シリーズWasmバイナリを読めるようになろうWasm処理系の概要

テキストフォーマット

WebAssemblyの実行ファイルは、.wasm拡張子のバイナリファイルである。 .elfを.sに変換できるように、.wasmにも人間が読める形式が存在し、wat2wasmコマンドを使用して.watファイルを作成することができる。 これ以降、wat形式のwasm命令を確認していく。

Shellwat2wasm webgl.wasm -o webgl.wat

スタックマシン

Wasmの実行系は、ネイティブに迫るパフォーマンスを実現する最適化、JITでの高速なコンパイル中に可能にするために、構造の簡単なスタックマシンとして表現される。

全ての命令はスタックから0個以上の要素をpopし、0個以上の要素をpushする形式で表される。 （第3回で詳述）

Wasm(func $calc
  (param $a i32) (param $b i32)
  (result i32)
  local.get $a ;; $aをスタックに追加
  local.get $b ;; $bをスタックに追加
  i32.add      ;; $a,$bをスタックから除き、$a+$bをスタックに追加
  i32.const 2  ;; 2をスタックに追加
  i32.mul)     ;; 先頭2個の値をスタックから除き、($a+$b)*2をスタックに追加

モジュール

Wasmを実行するために必要なすべての要素は、モジュールとしてひとまとめに表現される。 モジュールは複数のコンポーネントからなっている。

型

Wasmの処理中で使われる型のうち、ユーザの定義したもののリスト（第2回で詳述）

Wasm(rec
  (type $node (struct
    (field i32)
    (field (ref null $children))
  ))
  (type $children (struct
    (field (ref null $node))
  ))
)
(type $unary (func (param i32) (result i32)))

import

外部からインポートする要素のモジュール名、名前、型のリスト。 インポート可能なものとしては、関数、メモリ、テーブル、タグ、グローバルの５種類がある。

Wasm(import "host" "increment"
  (func $increment (param i32) (result i32)))
(import "wasi_snapshot_preview1" "fd_write"
  (func $fd_write (param i32 i32 i32 i32) (result i32)))

タグ

例外の種類を表す型である。タグには名前と保有する情報が設定されており、タグの実体となる例外では、どのタグに表現されるかと、例外を説明する値が保持される。

Wasm(tag $problem (param i32))

グローバル変数

Cのグローバル変数と同様

Wasm(global $scale (mut i32) (i32.const 2))

線形メモリ

生のバイト列。数値データのみをしまうことができ（つまり参照は持てず）、インデックスでアクセスする。

Wasm(memory 1)

テーブル

参照を保存するためのデータ構造。関数への参照などを保持する。

Wasm(table 2 funcref)

関数

関数の名前と型のリストを持つ。

Wasm(type $unary (func (param i32) (result i32)))

データ

線形メモリを初期化するためのデータを保存する。

要素

テーブルを初期化するためのデータを保存する。

開始関数

モジュールを読み込んだ際、最初に実行する関数のインデックスを保持する。

export

外部にエクスポートする要素の名前と型のリスト

Wasm(export "ready" (global $ready))
(export "table" (table 0))

スタック

1つ目は、スタックマシンとしてのWasmが動作するスタックである。 具体的な実装は処理系依存。

ストア

2つ目は、Wasmプログラムによって操作可能な全てのグローバル状態が入るストアである。 ストアは、具体的には、以下の要素を持つ。

• タグ
• グローバル変数
• 線形メモリ
• テーブル
• 関数
• データ
• 要素
• 構造体
• 配列
• 例外

高級言語からのコンパイル

Wasmは、C,Rustといった高級言語からコンパイルして使用することができる。実際にCのプログラムをコンパイルしたWasmにおいて、実行時にどのような挙動を示すか見てみよう。

Cint example(int n) {
  volatile int values[1] = {n};
  return values[0];
}

Wasm(module
(memory (;0;) 1)
(global $__stack_pointer (mut i32) (i32.const 65536))

(func $example (param i32) (result i32)
  (local i32)
  global.get $__stack_pointer
  i32.const 16
  i32.sub
  local.tee 1         ;; local 1にvaluesのアドレスをしまっている。
  local.get 0         ;; local 0は引数 n
  i32.store offset=12 ;; 線形メモリ 0 に値をしまう。ローカル変数ではない
  local.get 1
  i32.load offset=12)
(export "example" (func $example)))

ここで、Wasmではスタック領域が2つあることに注意が必要である。

1つ目は、スタックマシンの使用するスタックである。 このスタックは通常の演算の他に、ローカル変数の保存にも用いられる。 処理の抽象論では、スタック上にframeという構造体が保存され、ローカル変数はこのframe内に保存される（実際のランタイムで、frameのような構造体が作られているわけではない）

2つ目は、線形メモリ上に作成されるスタックである。 Cプログラムをコンパイルした際、線形メモリ中には、通常のx86バイナリと同様の構造を持ったスタックとヒープが作成される。 この内、スタックにはローカル変数として保存できない配列などを配置し、ヒープにはmallocで確保したメモリが保存されている。

ブラウザ上での高速な処理

自己完結した思い計算を行うための計算カーネルとしての利用

• Figmaでは、描画・計算・パースと行った高負荷処理をC++からコンパイルしたWasmに置き換え、初期ロード時間が3倍超改善した
• ONNX Runtime Web / TensorFlow.js ではWasmを使いブラウザで機械学習推論を行える

C/C++資産のWebへの移植

既存のソフトウェアをブラウザのセキュリティ環境の中に入れ、再実装も避けることができる

• Photoshopをブラウザで動かせるようになった。実装時にSIMDを使うことができ、高速な処理が可能に
• Unityで作成したゲームをブラウザで動作させることが可能に
• FFmpegやOpenCVをWasmへ移植し、ブラウザ内で音声変換や画像処理を行える
• その他、DuckDB, SQLite, CPython, R, .NET, Rustコンパイラなどが移植され、ブラウザ上での処理が可能になっている

オーケストレーション

Wasmを軽量な使い捨てプロセスとして使う方法。コンテナのような配布単位として利用できる。

• サーバレス実行の基盤として、高速な軌道が可能なWasmが利用されている（Shopifyなど）
• Cloudflare workersなどのCDNエッジコンピューティングでは、Wasmで処理を書くことができる
• Dockerのコンテナの代替として、軌道が高速なWasmの利用が検討されている。

ユーザによるプラグイン

Wasmのサンドボックス性として利用する。

• Shopify functionsでは、加盟店・アプリ独自ロジックをWasmとして登録し、Shopify側で実行することができる
• EnvoyはWasm拡張をHTTPフィルタなどとして使うことができる

組み込み

• WAMRは、ファームウェア全体を書き換えずアプリを書き換えられ、異なるアーキテクチャでも同じプログラムを動かせるIoT向けランタイムとして開発された
  • 同様に、組み込み機器への動的な機能追加も可能

ブロックチェーン

• NEARでは、Rustなどで書いたスマートコントラクトをWasmにコンパイルし、チェーン上で実行する
• StellarのSorobanでは、Rustで書いたスマートコントラクトをWasmにコンパイルし、stellar-core内のWasmインタープリターで実行する

コンポーネントモデルとしての利用

複数のプログラミング言語で書かれた資産を相互運用できる。実用化例は発見できず。