基础为零？如何将 C++ 编译成 WebAssembly(二）_语言 & 开发_张翰(门柳)

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 写点什么

如果是 Mac 电脑，遇到安全提示，在【系统偏好设置】-【安全与隐私】-【通用】里，找到“允许以下位置下载的 App”的配置，下方应该有提示信息，点击允许就可以了。

打出来包之后，可以用 file out/hello-wasi.wasm 命令检查一下生成的包格式对不对，有如下输出才是正确的，否则你打出来的很可能是个原生的二进制文件。

hello-wasi.wasm: WebAssembly (wasm) binary module version 0x1 (MVP)

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同样，可以用 wasm2wat 工具生成可读的文本格式，方便看代码：

wasm2wat out/hello-wasi.wasm -o out/hello-wasi.wat

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想要运行这个 wasm 包，需要有独立的运行时，理论上讲，所有实现了标准 wasi 接口的 runtime 都可以执行这个包。以 Wasmtime (https://wasmtime.dev/)为例，安装好后，用下方命令就可以执行这个 wasm 文件，会看到控制台有 Hello World! 的输出：

wasmtime out/hello-wasi.wasm

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另外，如果不想在电脑上装这些独立运行时，还有个神奇的网站（https://wasi.dev/polyfill/）可以在线运行基于 wasi 接口的 wasm 包。这个网站在浏览器环境里实现了一份 polyfill，对等实现了原生 wasm 运行时的一部分功能。把刚编译好的 hello-wasi.wasm 文件传上去，也可以看到 Hello World! 的输出。

编译独立模块

然而在实际情况中，并不是所有包都想自执行，不一定都有 main 函数，大部分 wasm 包是想提供一些 api 供外部调用。自己打印 Hello World 没有任何意义，要和宿主环境有交互才行。

下面以斐波那契数列为例，介绍如何编译一个独立的 wasm 模块。C 语言代码如下：

int fib (int n) {  if (n <= 0) return 0;  if (n <= 2) return 1;  return fib(n - 2) + fib(n - 1);}

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▐ 使用 Emscripten 编译

这次代码里没了 main 函数，只有一个 fib 函数，而 Emscripten 默认只导出 main 函数，所以在编译时加上 EXPORTED_FUNCTIONS 的配置指定导出的接口，其他同上：

emcc fib.c -s EXPORTED_FUNCTIONS='["_fib"]' -O3 -o out/fib-emcc.wasm

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编译 C/C++ 的时候函数名会默认加上 _ 前缀，所以导出的接口名是 _fib 而不是 fib 。

这次生成的包很小，把它转成文本格式后只有 27 行，代码如下：

可以看到这个包只导出一个了 _fib 函数，函数接受 i32 数字为参数，返回一个 i32 数字。想要在 JS 环境里运行起来这个包，需要用 js 代码来加载执行这个包，可以封装如下函数：

// 编译并实例化 wasm 模块，返回导出的接口async function loadWebAssembly (filename, env) {  const filePath = path.resolve(__dirname, filename)
  // 读入 wasm 文件的二进制代码  const buffer = fs.readFileSync(filePath)
  // 将 wasm 包实例化并传入外部接口，因为没有外部依赖，不传 env 也可以的  const results = await WebAssembly.instantiate(buffer, {    env: Object.assign({      '__memory_base': 0,      '__table_base': 0,      memory: new WebAssembly.Memory({ initial: 256, maximum: 256 }),      table: new WebAssembly.Table({ initial: 0, maximum: 128, element: 'anyfunc' })    }, env)  })
  // 返回实例化好之后的接口  if (results && results.instance) {    return results.instance.exports  }}

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然后使用这个函数加载 wasm 文件：

loadWebAssembly('./out/fib-emcc.wasm').then(apis => {  console.log(apis._fib(13))  // 输出 233})

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完整代码： https://github.com/Hanks10100/cpp2wasm/blob/master/loader.js

▐ 使用 wasi-sdk 编译

这次 wasi-sdk 的编译选项稍微复杂了一些：

~/wasi-sdk-8.0/bin/clang --sysroot ~/wasi-sdk-8.0/share/wasi-sysroot fib.c \  -nostartfiles -fvisibility=hidden -Wl,--no-entry,--export=fib \  -O3 -o out/fib-wasi.wasm

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第一行和第三行其实没变，只是加了第二行指定导出的接口并添加其他的优化编译选项，具体每个字段的含义（我也不懂）我就不解释了，感兴趣的话自行搜索吧。

生成的包也很小，转成文本格式后代码如下：

同样是内部定义了 fib 函数并 export 出来，同时还定义了 table 和 memory 而且把 memory 导出，table 是用来存放间接调用的函数表，memory 定义了初始内存大小，这个例子里并没用到，可删掉。

运行这个包的方式和上面一样，加上 --invoke 可以指定调用的接口，可以传递参数：

wasmtime out/fib-wasi.wasm --invoke fib 7

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上面的命令会输出 13 。

另外，因为这个例子没有外部依赖，所以生成的包对环境没什么要求，上面用 Emscripten 生成的 fib-emcc.wasm 这个包，也是可以用 Wasmtime 来执行的，调用方法一致：

wasmtime out/fib-emcc.wasm --invoke _fib 13

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简单分析

一个简单的 hello world 为什么编译出来这么多代码？编译工具到底干了啥？为什么还要有个 js 文件？

这些问题与 WebAssembly 的技术特点有关。WebAssembly 本质上讲就是一种二进制格式而已，一个 wasm 文件可以认为就是一个独立的模块，模块的包格式如下：

开头是个固定的硬编码，然后是各种 section ⑫，所有 section 都是可选的，其中 type section 是声明函数类型的，还有 function, code, data 这些 section 都是封装内部逻辑的，start section 声明了自执行的函数，另外还有 table, global, memory, element 等。最需要外部关注的，与外界环境交互的是 import section 和 export section，分别定义了导入和导出的接口。

简单粗暴点讲 WebAssembly 只定义了导入和导出的接口和内部的运算逻辑，想要使用到宿主环境的能力，只能声明出依赖的接口，然后由宿主环境来注入。例如发送网络请求、读写文件、打日志等等，不同宿主环境中的接口是不一样的，wasm 包里声明了一套自己想要的接口，宿主环境在实例化 wasm 模块的时候，按照 wasm 自己定义的格式，把当前环境的真实接口传递给它。

以 hello.c 为例，它有对 <stdio.h> 头文件的依赖，虽然代码没有读写文件，但是头文件里包含了这类接口，所以生成的 wasm 包里声明了需要导入 io 相关的接口。下面是 Emscripten 生成的 wasm 包对应的文本描述（不含 -O3 优化），hello-emcc.wat 文件开头的一部分：

可以看到它依赖宿主环境注册大量 env 接口，只有正确注入了这些接口才能确保 wasm 包可以正确的运行起来。在 Emscripten 同时生成的那个 js 文件里，就包含了这些接口的实现，在实例化 wasm 的时候自动注入进来，是它的内部逻辑，外部使用的时候不必关心。

这些接口都是什么玩意儿……？看起来像非标准的东西， __syscall140 和 __syscall6 分别是干啥的？不知道函数功能也不知道参数含义，不用 Emscripten 生成的 js 文件，完全不知道该怎么实例化这个 wasm 包，所以在运行 wasm 的时候就必须带上一份厚重的“js glue”。

再来看一下 wasi-sdk 生成的文件，需要导入的接口就可读多了：

里面的 proc_exit 和 fd_write 等接口，就是 wasi 定义的标准接口 ⑬，只要宿主环境按照规范实现了这些接口，就可以运行这个 wasm 包。而且这些 wasi 接口也不是用 js 实现的，性能更好一些，也完全不依赖 js 引擎。

其实在 Emscripten 里生成的 __syscall140 就是要查找文件，基本等价于 fd_seek ， __syscall6 基本等价于 fd_close ，但是前者没有语义而且非标准，强依赖 Emscripten 生成的 js 文件才能运行，而 wasi 接口就具备了更好的性能和跨平台能力。这就是标准化的力量，也是 WebAssembly 的一个发展方向。

性能对比

就不到十行代码还好意思做性能对比…… 我觉得低于 200 行代码跑出来的性能测试都不太靠谱。而且执行 js 和执行 wasm 的链路不一样，编译工具的优化程度不一样，编译出来的包依赖的接口也不一样，太多不确定性，测出的数据里都是噪声。在之后的文章里，我会用复杂的例子来测试 WebAssembly 的性能。（挖坑）

接下来干什么

文章写的很浅显，目的是让不懂 C/C++ 不懂 WebAssembly 可以快速入门。我觉得 WebAssembly 目前的一个问题是没有很明确、很具体的使用场景，大部分人都或多或少了解这个技术，知道整体的发展方向，但是觉得无从下手，最多是在某个环节中做小规模尝试。

我也尝试着把一个完整的 C++ 项目（约 2W+行代码）编译成了 WebAssembly，并且能在浏览器和 Node.js 环境里跑起来，只是为了深入研究 WebAssembly 这项技术，未必是一个很适合使用 WebAssembly 的场景。写 demo 和真的把 WebAssembly 用起来，中间的差距还是很大的，这篇文章是一个引子，我在下一篇文章里详细介绍一下我在过程中遇到的问题和解决方案。

文中链接：

1 https://webassembly.org/

2 https://github.com/WebAssembly/spec

3 https://developer.mozilla.org/en-US/docs/WebAssembly

4 https://hacks.mozilla.org/author/lclarkmozilla-com/

5 https://emscripten.org/index.html

6 https://wasi.dev/

7 https://github.com/bytecodealliance/wasmtime

8 https://github.com/bytecodealliance/wasm-micro-runtime

9 https://github.com/CraneStation/wasi-sdk

10 https://github.com/emscripten-core/emscripten/wiki/WebAssembly-Standalone

11 https://github.com/WebAssembly/wabt