本文将聊聊,如何使用 Docker 和 Golang 快速上手 WebAssembly。我会分别从浏览器场景和“通用应用”场景来进行叙述,如果你还徘徊在 WebAssembly 的门前,或许这篇文章会对你所有帮助。
写在前面
如果从 2017 年浏览器纷纷开始以实验性的方式,支持 Web WebAssembly 功能来看,在浏览器使用非 JavaScript 来完成计算的风已经吹了五年了。不过,感受到 Wasm 生态真正发力的是近三年。
大环境的变化,让行业生态中音视频、云计算、物联网有了更广阔的市场,以及在降本提效上更高的追求,此为天时。如果说 Wasm 生态中的 C 位是 Mozilla,那么去年在 Mozilla 裁员事件出现后,他们迅速成立 Rust 的基金会,以保障 Rust 开发团队能够独立、稳定地运行,保护 Rust 以及周边项目的持续发展,为生态提供土壤,此可谓地利。
天时地利,只待人和。
国内外经济环境均有了前所未有的变化,在少了不少外部资本诱惑之后,能够感受到这几年来,基础技术设施的蓬勃发展,这里面少不了各种优秀的工程师正在将注意力从“业务”,逐步转移到“技术”上。目前 Wasm 王国在它的一等公民 Rust 高速发展和推动下,已经吸引了不少其他语言生态、知名商业公司的注意力。至于何时爆发,我个人认为,只是时间问题。
不过需要注意的是, 没有技术会是银弹,只有把技术放在适用的场景下才能达到事半功倍的效果 。那么哪些场景适合 WebAssembly 呢?
为了行文方便,接下来 WebAssembly 会简称为 Wasm 。
适用场景 & 优势
先来看看,近三年业界公开表明已使用它的场景:
- 做在线设计工具的业务场景 ,比如 Figma:早在 2017 年,Figma 就借助这项技术进行了产品优化,《WebAssembly cut Figma’s load time by 3x》,他们的工程师 Rasmus Andersson 也从比较底层的角度分析了 wasm。
- 复杂的在线 IDE 产品 ,比如 vim.wasm :在 2019 开始正式进行开发的 基于 wasm 的 VIM 完整移植版。使用 Web Worker 和 SharedArrayBuffer 解决了在浏览器端 JS 和 wasm 进行数据交互时的延迟问题。
- 云计算场景的边缘计算 ,比如 Cloudflare、fastly :《WebAssembly on Cloudflare Workers》、《Compute@Edge》
- 云计算场景网关能力扩展 ,比如 Envoy & istio、蚂蚁金服、MegaEase、ApiSix:《Istio1.5 & Envoy 数据面 WASM 实践》、《WebAssembly 在 MOSN 中的实践 – 基础框架篇》 、《用 Easegress + WebAssembly 做秒杀》、《云原生网关 APISIX 核心流程源码分析与进化方向思考》
- 在线音视频处理 ,比如 Zoom、声网 agora、字节跳动:《Zoom on Web: WebAssembly SIMD, WebTransport, and WebCodecs》、《How WebRTC & WASM are opening new opportunities for web apps》、《如何通过 WebAssembly 在 Web 进行实时视频人像分割》、《Bilibili – WebAssembly在多媒体场景的实践与思考》
- 高性能的复杂在线数据可视化 ,比如 perspective:
- 浏览器端的前端加密场景 ,比如coupang :《WebAssembly 在性能及加密场景的深度探索》
如果将上面的场景进行归纳,我们可以看到,在浏览器端、云计算、嵌入式方向, WebAssembly 的优势还是比较大的:
- 用比较低的代码量来扩展现有业务能力(云端、浏览器端)
- 充分使用客户端的计算能力,节约云服务器带宽和计算资源成本(浏览器端)
- 利用 wasm 高性能计算方面带来的优势,解决复杂的计算的执行效率问题(可视化、通用计算场景)
- 快速复用其他语言技术栈道能力,借助容器化的思路快速迭代产品(云端、浏览器端、嵌入式)
- 使用更流行、易于开发维护,或者贴合自己团队的语言来进行产品迭代(嵌入式)
- 前端敏感内容的加密处理(浏览器端)
简单起步:浏览器中的 WebAssembly
循序渐进,我们先从最简单的场景开始:浏览器。
环境准备
如果你不想折腾 golang 的本地开发环境,我们可以使用 Docker 来快速创建一个运行环境:
docker run --rm -it -v `pwd`/code:/app -p 8012:8012 golang:1.17.3-buster bash
这里,我们将本地的 code 目录,映射到容器内的 /app 目录中,并将本地和容器中的 8012 端口打通,以备后续使用。
接着,在命令执行完毕后的容器的终端控制台中进行项目的初始化:
cd /app
go mod init soulteary.com/wasm-demo/v2
然后,使用你喜欢的方式(在容器内或者在本地 IDE中),创建一个 golang 的程序文件,比如 main.go :
package main
import "fmt"
func main() {
fmt.Println("一切都将从这里开始")
}
完成之后,在容器控制台内执行 go run main.go ,不出意外,将看到 “一切都将从这里开始”的文本输出结果。
因为我们要演示的场景包含前端,所以还需要有一个简单的 Web 服务器,继续使用 golang 写一个简单的 Web 服务器吧。
package main
import (
"log"
"net/http"
)
func main() {
log.Fatal(http.ListenAndServe(":8012", http.FileServer(http.Dir("."))))
}
将上面的内存保存为 server.go ,当我们执行它的时候,它会将本地作为服务器根目录,对访问者提供 Web 服务。
在这个场景下,工程师们一般会有几个问题:
- 如何得到一个 Wasm 程序
- 如何将这个程序放在浏览器中运行;
- 如何让浏览器中的 JavaScript 能够调用 WASM 的导出函数。( Golang 程序中的函数)
- 以及如何针对整个程序进行进一步性能优化
在 “Show You The Code” 的过程中,我们将依次解答上面的问题。
从 Golang 创建 WebAssembly 程序
将 Golang 程序“变成” WebAssembly 一般会采取两种方案:
- 使用 Golang 原生编译器进行编译。
- 使用 TinyGo 编译器进行编译。
Golang “原生编译器方案”适用性非常好,适合项目初期开发、或者不太介意编译产物尺寸、程序首次分发时间的 B 端产品使用,如果你愿意投入时间做产物体积裁剪,也能够获得不错的结果。构建命令一般会类似 GOOS=js GOARCH=wasm go build -o YOUR_MODULE_NAME.wasm . ,构建产物需要配合 Golang wasm_exec.js 使用。
相比较前者,TinyGo 的编译结果更小巧,可以用于嵌入式场景(官方目前支持60多种单片机)、支持 WASI 接口的云计算场景,以及本文本小节提到的 Web 场景。经过 GZip 压缩后,你的程序甚至不如一张图片大。构建命令和原生类似 tinygo build –no-debug -o YOUR_MODULE_NAME.wasm -target wasi . ,不同的是,除了支持构建结果为 wasm 之外,支持沟通通用的 wasi ,方便你进行多端功能复用。(这个能力在分发模式上类似 Docker、在应用角度来看,则有些类似 Node 刚出现时,我在淘宝团队实践的前后端代码复用。)
我们先以原生方式为例,基于“环境准备”小节中的内容,使用下面的命令就能够完成对 wasm 的编译啦:
GOOS=js GOARCH=wasm go build -o module.wasm main.go
接着,将 Golang 提供的 “JS Bridge” 复制到项目根目录。
cp "$(go env GOROOT)/misc/wasm/wasm_exec.js" .
然后,编写一个落地页,让它能够加载上面的 JS Bridge,自动下载我们编译好的 wasm 程序,在程序下载完成后自动执行:
<html>
<head>
<meta charset="utf-8" />
<title>Go wasm</title>
</head>
<body>
<script src="wasm_exec.js"></script>
<script>
if (!WebAssembly.instantiateStreaming) {
// polyfill
WebAssembly.instantiateStreaming = async (resp, importObject) => {
const source = await (await resp).arrayBuffer();
return await WebAssembly.instantiate(source, importObject);
};
}
const go = new Go();
let mod, inst;
WebAssembly.instantiateStreaming(fetch("module.wasm"), go.importObject).then(
async (result) => {
mod = result.module;
inst = result.instance;
await go.run(inst);
inst = await WebAssembly.instantiate(mod, go.importObject); // reset instance
}
);
</script>
</body>
</html>
一切就绪后,我们执行 go run server.go 。在浏览器中访问 localhost:8012 就能够看到控制台中输出了上文中久违的字符串:“一切都将从这里开始”。
浏览器中出现了 Wasm 输出的内容
创建可与 JS 交互的 API 接口
我们以一个基础的 MD5 计算为例展开本小节的故事:假设我们需要让浏览器中的 JavaScript 调用 Golang 中的 MD5 计算函数。
先对“环境准备”小节中的“ main.go ” 文件进行调整,完成基础计算部分。
package main
import (
"crypto/md5"
"fmt"
)
func main() {
fmt.Println("一切都将从这里开始")
fmt.Println(CalcMd5("想要计算的结果"))
}
func CalcMd5(src string) string {
return fmt.Sprintf("%x", md5.Sum([]byte(src)))
}
使用 go run main.go 运行程序,可以看到类似下面的结果:
一切都将从这里开始
849d1b972ec01975a9d1e16f804fec94
接着,将上面的程序进行语法调整,将新增的函数 CalcMd5 声明为 JS 可访问的Wasm 导出函数。
package main
import (
"crypto/md5"
"fmt"
"syscall/js"
)
func main() {
fmt.Println("一切都将从这里开始")
wait := make(chan struct{}, 0)
js.Global().Set("CalcMd5", js.FuncOf(CalcMd5))
<-wait
}
func CalcMd5(this js.Value, p []js.Value) interface{} {
ret := fmt.Sprintf("%x", md5.Sum([]byte(p[0].String())))
return js.ValueOf(ret)
}
执行 GOOS=js GOARCH=wasm go build -o module.wasm main.go 对模块进行编译构建。然后再次执行 go run server.go ,在浏览器中的控制台中,我们就能够通过 JS 调用刚刚在 Golang 中创建的计算 MD5 的函数 CalcMd5 了。
在浏览器中调用 Wasm 函数
如果你的项目没有使用 cgo ,那么可以考虑直接使用 TinyGo 进行编译器替换,编译的默认产物将缩小到一个让你惊讶的尺寸。(TinyGo 的代码示例,关于 TinyGo 的讨论,下文中有详细展开,再次不做更多描述)
想要使用 TinyGo,需要先调整之前的 JS Bridge 为 TinyGo 的版本。
cp "$(tinygo env TINYGOROOT)/targets/wasm_exec.js" .
继续使用 tinygo build –no-debug -o module.tiny.wasm -target wasm main.go 构建小巧的 wasm 程序即可。程序构建完毕,我们对照一下原生构建的文件的尺寸变化,可以看到优化结果非常明显,甚至进一步压缩之后,文件尺寸大小只有 64kb 左右:
du -hs *
148Kmodule.tiny.wasm
2.0Mmodule.wasm
// 64Kmodule.tiny.wasm.gz
当然,使用 Go 创建的程序,并不单单是创建让 JS 调用的接口,还能够在 Go 中调用浏览器环境中的 JS API,或者在 Go 中直接操作浏览器 BOM API,来改变整个浏览器中页面的呈现和行为。
TinyGo 异常报错修复
在浏览器控制台中使用 TinyGo 版本的程序,可能会出现一些异常报错,比如会收到:“ syscall/js.finalizeRef not implemented ” 这类报错,解决方案可以参考 GitHub 中的方案,对 wasm_exec.js 文件打个补丁。
进阶操作:拿 WebAssembly 当容器使用,构建通用 WASI 程序
在最近十年里,不少语言都曾提出了“write once,run anywhere”的宏伟目标,其中 Node.js 更是使用语言同构的思路进行了践行。然而在容器时代,我们发现, 异构的技术栈也很香啊,只要你的应用接口能够标准化、通讯效率足够高、计算过程中损失成本小就行了。
我们可以将现有的容器技术视作带有 OS 、程序运行依赖的,高纬度的轻量应用运行环境。而 WASI 应用,则是粒度更细的“灵活容器”: 它可以被任何环境中、非常多的语言集成使用,在执行过程中被以更 low-level 的方式解析执行,或者作为轻量的沙盒使用。 如果说以前我们将程序扔在容器里,用显示声明的方式来实现“code as infrastructure”,那么 Wasm/ WASI 的到来,则让我们的程序本身具备了组件容器化的能力, 尤其是针对跨栈、异构场景的能力扩展。
环境准备
为了体验 Wasm 程序的“通用性”,我们将编写一个 Wasm 程序,并使用 浏览器、Node、Golang 三种不同的运行环境来对其进行调用。为了能够快速的开发和验证,我这里准备了一个简单的容器环境:
FROM golang:1.17.3-buster
# 前置准备
RUN sed -i -e "s/deb\.debian\.org/mirrors\.tuna\.tsinghua\.edu\.cn/" /etc/apt/sources.list && \
sed -i -e "s/security\.debian\.org/mirrors\.tuna\.tsinghua\.edu\.cn/" /etc/apt/sources.list && \
apt-get update && apt-get install -y && \
rm /bin/sh && ln -s /bin/bash /bin/sh && \
echo 'debconf debconf/frontend select Noninteractive' | debconf-set-selections
# 准备 Go 环境
RUN go env -w GO111MODULE=on
RUN go env -w GOPROXY=
RUN curl -L -o tinygo_0.21.0_amd64.deb && \
dpkg -i tinygo_0.21.0_amd64.deb
# 安装 wasmer
RUN curl -sSfL | sh
# 准备 Node 环境
RUN curl -o- | bash
ENV NVM_DIR /root/.nvm
ENV NVM_NODEJS_ORG_MIRROR "#34;
RUN . $NVM_DIR/nvm.sh && nvm install node
WORKDIR /app
将上面的内容保存为 Dockerfile ,然后使用 docker build -it wasm-dev-env . 执行构建。考虑到使用时的简单,我们还可以编写一个容器编排配置:
version: '3'
services:
wasm-dev-env:
image: wasm-dev-env
volumes:
- ./app:/app
command: tail -f /etc/hosts
ports:
- 8081:8081
- 8082:8082
- 8083:8083
将上面的内容保存为 docker-compose.yml ,然后使用 docker-compose up -d 启动容器,容器启动后,使用 docker-compose exec wasm-dev-env bash 就能够进入我们的开发环境了,先来看一下各个组件的版本。
# go version
go version go1.17.3 linux/amd64
# node --version
v17.1.0
# wasmer --version
wasmer 2.0.0
#tinygo version
tinygo version 0.21.0 linux/amd64 (using go version go1.17.3 and LLVM version 11.0.0)
编写通用的 WASI 程序
考虑到实用性和趣味性,这里我将会把一个开源的 Go 软件编译成 WASI 程序,来让其他的语言的程序进行调用。我选择的开源项目是能够将普通的文本转换为 ASCII ART 的
先来初始化项目目录。
mkdir /app/wasm
cd /app/wasm
go mod init soulteary.com/wasm-demo/v2
接着,创建一个名为 funny.go 的程序:
package main
import (
"github.com/common-nighthawk/go-figure"
)
func main() {}
//export HelloWorld
func HelloWorld() {
myFigure := figure.NewFigure("Hello World", "", true)
myFigure.Print()
}
然后使用 tinygo build –no-debug -o module.wasm -wasm-abi=generic -target=wasi funny.go 进行程序编译。不过由于 TinyGo 目前的 fs 模块的兼容性问题,我们的编译会失败:
# github.com/common-nighthawk/go-figure
../../go/pkg/mod/github.com/common-nighthawk/go-figure@v0.0.0-20210622060536-734e95fb86be/bindata.go:3606:11: MkdirAll not declared by package os
../../go/pkg/mod/github.com/common-nighthawk/go-figure@v0.0.0-20210622060536-734e95fb86be/bindata.go:3614:11: Chtimes not declared by package os
考虑到我们可以不需要原始项目中自定义外部资源的能力,所以可以直接针对报错的依赖文件进行调整,删除 TinyGo 中不支持的 API 方法。在完成调整之后,再次进行编译,会看到很快就能够得到我们所需要的 WASI 程序了。
du -hs *
4.0Kfunny.go
4.0Kgo.mod
4.0Kgo.sum
704Kmodule.wasm
在 Node 中运行 WASI 标准的 WebAssembly 程序
在 Node.js 中运行 Wasm 有两种方案,一种是使用 Node 中的 WebAssembly 对象,直接运行传统的 Wasm 程序,另外一种则是使用 WASI 接口运行 Wasm 程序。
虽然第二种方案目前在 Node 中还处于实验状态,需要使用参数启用,但是毕竟是未来的标准,这里依旧推荐采用第二种方式。
const { readFileSync } = require('fs');
const { WASI } = require('wasi');
const { argv, env } = require('process');
(async function () {
const wasi = new WASI({ args: argv, env });
const importObject = { wasi_snapshot_preview1: wasi.wasiImport, /** or: wasi_unstable: wasi.wasiImport **/ };
const wasm = await WebAssembly.compile(readFileSync("./module.wasm"));
const instance = await WebAssembly.instantiate(wasm, importObject);
wasi.start(instance);
const { HelloWorld } = instance.exports;
HelloWorld();
}());
将上面的内容保存为 index.js ,接着使用 node –experimental-wasi-unstable-preview1 index.js 执行程序,可以看到我们成功的在 Node.js 中调用了使用 Go 编译的 Wasm 程序,输出了“艺术字”。
(node:15307) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
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在浏览器中运行 WASI 标准的 WebAssembly 程序
前文中已经提到了一种方案,接下来我们来尝试第二种运行方案。首先准备项目目录,以及进行项目初始化。
mkdir /app/js-app
cd /app/js-app
npm init-y
npm i parcel parcel-bundler @wasmer/wasi @wasmer/wasmfs @wasmer/wasm-transformer --registry=
mkdir dist
cp module.wasm dist/
上面的命令执行完毕后,我们在项目目录的 package.json 中添加一个字段内容,尽可能的减少不必要的兼容性转换(你可以根据你的实际情况调整):
"browserslist": [
"last 1 Chrome versions"
],
创建一个用于展示的落地页面, index.html :
<html>
<body>
<script src="./index.js" type="module"></script>
</body>
</html>
然后,创建我们的核心脚本程序, index.js :
import { WASI } from '@wasmer/wasi/lib'
import browserBindings from '@wasmer/wasi/lib/bindings/browser'
import { WasmFs } from '@wasmer/wasmfs'
const wasmFilePath = '/module.wasm'
const wasmFs = new WasmFs()
let wasi = new WASI({
args: [wasmFilePath],
env: {},
bindings: {
...browserBindings,
fs: wasmFs.fs
}
})
const startWasiTask =
async pathToWasmFile => {
let response = await fetch(pathToWasmFile)
let wasmBytes = new Uint8Array(await response.arrayBuffer())
let wasmModule = await WebAssembly.compile(wasmBytes);
let instance = await WebAssembly.instantiate(wasmModule, {
...wasi.getImports(wasmModule)
});
wasi.start(instance)
instance.exports.HelloWorld()
let stdout = await wasmFs.getStdOut()
document.write(`<p>Standard Output:</p><pre>${stdout}</pre>`)
}
startWasiTask(wasmFilePath)
文件都准备继续之后,使用 ./node_modules/.bin/parcel index.html –port=8081 启动服务,在浏览器中访问 localhost:8081 ,你将会看到调用 Wasm 程序输出的内容:
Standard Output:
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浏览器中 Go Wasm 的程序输出
在 Go 程序中运行 WASI 标准的 WebAssembly
想在 Golang 中运行由 Golang 编写的具备 WASI 标准接口的 Wasm,其实还是有一点挑战的。一般情况下,你可能会遇到下面这些问题:
- 首先,你暂时不能通过 Golang 的编译器构建一个标准的支持 WASI 标准的 Wasm 程序。
- 其次,如果你使用比较流行的 wasmer-go 或者其他的运行时尝试执行标准的 WASI 程序,可能会遇到一些因为兼容性问题导致的报错,比如:“Missing import: `wasi_snapshot_preview1`.`fd_write“`。
- 最后,如果你侥幸修复了这些问题,你会发现在没有 WAT 文本格式文件的前提下,你还需要手动补全 Wasm 程序的导出函数,才能够正常使用程序。
关于上面的这些问题,在 wasmer-go 维护者的回答中曾提到,关于生成 WASI 标准的程序的方式,wasmer-go 项目的维护者们也不止一次的建议我们使用 TinyGo 替代默认的 Golang 编译器。如果你想使用 wasmer-go 来完成这件事,会遇到一些问题,维护者目前并不考虑朝着这个方向完善,并推荐我们使用 这个项目,来将上文中在浏览器中起到桥接作用的 JS Bridge 代码,在 Go 的代码中“运行一次”,将运行环境“垫平”。或考虑使用 的项目,针对 TinyGo 的产物进行“垫平”操作。
回想起文章一开始提到的,各种云服务网关都陆陆续续开始支持 WASM 的方式来扩展能力,而我们之前熟悉的 Traefik 却采用了类似 Nginx 的方案,则使用了另外一种更笨重的方案,官方团队提供基于 Golang 的 SDK,然后使用基于约定的方式动态从本地或远程加载这些同构的应用。采取这个技术路线的原因里,或许有一大部分正是出于上面的种种现实问题。
不过,2021 即将结束,这个问题还会是问题吗?
其实,早在今年年中的时候,wasmer-go 就可以通过 WASI 的方式来运行 Wasm 了,不过官方的项目缺少一个可以使用的示例。在经过一些尝试之后,我解决了这个问题,下面跟着我一起来玩吧。
先创建项目目录,进行一些初始化操作:
mkdir /app/go-app
cd /app/go-app/
go mod init soulteary.com/go-app/v2
cp /app/wasm/module.wasm .
接着,安装最新版本的 wasmer-go 项目运行时:
go get github.com/mattn/gowasmer
然后,编写一个简单的 Golang 程序,来加载 Wasm 程序,并执行它:
package main
import (
"fmt"
"io/ioutil"
wasmer "github.com/wasmerio/wasmer-go/wasmer"
)
func main() {
wasmBytes, _ := ioutil.ReadFile("module.wasm")
store := wasmer.NewStore(wasmer.NewEngine())
module, _ := wasmer.NewModule(store, wasmBytes)
wasiEnv, _ := wasmer.NewWasiStateBuilder("wasi-program").
// Choose according to your actual situation
// Argument("--foo").
// Environment("ABC", "DEF").
// MapDirectory("./", ".").
Finalize()
importObject, err := wasiEnv.GenerateImportObject(store, module)
check(err)
instance, err := wasmer.NewInstance(module, importObject)
check(err)
start, err := instance.Exports.GetWasiStartFunction()
check(err)
start()
HelloWorld, err := instance.Exports.GetFunction("HelloWorld")
check(err)
result, _ := HelloWorld()
fmt.Println(result)
}
func check(e error) {
if e != nil {
panic(e)
}
}
将上面的内容保存为 main.go ,然后执行 go run main.go 。不出意外,你将会看到类似下面的结果:
_ _ _ _ __ __ _ _
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|_| |_| \___| |_| |_| \___/ \_/\_/ \___/ |_| |_| \__,_|
<nil>
在Go中调用 Wasm 程序
在其他语言中运行 WASI 标准的程序
如果你对其他语言中运行 WASI 程序有需求,可以关注 这个项目。或者参考前文中提到的商业化公司或团队的实践,从他们的开源项目中剥离所需要的代码。
考虑到具体场景问题需要具体分析,这里就不做展开了,如果有必要,我会再写一篇文章,聊聊其他技术栈、应用生态中集成和使用 Wasm 程序。
最后
目前的 Wasm 领域的生态还有待完善,像极了十年前的前端生态。 Wasm 和前端技术一样,出现和发展不是为了取代谁,而是为了让解决事情的路径多一条,让已有多技术产品效能更高 。我始终相信会出现那么一批人,和十年前的老前端们一样,将它的生态完善起来的。
希望本文能够帮助到徘徊在这项技术前无从下手的你,并为你打开一扇新的大门。
君子以文会友,以友辅仁。