前端高效能運算之二：asm.js & webassembly

發表於2017-10-21

前一篇我們說了要解決高效能運算的兩個方法，一個是併發用WebWorkers，另一個就是用更底層的靜態語言。

2012年，Mozilla的工程師Alon Zakai在研究LLVM編譯器時突發奇想：能不能把C/C++編譯成Javascript，並且儘量達到Native程式碼的速度呢？於是他開發了Emscripten編譯器，用於將C/C++程式碼編譯成Javascript的一個子集asm.js，效能差不多是原生程式碼的50%。大家可以看看這個PPT。

之後Google開發了Portable Native Client，也是一種能讓瀏覽器執行C/C++程式碼的技術。後來估計大家都覺得各搞各的不行啊，居然Google, Microsoft, Mozilla, Apple等幾家大公司一起合作開發了一個面向Web的通用二進位制和文字格式的專案，那就是WebAssembly，官網上的介紹是：

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應該是一個前景很好的專案。我們可以看一下目前瀏覽器的支援情況：

安裝Emscripten

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

1. 下載對應平臺版本的SDK

2. 通過emsdk獲取最新版工具

# 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

# 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. 將下列新增到環境變數PATH中

~/emsdk-portable
~/emsdk-portable/clang/fastcomp/build_incoming_64/bin
~/emsdk-portable/emscripten/incoming

~/emsdk-portable

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

~/emsdk-portable/emscripten/incoming

4. 其他

我在執行的時候碰到報錯說LLVM版本不對，後來參考文件配置了LLVM_ROOT變數就好了，如果你沒有遇到問題，可以忽略。

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

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

5. 驗證是否安裝好

執行emcc -v，如果安裝好會出現如下資訊：

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)

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!

建立一個檔案hello.c：

#include <stdio.h>
int main() {
  printf("Hello, WebAssembly!\n");
  return 0;
}

#include <stdio.h>

int main() {

printf("Hello, WebAssembly!\n");

return 0;

}

編譯C/C++程式碼：

emcc hello.c

1	emcc hello.c

上述命令會生成一個a.out.js檔案，我們可以直接用Node.js執行：

node a.out.js

1	node a.out.js

輸出

Hello, WebAssembly!

1	Hello, WebAssembly!

為了讓程式碼執行在網頁裡面，執行下面命令會生成hello.html和hello.js兩個檔案，其中hello.js和a.out.js內容是完全一樣的。

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

1 2	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

➜ webasm-study md5 a.out.js

MD5 (a.out.js) = d7397f44f817526a4d0f94bc85e46429

➜ webasm-study md5 hello.js

MD5 (hello.js) = d7397f44f817526a4d0f94bc85e46429

然後在瀏覽器開啟hello.html，可以看到頁面

前面生成的程式碼都是asm.js，畢竟Emscripten是人家作者Alon Zakai最早用來生成asm.js的，預設輸出asm.js也就不足為奇了。當然，可以通過option生成wasm，會生成三個檔案：hello-wasm.html, hello-wasm.js, hello-wasm.wasm。

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

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

然後瀏覽器開啟hello-wasm.html，發現報錯TypeError: Failed to fetch。原因是wasm檔案是通過XHR非同步載入的，用file:////訪問會報錯，所以我們需要啟一個伺服器。

npm install -g serve
serve

1 2	npm install -g serve serve

然後訪問http://localhost:5000/hello-wasm.html，就可以看到正常結果了。

呼叫C/C++函式

前面的Hello, WebAssembly!都是main函式直接打出來的，而我們使用WebAssembly的目的是為了高效能運算，做法多半是用C/C++實現某個函式進行耗時的計算，然後編譯成wasm，暴露給js去呼叫。

在檔案add.c中寫如下程式碼：

#include <stdio.h>
int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

int main() {
  printf("a + b: %d", add(1, 2));
  return 0;
}

#include <stdio.h>

int add(int a, int b) {

return a + b;

}

int main() {

printf("a + b: %d", add(1, 2));

return 0;

}

有兩種方法可以把add方法暴露出來給js呼叫。

通過命令列引數暴露API

emcc -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" add.c -o add.js

1	emcc -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" add.c -o add.js

注意方法名add前必須加_。然後我們可以在Node.js裡面這樣使用：

// file node-add.js
const add_module = require('./add.js');
console.log(add_module.ccall('add', 'number', ['number', 'number'], [2, 3]));

// file node-add.js

const add_module = require('./add.js');

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

執行node node-add.js會輸出5。如果需要在web頁面使用的話，執行：

emcc -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" add.c -o add.html

1	emcc -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" add.c -o add.html

然後在生成的add.html中加入如下程式碼：

  <button onclick="nativeAdd()">click</button>
  <script type='text/javascript'>
    function nativeAdd() {
      const result = Module.ccall('add', 'number', ['number', 'number'], [2, 3]);
      alert(result);
    }
  </script>

<button onclick="nativeAdd()">click</button>

function nativeAdd() {

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

alert(result);

}

</script>

然後點選button，就可以看到執行結果了。

Module.ccall會直接呼叫C/C++程式碼的方法，更通用的場景是我們獲取到一個包裝過的函式，可以在js裡面反覆呼叫，這需要用Module.cwrap，具體細節可以參看文件。

const cAdd = add_module.cwrap('add', 'number', ['number', 'number']);
console.log(cAdd(2, 3));
console.log(cAdd(2, 4));

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

console.log(cAdd(2, 3));

console.log(cAdd(2, 4));

定義函式的時候新增`EMSCRIPTEN_KEEPALIVE`

新增檔案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;
}

#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;

}

執行命令：

emcc add2.c -o add2.html

1	emcc add2.c -o add2.html

同樣在add2.html中新增程式碼：

  <button onclick="nativeAdd()">click</button>
  <script type='text/javascript'>
    function nativeAdd() {
      const result = Module.ccall('add', 'number', ['number', 'number'], [2, 3]);
      alert(result);
    }
  </script>

<button onclick="nativeAdd()">click</button>

function nativeAdd() {

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

alert(result);

}

</script>

但是，當你點選button的時候，報錯：

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

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

可以通過在main()中新增emscripten_exit_with_live_runtime()解決：

#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;
}

#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列中新增-s NO_EXIT_RUNTIME=1來解決，

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

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

不過會報一個警告：

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)

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)

所以建議採用第一種方法。

上述生成的程式碼都是asm.js，只需要在編譯引數中新增-s WASM=1中就可以生成wasm，然後使用方法都一樣。

用asm.js和WebAssembly執行耗時計算

前面準備工作都做完了，現在我們來試一下用C程式碼來優化前一篇中提過的問題。程式碼很簡單：

// 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;
}

// 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編譯的時候需要把跟emscriten相關的兩行程式碼註釋掉，否則編譯不過。我們先直接用gcc編譯成native code看看程式碼執行多塊呢？

➜  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

➜ 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

可以看到有沒有優化差別還是很大的，優化過的程式碼執行時間是3ms!。really？仔細想想，我for迴圈了10億次啊，每次for執行大概是兩次加法，兩次賦值，一次比較，而我總共做了兩次for迴圈，也就是說至少是100億次操作，而我的mac pro是2.5 GHz Intel Core i7，所以1s應該也就執行25億次CPU指令操作吧，怎麼可能逆天到這種程度，肯定是哪裡錯了。想起之前看到的一篇rust測試效能的文章，說rust直接在編譯的時候算出了答案，然後把結果直接寫到了編譯出來的程式碼裡，不知道gcc是不是也做了類似的事情。在知乎上GCC中-O1 -O2 -O3 優化的原理是什麼？這篇文章裡，還真有loop-invariant code motion（LICM）針對for的優化，所以我把程式碼增加了一些if判斷，希望能“糊弄”得了gcc的優化。

#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;
}

#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;

}

執行結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

➜ 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，我們來編譯成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;
}

#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;

}

執行

emcc sum.c -o sum.html

1	emcc sum.c -o sum.html

然後在sum.html中新增程式碼

 <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;// 總次數1億
      t1 = Date.now();
      result = jsSum(0, N);
      t2 = Date.now();
      console.log(`result: ${result}, cost time: ${t2 - t1}`);
    }
  </script>

<button onclick="nativeSum()">NativeSum</button>

<button onclick="jsSumCalc()">JSSum</button>

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>

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;// 總次數1億

t1 = Date.now();

result = jsSum(0, N);

t2 = Date.now();

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

}

</script>

另外，我們修改成編譯成WebAssembly看看效果呢？

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

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

Browser	webassembly	asm.js	js
Chrome61	1300ms	600ms	3300ms
Firefox55	600ms	800ms	700ms
Safari9.1	不支援	2800ms	因不支援ES6我懶得改寫沒測試

感覺Firefox有點不合理啊，預設的JS太強了吧。然後覺得webassembly也沒有特別強啊，突然發現emcc編譯的時候沒有指定優化選項-O2。再來一次：

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

1 2	emcc -O2 sum.c -o sum.js # for asm.js emcc -O2 sum.c -o sum.js -s WASM=1 # for webassembly

Browser	webassembly -O2	asm.js -O2	js
Chrome61	1300ms	600ms	3300ms
Firefox55	650ms	630ms	700ms

居然沒什麼變化，大失所望。號稱asm.js可以達到native的50%速度麼，這個倒是好像達到了。但是今年Compiling for the Web with WebAssembly (Google I/O ‘17)裡說WebAssembly是1.2x slower than native code，感覺不對呢。asm.js還有一個好處是，它就是js，所以即使瀏覽器不支援，也能當成不同的js執行，只是沒有加速效果。當然WebAssembly受到各大廠商一致推崇，作為一個新的標準，肯定前景會更好，期待會有更好的表現。

Rust

本來還想寫Rust編譯成WebAssembly的，不過感覺本文已經太長了，後期再寫如果結合Rust做WebAssembly吧。

著急的可以先看看這兩篇

Refers

前端高效能運算之三：Rust -> asm.js & webassembly
2017-10-21
前端RustASMJSWeb
WebAssembly 為什麼比 asm.js 快？
2017-03-20
WebASMJS
前端高效能運算之一：WebWorkers
2017-10-21
前端Web
前端高效能運算之四：GPU加速計算
2017-10-21
前端GPU
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前端高效能運算之二：asm.js & webassembly

安裝Emscripten

Hello, WebAssembly!

呼叫C/C++函式

通過命令列引數暴露API

定義函式的時候新增EMSCRIPTEN_KEEPALIVE

用asm.js和WebAssembly執行耗時計算

Rust

Refers

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