丨webassembly模塊的基本組成結(jié)構(gòu)到底有多簡單

WasmSection。相信通過這一講，你能夠從另一個角度看到Wasm的不同面貌。Section從整體上來看，同ELF二進(jìn)制文件類似，Wasm模塊的二進(jìn)制數(shù)據(jù)也是以ecion的形式被安排和存放的。ecion翻譯成中文是“段”，但為了保證講解的嚴(yán)謹(jǐn)性，以及你在理解上的準(zhǔn)確性，后文我會直接使用它的英文名詞ecion。對于ecion，你可以直接把它想象成，一個個具有特定功能的一簇二進(jìn)制數(shù)據(jù)。通常，為了能夠更好地組織模塊內(nèi)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，我們需要把具有相同功能，或者相關(guān)聯(lián)的那部分二進(jìn)制數(shù)據(jù)擺放到一起。而這些被擺放在一起，具有一定相關(guān)性的數(shù)據(jù)，便組成了一個個ecion。SectionWasm的所有Section放在一起，便描述了整個模塊在二進(jìn)制層面的組成結(jié)構(gòu)。在一個標(biāo)準(zhǔn)的Wasm模塊內(nèi)，以現(xiàn)階段的MVP標(biāo)準(zhǔn)為參考，可用的Section有如下幾種。要注意的是，在我們接下來將要講解的這些Section中，除了其中名為“CustomSecton”，也就是“自定義段”這個Section之外，其他的Section均需要按照每個SectionSectionIDID位方向依次進(jìn)行“擺放”。下面我來分別講解一下這些基本Section的作用和結(jié)構(gòu)。單體首先我們來講解的這部分Section被我劃分到了“單體Section”這一類別。也就是說，這一類Section一般可以獨自描述整個模塊的一部分特征（或者說是功能），同時也可以與其他Section一起配合起來使用。Section如何相互協(xié)作這部分內(nèi)容時提供一些幫助。這種劃分規(guī)則并非來源于標(biāo)準(zhǔn)或者官Type首先，第一個出現(xiàn)在模塊中的Section是“TypeSection”。顧名思義，這個Section用“函數(shù)”作為編程語言的基本代碼封裝單位，無論是在C/C++這類高級編程語言，還是匯編語言（一般被稱為rouie、例程，但也可以理解為函數(shù)或者方法）這類低級語言中，都有它的身影，而Wasm也不例外。在后面的課程中，會再次詳細(xì)講解，如何在瀏覽器中使用這些被定義在Wasm模塊內(nèi)，同時又被標(biāo)記導(dǎo)出的函數(shù)方法，現(xiàn)在你只要先了解這些就可以了。與大部分編程語言類似，函數(shù)類型一般由函數(shù)的參數(shù)和返回值兩部分組成。而只要知道了這兩部分，我們就能夠確定在函數(shù)調(diào)用前后，棧上數(shù)據(jù)的變化情況。因此，對于“函數(shù)類型“，你也可以將其直接理解為我們更加常見的一個概念——“函數(shù)簽名”。接下來我們試著更進(jìn)一步，來看看這個Section在二進(jìn)制層面的具體組成方式。我們可以將TypeSection的組成內(nèi)容分為如下兩個部分，分別是：所有Section都具有的通Section從整體上來看，每一個Section都由有著相同結(jié)構(gòu)的“頭部”作為起始，在這部分結(jié)構(gòu)中描述了這個Section的一些屬性字段，比如不同類型Section所專有的ID、Section的有效載荷長度。除此之外還有一些可選字段，比如當(dāng)前Section的名稱與長度信息等等。關(guān)于對于表中第二列給出的一些類型，你目前只需要將它們理解為一種特定的編碼方式就可以了，關(guān)于這些編碼方式和數(shù)據(jù)類型的具體信息，我會在下一節(jié)課中進(jìn)行講解?！白侄巍边@一列中的“amelen”與“name”兩個字段主要用于Customecion，用來存放這個ecion名字的長度，以及名字所對應(yīng)的字符串?dāng)?shù)據(jù)。對于TypeSection來說，它的專有ID是1。緊接著排在“頭部”后面的便是這個Section（payload_data）Section載荷的結(jié)構(gòu)都不相同。比如，TypeSection的有效載荷部分組成如下表所示。可以看到，TypeSectioncountentries合而成的。其中要注意的是entries字段對應(yīng)的func_type類型，該類型是一個復(fù)合類關(guān)于表中各個字段的具體說明，你可以參考表格中最后一列的“描述”信息來進(jìn)行理解。因為其解讀方式與上述的Section頭部十分類似。更詳細(xì)的信息，你可以按照需求直接參考文檔來進(jìn)行查閱。StartStartSection的ID為8。通過這個Section，我們可以為模塊指定在其初始化過程完成所謂的“初始化完成后”是指：模塊實例內(nèi)部的線性內(nèi)存和Table，已經(jīng)通過相應(yīng)的DataSection和ElementSection填充好相應(yīng)的數(shù)據(jù)，但導(dǎo)出函數(shù)還無法被宿主環(huán)境調(diào)用的這個時刻。關(guān)于DataSection和ElementSection，我們會在下文給你講解，這里你只需要對于StartSection來說，有一些限制是需要注意的，比如：一個Wasm模塊只能擁有一個StartSection，也就是說只能調(diào)用一個函數(shù)。并且調(diào)用的函數(shù)也不能擁有任何參數(shù)，同GlobalGlobalSection的ID為6。同樣地，從名字我們也可以猜到，這個Section中主要存放了整個模塊中使用到的全局?jǐn)?shù)據(jù)（變量）信息。這些全局變量信息可以用來模塊的狀態(tài)，你可以直接把它們類比為我們在C/C++代碼中使用的全局變量。Section（也就CustomCustomSection的ID為0。這個Section主要用來存放一些與模塊本身主體結(jié)構(gòu)無關(guān)的數(shù)據(jù)，比如調(diào)試信息、source-map信息等等。VM（VirtualMachine，虛擬機(jī)）在實例化并執(zhí)行一個Wasm二進(jìn)制模塊中的指令時，對于可以識別的CustomSection，將會以特定的方式為其提供相應(yīng)的功能。而VM對于無法識別的CustomSection則會選擇直接VMCustomSection“name行。在目前的MVP標(biāo)準(zhǔn)中，有且僅有一個標(biāo)準(zhǔn)中明確定義的CustomSection，也就是“NameSection”。這個Section對應(yīng)的頭部信息中，“name”字段的值即為字符串“name”。在這個Section中存放了有關(guān)模塊定義中“可打印名稱”的一些信息?；パa(bǔ)SectionSection”這一類別，也就是說，每一組的兩個Section共同協(xié)作，一同描述了整個Wasm模塊的某方面特征。ImportSection和ExportSection首先是ImportSection，它的ID為2。ImportSectionWasmSection允許被導(dǎo)入到Wasm模塊中的資源包括：函數(shù)（Function）、全局?jǐn)?shù)據(jù)（Global）、線性內(nèi)存對象（Memory）以及Table對象（Table）。那為什么要設(shè)計ImportSection呢？其實就是希望能夠在Wasm模塊之間，以及Wasm模塊與宿主環(huán)境之間共享代碼和數(shù)據(jù)。我將在實戰(zhàn)篇中給你詳細(xì)講解，如何在瀏覽器內(nèi)向一個正在實例化中的Wasm模塊，ImportSection為此，我們便可以利用名為“Eportecion”的Secion結(jié)構(gòu)。Exportecion的為7，通過它，我們可以將一些資源導(dǎo)出到虛擬機(jī)所在的宿主環(huán)境中。允許被導(dǎo)出的資源類型同Importecion的可導(dǎo)入資源一致。而導(dǎo)出的資源應(yīng)該如何被表達(dá)及處理，則需要由宿主環(huán)境運行時的具體實現(xiàn)來決定。FunctionSection和Code關(guān)于FunctionSection與CodeSection之間的關(guān)系，你可以先參考上圖，以便有一個直觀的印象。FunctionSection的ID為3，你一定認(rèn)為，在這個Section中存放的是函數(shù)體的代碼，但事實并非如此。FunctionSection中其實存放了這個模塊中所有函數(shù)對在Wasm標(biāo)準(zhǔn)中，所有模塊內(nèi)使用到的函數(shù)都會通過整型的inies來進(jìn)行索引并調(diào)用。你可以想象這樣一個數(shù)組，在這個數(shù)組中的每一個單元格內(nèi)都存放有一個函數(shù)指針，當(dāng)你需要調(diào)用某個函數(shù)時，通過“指定數(shù)組下標(biāo)”的方式來進(jìn)行索引就可以了。而FunctionSection便描述了在這個數(shù)組中，從索引0開始，一直到數(shù)組末尾所有單元格內(nèi)函數(shù)，所分別對應(yīng)的函數(shù)類型信息。這些類型信息是由我們先前介紹的TypeSection來TypeSection存放了Wasm模塊使用到的所有函數(shù)類型（簽名）；FunctionSection存放了模塊內(nèi)每個函數(shù)對應(yīng)的函數(shù)類型，即具體的函數(shù)與類型對應(yīng)關(guān)系；而在CodeSectionCoeecion的ID為10。Coeecion的組織結(jié)構(gòu)從宏觀上來看，你同樣可以將它理解成一個數(shù)組結(jié)構(gòu)，這個數(shù)組中的每個單元格都存放著某個函數(shù)的具體定義，也就是函數(shù)體對應(yīng)的一簇Wasm指令集合。CodeSectionFunctionSection位置的單元格。也就是說舉個例子，CodeSection的0號單元格中存放著FunctionSection的0號單元格中所描述函數(shù)類型對應(yīng)的具體實現(xiàn)。當(dāng)然，上述我們提到的各種“數(shù)組”結(jié)構(gòu)，其實并不一定真的是由編程語言中的數(shù)組來實現(xiàn)的。只是從各個Section概念上的協(xié)作和數(shù)據(jù)方式來看，我們可以通過數(shù)組來模擬這樣的交互流程。具體實現(xiàn)需要依以各個VM為準(zhǔn)。TableSection和Element同樣的，TableSectionElementSection到。TableSection的ID為4。在MVP標(biāo)準(zhǔn)中，Tableetion的作用并不大，你只需要知道我們可以在其對應(yīng)的Tale結(jié)構(gòu)中存放類型為“ayfunc”的函數(shù)指針，并且還可以通過指令“all_inirect”用這些函數(shù)指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)，這就可以了。Taleecion的結(jié)構(gòu)與Fncionecion類似，也都是由“一個個小格子”按順序排列而成的，你可以用數(shù)組的結(jié)構(gòu)來類比著進(jìn)行理解。VMTable模塊線性內(nèi)存的區(qū)域中，這個區(qū)域無法被模塊本身直接。因此Table中這些“小格子”內(nèi)具體存放的值，對于Wasmcall_indirectindicies，也就是“索引”的方式，來指定和這些“小格子”中的內(nèi)容。這在某種程度上，保證了Table中數(shù)據(jù)的安全性。在默認(rèn)情況下，TableSection在TableSection中，只存放了用于描述某個Table屬性的一些元信息。比如：Table中可以存放哪種類型的數(shù)據(jù)？Table的大小信息？等等。那為了給TableSection所描述的Table對象填充實際的數(shù)據(jù)，我們還需要使用名為ElementSectionSectionElementSectionID9Section，我們便可以為Table內(nèi)部填充實際的數(shù)據(jù)。MemorySection和DataMemorySection的ID為5。同樣，從這個Section的名字中我們就基本能夠猜到它的用途。同TableSection的結(jié)構(gòu)類似，借助MemorySection，我們可以描述一個Wasm模Wasm模塊內(nèi)的線性內(nèi)存結(jié)構(gòu)，主要用來以二進(jìn)制字節(jié)的形式，存放各類模塊可能使用到通過瀏覽器等宿主環(huán)境提供的比如WebAssembly.Memory對象，我們可以直接將一個Wasm模塊的線性內(nèi)存結(jié)構(gòu)，以“對象”的形式從模塊實例中導(dǎo)出。而被導(dǎo)出的ImportSection，再次導(dǎo)入給其他的Wasm模塊來進(jìn)行使用。MemorySection果要為線性內(nèi)存段填充實際的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，我們還需要使用另外的DataSection。DataSection的ID為11。到這里呢，我們就已經(jīng)大致分析完在MVP標(biāo)準(zhǔn)下，Wasm模塊內(nèi)Section的二進(jìn)制組成結(jié)構(gòu)。但少俠且慢，Section信息固然十分重要，但另一個更重要的問題是：我們?nèi)绾巫R別一個二進(jìn)制文件是不是一個合法有效的Wasm模塊文件呢？其實同ELF二進(jìn)制文件一樣，Wasm也同樣使用“魔數(shù)”來標(biāo)記其二進(jìn)制文件類型。所謂魔數(shù)，你可以簡單地將它理解為具有特定含義/功能的一串?dāng)?shù)字。Wasm前節(jié)分別為“（高地址）0x6d0x730x610x0（低地址）”，這節(jié)對應(yīng)的ASCII可見字符為“asm”（第一個為空字符，不可見）。接下來的節(jié)，用來表示當(dāng)前Wasm二進(jìn)制文件所使用的Wasm標(biāo)準(zhǔn)版本號。就目前來說，所有Wasm模塊該節(jié)的值均為“（高地址）0x00x00x00x1（低地址）”，1WasmVM判斷，當(dāng)前正在解析的二進(jìn)制文件是否是一個合法的Wasm二進(jìn)制模塊文件。Wasm了方便你理解，我簡化了一下分析流程。使用以下C/C++代碼所對應(yīng)生成的Wasm二進(jìn)制字節(jié)碼來作為例子進(jìn)行講解：intadd(inta,intb)returna+3在這段代碼中，我們定義了一個簡單的函數(shù)“add”。這個函數(shù)接收兩個int類型的參數(shù)，并返回這兩個參數(shù)的和。我們使用一個線上的名為WasmFiddle的Wasm編譯工具，將上述代碼編譯成對應(yīng)的Wasm二進(jìn)制文件，并將它到本地。然后，我們可以使用“hexdump”命令來查看這個二進(jìn)制文件的字節(jié)碼內(nèi)容。對于這個命令的實際運行結(jié)你可以看到，最開始紅色方框內(nèi)的前八個字節(jié)“0x00x610x730x6d0x10x00x00x0”便是我們之前介紹的，Wasm模塊文件開頭的“魔數(shù)”和版本號。這里需要注意地址增長接下來的“0x1”是Section頭部結(jié)構(gòu)中的“id”字段，這里的值為“0x1”，表明接下來的數(shù)據(jù)屬于模塊的TypeSection。緊接著綠色方框內(nèi)的五個十六進(jìn)制數(shù)字“0x870x800x800x800x0”是由varuint32編碼的“payload_len”字段信息，經(jīng)過，它的值為“0x7”，表明這個Section的有效載荷長度為7個字節(jié)（關(guān)于編的具體過根據(jù)這節(jié)課一開始我們對TypeSection結(jié)構(gòu)的介紹，你可以知道，TypeSection的有效載荷是由一個“count”字段和多個“entries”類型數(shù)據(jù)組成的。因此我們可以進(jìn)一步推斷出，接下來的字節(jié)“0x1”便代表著，當(dāng)前Section中接下來存在的“entries”類型實體的個數(shù)為1個。根據(jù)同樣的分析過程，你可以知道，緊接著紫色方框內(nèi)的六個十六進(jìn)制數(shù)字序列“0x600x20x7f0x7f0x10x7f”i32i32值的函數(shù)類型”。同樣的分析過程，也適用于接下來的其他類型Section，你可以試著結(jié)合文檔給出的各Section的詳細(xì)組成結(jié)構(gòu)，來將剩下的字節(jié)分別對應(yīng)到模塊的不同Section結(jié)構(gòu)中。今天我們主要