。生成的示例是一个简单的加法函数。

 复制代码

exportfunctionadd(a: i32, b: i32): i32{
returna + b;
}

你可能以为函数签名会像 TypeScript 中的形式，也就是 add(a: number, b: number): number 这种格式；但这里之所以使用 i32，原因是 AssemblyScript 使用了 WebAssembly 的 特定整数和浮点类型 ，而不是 TypeScript 的 通用数字类型 。下面我们来构建示例。

 复制代码

npmrunasbuild

现在，build 目录应包含以下文件：

 复制代码

optimized.wasm
optimized.wasm.map
optimized.wat
untouched.wasm
untouched.wasm.map
untouched.wat

我们得到了构建的普通版本和优化版本。对于每个构建版本，我们都有了一个.wasm 二进制文件、一个 .wasm.map 源映射 ，以及该二进制文件的.wat 文本表示形式。文本表示形式是用来供人类阅读的，但在这个例子中我们无需阅读或理解它——使用 AssemblyScript 的其中一个目的，就是用不着使用原始的 WebAssembly 了。

启动 Node，并像其他模块一样使用我们的编译模块。

 复制代码

$ node
WelcometoNode.js v12.10.0.
Type".help"formore information.
> constadd= require('./index').add;
undefined
>add(3, 5)
8

从 Node 调用 WebAssembly 就只需要这些步骤！

添加监视脚本

在开发时，建议你在更改源代码时使用 onchange 自动重建模块，因为 AssemblyScript 尚不包含 监视模式 。

 复制代码

npm install --save-devonchange

将 asbuild:watch 脚本添加到 package.json。加入 -i 标志 ，可在运行命令后立即运行初始构建。

 复制代码

{
"scripts": {
"asbuild:untouched":"asc assembly/index.ts -b build/untouched.wasm -t build/untouched.wat --sourceMap --validate --debug",
"asbuild:optimized":"asc assembly/index.ts -b build/optimized.wasm -t build/optimized.wat --sourceMap --validate --optimize",
"asbuild":"npm run asbuild:untouched && npm run asbuild:optimized",
"asbuild:watch":"onchange -i 'assembly/**/*' -- npm run asbuild"
}
}

现在你可以运行 asbuild:watch，这样就用不着不断重新运行 asbuild 了。

性能

我们来写一个基本的基准测试，看看我们可以获得怎样的性能提升。WebAssembly 的专长是处理诸如数字计算之类的 CPU 密集型任务，所以我们这里使用一个函数来确定一个整数是否为质数。

我们的参考实现如下所示。这是一种原始的暴力解决方案，因为我们的目标是执行大量计算。

 复制代码

function isPrime(x) {
if(x<2) {
returnfalse;
}

for(let i =2; i <x; i++) {
if(x% i ===0) {
returnfalse;
}
}

returntrue;
}

等效的 AssemblyScript 版本仅需要一些类型注释：

 复制代码

functionisPrime(x: u32): bool{
if(x <2) {
returnfalse;
}

for(let i: u32 =2; i < x; i++) {
if(x % i ===0) {
returnfalse;
}
}

returntrue;
}

我们将使用 Benchmark.js（ https://benchmarkjs.com/ ）。

 复制代码

npminstall--save-devbenchmark

创建 benchmark.js ：

 复制代码

constBenchmark =require('benchmark');

constassemblyScriptIsPrime =require('./index').isPrime;

functionisPrime(x){
for(leti =2; i < x; i++) {
if(x % i ===0) {
returnfalse;
}
}

returntrue;
}

constsuite =newBenchmark.Suite;
conststartNumber =2;
conststopNumber =10000;

在我的机器上，运行 node benchmark 时得到了以下结果：

 复制代码

AssemblyScript isPrime x74.00ops/sec ±0.43% (76runs sampled)
JavaScript isPrime x61.56ops/sec ±0.30% (64runs sampled)
AssemblyScript isPrimeis~20.2% faster.

请注意，这个测试是一个 microbenchmark ，我们不应该太看重它的结果。

如果你想要参考一些更深度的 AssemblyScript 基准测试，我建议了解 WasmBoy 基准测试 和 wave equation 基准测试 。

加载模块

接下来我们在网站中使用我们的模块。创建 index.html：

 复制代码

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<metacharset="utf-8"/>
<title>AssemblyScript isPrime demo</title>
</head>
<body>
<formid="prime-checker">
<labelfor="number">Enter a number to check if it is prime:</label>
<inputname="number"type="number"/>
<buttontype="submit">Submit</button>
</form>

<pid="result"></p>

<scriptsrc="demo.js"></script>
</body>
</html>

创建 demo.js。要加载 WebAssembly 模块有 多种方法 ，但最有效的方法是使用 WebAssembly.instantiateStreaming 函数 ，以流方式编译和实例化这些模块。请注意，我们需要提供一个 中止函数 ，如果断言失败就会调用这个中止函数。

 复制代码

(async() => {
const importObject = {
env: {
abort(_msg, _file, line, column) {
console.error("abort called at index.ts:"+ line +":"+ column);
}
}
};
const module = await WebAssembly.instantiateStreaming(
fetch("build/optimized.wasm"),
importObject
);
const isPrime = module.instance.exports.isPrime;

const result = document.querySelector("#result");
document.querySelector("#prime-checker").addEventListener("submit", event => {
event.preventDefault();
result.innerText ="";
const number = event.target.elements.number.value;
result.innerText = `${number} is ${isPrime(number) ? '' : 'not '}prime.`;
});
})();

现在安装 static-server 。我们需要一个服务器，因为使用 WebAssembly.instantiateStreaming 时，该模块需要 MIME 类型的 application/wasm。

 复制代码

npm install --save-devstatic-server

将脚本添加到 package.json。

 复制代码

{
"scripts": {
"serve-demo":"static-server"
}
}

运行 npm run serve-demo 命令，并在浏览器中打开 localhost URL。在表单中提交一个数字，你将收到一条消息，指出该数字是否为质数。到这里，从编写 AssemblyScript，到在网站中实际使用它的整个流程我们都走了一遍。

结论

WebAssembly 和它的 AssemblyScript 扩展并不会一夜之间加快所有网站的速度，但这也不是它们的目的。WebAssembly 之所以令人兴奋，是因为它为 Web 开拓了更多的可能性，从而支持更多种类的应用程序。

类似地，AssemblyScript 使更多开发人员可以快速上手 WebAssembly，这样我们就能在一般场景中继续使用 JavaScript，而在需要大量数字运算的任务中轻松切换到 WebAssembly 了。