改进 JavaScript 和 Rust 的互操作性并深入认识 wasm-bindgen 组件

时间:2021-04-03 人气:0

前言

最近我们已经见识了WebAssembly如何快速编译、加速JS库以及生成更小的二进制格式。我们甚至为Rust和JavaScript社区以及其他Web编程语言之间的更好的互操作性制定了高级规划。正如前面一篇文章中提到的，我想深入了解一个特定组件的细节，wasm-bindgen。

今天WebAssembly标准只定义了四种类型：两种整数类型和两种浮点类型。然而，大多数情况下，JS和Rust开发人员正在使用更丰富的类型！例如，JS开发人员经常与互以添加或修改HTML节点相关的文档交互，而Rust开发人员使用类似Result等类型进行错误处理，几乎所有程序员都使用字符串。

被局限在仅使用由WebAssembly所提供的类型将会受到太多的限制，这就是wasm-bindgen出现的原因。

wasm-bindgen的目标是提供一个JS和Rust类型之间的桥接。它允许JS使用字符串调用Rust API，或Rust函数捕获JS异常。

wasm-bindgen抹平了WebAssembly和JavaScript之间的阻抗失配，确保JavaScript可以高效地调用WebAssembly函数，并且无需boilerplate，同时WebAssembly可以对JavaScript函数执行相同的操作。

wasm-bindgen项目在其README文件中有更多描述。要入门，让我们深入到一个使用wasm-bindgen的例子中，然后探索它还有提供了什么。

1、Hello World！

学习新工具的最好也是最经典的方法之一就是探索下用它来输出“Hello, World!”。在这里，我们将探索一个这样的例子——在页面里弹出“Hello World！”提醒框。

这里的目标很简单，我们想要定义一个Rust的函数，给定一个名字，它会在页面上创建一个对话框，上面写着Hello，$name！在JavaScript中，我们可以将这个函数定义为：

代码

export function greet(name) {
  alert(`Hello, ${name}!`);
}

不过在这个例子里要注意的是，我们将把它用Rust编写。这里已经发生了很多我们必须要处理的事情：

JavaScript将会调用一个WebAssembly 模块, 模块名是 greetexport.
Rust函数将一个字符串作为输入参数，也就是我们要打招呼的名字。
在内部Rust会生成一个新的字符串，也就是传入的名字。
最后Rust会调用JavaScript的 alert函数，以刚创建的字符串作为参数。

启动第一步，我们创建一个新的Rust工程：

代码

$ cargo new wasm-greet --lib

这将初始化一个新的wasm-greet文件夹，我们的工作都在这里面完成。接下来我们要使用如下信息修改我们的Cargo.toml（在Rust里相当于package.json）：

代码

[lib] 
crate-type = ["cdylib"] 
 
[dependencies] 
wasm-bindgen = "0.2"

我们先忽略[lib]节的内容，接下来的部分声明了对wasm-bindgen的依赖。这里的依赖包含了我们使用wasm-bindgen需要的所有的支持包。

接下来，是时候编写一些代码了！我们使用下列内容替换了自动创建的src/lib.rs:

代码

#![feature(proc_macro, wasm_custom_section, wasm_import_module)]

extern crate wasm_bindgen;

use wasm_bindgen::prelude::*;

#[wasm_bindgen]
extern {
  fn alert(s: &str);
}

#[wasm_bindgen]
pub fn greet(name: &str) {
  alert(&format!("Hello, {}!", name));
}

如果你不熟悉Rust，这可能看起来有点啰嗦，但不要害怕！随着时间的推移，wasm-bindgen项目不断改进，而且可以肯定的是，所有这些并不总是必要的。

要注意的最重要的一点是#[wasm_bindgen]属性，这是一个在Rust代码中的注释，这里的意思是“请在必要时用wrapper处理这个”。我们对alert函数的导入和greet函数的导出都被标注为这个属性。稍后，我们将看到在引擎盖下发生了什么。

首先，我们从在浏览器中打开作为例子来切入正题！我们先编译wasm代码：

代码

$ rustup target add wasm32-unknown-unknown --toolchain nightly # only needed once 
$ cargo +nightly build --target wasm32-unknown-unknown

这段代码会生成一个wasm文件，路径为target/wasm32-unknown-unknown/debug/wasm_greet.wasm。如果我们使用工具如wasm2wat来看这个wasm文件里面的内容，可能会有点吓人。

结果发现这个wasm文件实际上还不能直接被JS调用！为了能让我们使用，我们需要执行一个或更多步骤：

代码

$ cargo install wasm-bindgen-cli # only needed once 
$ wasm-bindgen target/wasm32-unknown-unknown/debug/wasm_greet.wasm --out-dir .

很多不可思议的事情发生都发生在这个步骤中：wasm-bindgen CLI工具对输入的wasm文件做后期处理，使它变的“suitable”可用。

我们待会再来看“suitable”的意思，现在我们可以肯定的说，如果我们引入刚创建的wasm_greet.js文件（wasm-bindgen工具创建的），我们已经获取到了在Rust中定义的greet函数。

最终我们接下来要做的是使用bundler对其打包，然后创建一个HTML页面运行我们的代码。

在写这篇文章的时候，只有Webpack's 4.0 release对WebAssembly的使用有足够的支持（尽管暂时已经有了 Chrome caveat）。

总有一天，更多的bundler也会接着支持WebAssmbly。在这我不再描述细节，但是你可以看一下在Github仓库里的example配置。不过如果我们看内容，这个页面中我们的JS在看起来是这样的：
代码

const rust = import("./wasm_greet"); 
rust.then(m => m.greet("World!"));

…就是这些了！现在打开我们的网页就会显示一个不错的“Hello, World!”对话框，这就是Rust驱动的。

2、wasm-bindgen是如何工作的

唷，那是一个巨大的“Hello, World!”。让我们深入了解一下更多的细节，以了解后台发生了什么以及该工具是如何工作的。

wasm-bindgen最重要的方面之一就是它的集成基本上是建立在一个概念之上的，即一个wasm模块仅是另一种ES模块。例如，在上述中我们想要一个带有如下签名的ES模块（在Typescript中）：

代码

export function greet(s: string);

WebAssembly无法在本地执行此操作（请记住，它目前只支持数字），所以我们依靠wasm-bindgen来填补空白。

在上述的最后一步中，当我们运行wasm-bindgen工具时，你会注意到wasm_greet.js文件与wasm_greet_bg.wasm文件一起出现。前者是我们想要的实际JS接口，执行任何必要的处理以调用Rust。* _bg.wasm文件包含实际的实现和我们所有的编译后的代码。

我们可以通过引入 ./wasm_greet 模块得到 Rust 代码愿意暴露出来的东西。我们已经看到了是如何集成的，可以继续看看执行的结果如何。首先是我们的示例：

代码

const rust = import("./wasm_greet"); 
rust.then(m => m.greet("World!"));

我们在这里以异步的方式导入接口，等待导入完成（下载和编译 wasm）。然后调用模块的 greet 函数。

注: 这里用到的异步加载目前需要 Webpack 来实现，但总会不需要的。而且，其它打包工具可能没有此功能。

如果我们看看由 wasm-bindgen 工具为 wasm_greet.js 文件生成的内容，会看到像这样的代码：

代码

import * as wasm from './wasm_greet_bg';

// ...

export function greet(arg0) {
  const [ptr0, len0] = passStringToWasm(arg0);
  try {
    const ret = wasm.greet(ptr0, len0);
    return ret;
  } finally {
    wasm.__wbindgen_free(ptr0, len0);
  }
}

export function __wbg_f_alert_alert_n(ptr0, len0) {
  // ...
}

注: 记住这是生成的，未经优化的代码，它可能既不优雅也不简洁！！在 Rust 中通过 LTO（Link Time Optimization，连接时优化）创建新的发行版，再通过 JS 打包工具流程（压缩）之后，可能会精简一些。

现在可以了解如何使用wasm-bindgen来生成greet函数。在底层它仍然调用wasm的greet函数，但是它是用一个指针和长度来调用的而不是用字符串。

了解passStringToWasm的更多细节可以访问Lin Clark's previous post。它包含了所有的模板，对我们来说这是除了wasm-bindgen工具以外还需要去写的东西！然后我们接下来看__wbg_f_alert_alert_n函数。

进入更深一层，下一个我们感兴趣的就是WebAssmbly中的greet函数。为了了解这个，我们先来看Rust编译器能访问到的代码。注意像上面生成的这种JS wrapper，在这里你不用写greet的导出符号，#[wasm_bindgen]属性会生成一个shim，由它来为你翻译，命名如下：

代码

pub fn greet(name: &str) {
  alert(&format!("Hello, {}!", name));
}

#[export_name = "greet"]
pub extern fn __wasm_bindgen_generated_greet(arg0_ptr: *mut u8, arg0_len: usize) {
  let arg0 = unsafe { ::std::slice::from_raw_parts(arg0_ptr as *const u8, arg0_len) }
  let arg0 = unsafe { ::std::str::from_utf8_unchecked(arg0) };
  greet(arg0);
}

现在可以看到原始代码，greet，也就是由#[wasm_bindgen]属性插入的看起来有意思的函数__wasm_bindgen_generated_greet。这是一个导出函数（用#[export_name]和extern关键词来指定的），参数为JS传进来的指针/长度对。在函数中它会将这个指针/长度转换为一个&str （Rust中的一个字符串），然后将它传递给我们定义的greet函数。

从另一个方面看，#[wasm_bindgen]属性生成了两个wrappers：一个是在JavaScript中将JS类型的转换为wasm，另外一个是在Rust中接收wasm类型并将其转为Rust类型。

现在我们来看wrappers的最后一块，即alert函数。Rust中的greet函数使用标准format!宏来创建一个新的字符串然后传给alert。回想当我们声明alert方法的时候，我们是使用 #[wasm_bindgen]声明的，现在我们看看在这个函数中暴露给rustc的内容:

代码

fn alert(s: &str) {
  #[wasm_import_module = "__wbindgen_placeholder__"]
  extern {
    fn __wbg_f_alert_alert_n(s_ptr: *const u8, s_len: usize);
  }
  unsafe {
    let s_ptr = s.as_ptr();
    let s_len = s.len();
    __wbg_f_alert_alert_n(s_ptr, s_len);
  }
}

这并不是我们写的，但是我们可以看看它是怎么变成这样的。alert函数事实上是一个简化的wrapper，它带有Rust的 &str然后将它转换为wasm类型（数字）。它调用了我们在上面看到过的比较有意思的函数__wbg_f_alert_alert_n，然而它奇怪的一点就是#[wasm_import_module]属性。

在WebAssembly中所有导入的函数都有一个其存在的模块，而且由于wasm-bindgen构建在ES模块之上，所以这也将被转译为ES模块导入！

目前__wbindgen_placeholder__模块实际上并不存在，但它表示该导入将被wasm-bindgen工具重写，以从我们生成的JS文件中导入。

最后，对于最后一部分的疑惑，我们得到了我们所生成的JS文件，其中包含：

代码

export function __wbg_f_alert_alert_n(ptr0, len0) {
  let arg0 = getStringFromWasm(ptr0, len0);
  alert(arg0)
}

哇！事实证明，这里隐藏着相当多的东西，我们从JS中的浏览器中的警告都有一个相对较长的知识链。不过，不要害怕，wasm-bindgen的核心是所有这些基础设施都被隐藏了！你只需要在随便使用几个＃[wasm_bindgen]编写Rust代码即可。然后你的JS可以像使用另一个JS包或模块一样使用Rust了。

wasm-bindgen还能做什么

wasm-bindgen项目在这个领域内志向远大，我们在此不再详细赘述。探索wasm-bindgen中的功能一个有效的方法就是探索示例目录，这些示例涵盖了从我们之前看到的Hello World! 到在Rust中对DOM节点的完全操作。

wasm-bindgen高级特性如下：

引入JS结构，函数，对象等来在wasm中调用。你可以在一个结构中调用JS方法，也可以访问属性，这给人一种Rust是“原生”的感觉，让人觉得你曾经写过的Rust #[wasm_bindgen] annotations都可以连接了起来。
将Rust结构和函数导出到JS。与只用JS使用数字类型来工作相比，你可以导出一个Rust结构并在JS中转换成一个类。然后可以将结构传递，而不是只使用整形数值来传递。 smorgasboard 这个例子可以让你体会支持的互操作特性。
其他各种各样的特性例如从全局范围内导入（就像alert函数），在Rust中使用一个Result来获取JS异常，以及在Rust程序中通用方法模拟存储JS值。

如果你想了解更多的功能，继续阅读 issue tracker。

3、wasm-bindgen接下来做什么?

在我们结束之前，我想花一点时间来下描述wasm-bindgen的未来愿景，因为我认为这是当今项目最激动人心的一方面。

不仅仅支持Rust

从第1天起，wasm-bindgen CLI工具就设计成了多语言支持的。尽管Rust目前是唯一被支持的语言，但该工具也可以嵌入C或C++。＃[wasm_bindgen]属性创建了可被wasm-bindgen工具解析并随后删除的输出(* .wasm)文件的自定义部分。

本节介绍要生成哪些JS绑定以及它们的接口是什么。这个描述中没有关于Rust的特定部分，因此C ++编译器插件可以很容易地创建该部分，并通过wasm-bindgen工具进行处理。

我觉得这个方面特别令人振奋，因为我相信它使像wasm-bindgen这样的工具成为WebAssembly和JS集成的标准做法。希望所有编译为WebAssembly的语言都能受益，并且可以被bundler自动识别，以避免上述几乎所有的配置和构建工具。

自动绑定JS生态

使用#[wasm_bindgen] 宏导入功能唯一不好的一面就是你必须将所有东西都写出来，还要保证没有任何错误。这种让人觉得很单调（而且易错）的操作的自动化技术已经成熟了。

所有的web APIs都由WebIDL指定，而且在generate #[wasm_bindgen] annotations from WebIDL是可行的。这个就意味着你不需要像前面一样定义alert函数，而是你只需要写下面这些：

代码

#[wasm_bindgen]
pub fn greet(s: &str) {
  webapi::alert(&format!("Hello, {}!", s));
}

在这个例子中，WebIDL对web APIs的描述可以完全自动生成webapi集合，保证没有错误。

我们甚至可以将自动化更进一步，TypeScript组织已经做了这方面的复杂工作，参照generate #[wasm_bindgen] from TypeScript as well。可以免费用npm上的TypeScript自动绑定任何包！

比 JS DOM 操作更快的性能

最后要说的事情对 wasm-bindgen 来说也很重要：超快的 DOM 操作 —— 这是很多 JS 框架的终极目标。如今需要使用一些中间工具来调用 DOM 函数，这些工具正在由 JavaScript 实现转向 C++ 引擎实现。然而，在 WebAssembly 来临之后，这些工具并非必须。WebAssembly 是有类型的。

从第一天起，wasm-bindgen 代码生成的设计就考虑到了将来的宿主绑定方案。当这一特征出现在 WebAssembly 之后，我们可以直接调用导入的函数，而不需要 wasm-bindgen 的中间工具。

此外，它使得 JS 引擎积极优化 WebAssembly 对 DOM 的操作，使其对类型的支持更好，而且在调用 JS 的时候不再需要进行参数验证。在这一点上，wasm-bindgen 不仅在操作像 string 这样的富类型变得容易，还提供了一流的 DOM 操作性能。

收工

我自己发现使用WebAssembly是异常令人振奋的，不仅仅是因为其社区，还因为其如此快速地在进度上突飞猛进。wasm-bindgen工具拥有光明的未来。它使JS和诸如Rust这样的编程语言之间的互操作性变成了一流的体验，并且随着WebAssembly的不断发展它也将提供了长期的好处。

试着给wasm-bindgen一次机会，因功能需求而创建一个问题，亦或继续保持参与Rust和WebAssembly！

关于Alex Crichton（作者）

Alex是Rust核心团队的成员之一，自2012年底以来一直从事于Rust。目前他正在帮助WebAssembly Rust Working Group使得Rust + Wasm成为最佳体验。Alex还帮助维护Cargo（Rust的包管理器），Rust标准库以及Rust的发布和CI的基础架构。

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