asm.js & webassembly-WEB的高效能運算
- php中世界最好的语言原創
- 2017-11-18 14:46:042144瀏覽
之前先跟大家介紹過WebWorkers-WEB的高效能運算，關於javascript的知識都很有意思，那麼今天給大家說一說asm.js & webassembly與WEB高效能運算的關係，之前我們說過要解決高效能運算的兩個方法，一個是並發用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，並且盡量達到Native程式碼的速度呢？於是他開發了Emscripten編譯器，用來將C/C++程式碼編譯成Javascript的子集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，也是能讓瀏覽器運作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的通用二進制和文本格式的項目，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好的項目。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. 下載對應平台版本的SDK
2. 透過emsdk取得最新版工具
# 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
3.將下列加入環境變數PATH中
~/emsdk-portable ~/emsdk-portable/clang/fastcomp/build_incoming_64/bin ~/emsdk-portable/emscripten/incoming
4.其他
LLVM_ROOT = os.path.expanduser(os.getenv('LLVM', '/home/ubuntu/a-path/emscripten-fastcomp/build/bin'))
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!
#include <stdio.h>
int main() {
printf("Hello, WebAssembly!\n");
return 0;
}編譯C/C++程式碼：emcc hello.c上述指令會產生一個a.out.js文件，我們可以直接用Node.js執行：
node a.out.js輸出
Hello, WebAssembly!為了讓程式碼運行在網頁裡面，執行下面指令會產生hello.html和hello.js兩個文件，其中hello.js和a.out.js內容是完全一樣的。
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然後在瀏覽器開啟hello.html，可以看到頁面
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檔案是透過XHR非同步載入的，用
file:////存取會報錯，所以我們需要啟動一個伺服器。
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++函數前面的Hello, WebAssembly!都是main函數直接打出來的，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++實作某個函式進行耗時的計算，然後編譯成wasm，暴露給js去呼叫。
#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。 透過命令列參數暴露APIemcc -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" add.c -o add.js注意方法名稱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]));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然後在產生的add.html中加入以下程式碼：
<button onclick="nativeAdd()">click</button>
<script type='text/javascript'>
function nativeAdd() {
const result = Module.ccall('add', 'number', ['number', 'number'], [2, 3]);
alert(result);
}
</script>然後點擊button，就可以看到執行結果了。 Module.ccall會直接調用C/C++程式碼的方法，更通用的場景是我們取得到一個包裝過的函數，可以在js裡面反覆調用，這需要用Module.cwrap，具體細節可以參看文檔。 const cAdd = add_module.cwrap('add', 'number', ['number', 'number']); console.log(cAdd(2, 3)); console.log(cAdd(2, 4));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;
}執行指令：emcc add2.c -o add2.html同樣在add2.html中加入程式碼：
<button onclick="nativeAdd()">click</button>
<script type='text/javascript'>
function nativeAdd() {
const result = Module.ccall('add', 'number', ['number', 'number'], [2, 3]);
alert(result);
}
</script>但是，當你點擊button的時候，報錯：Assertion failed: the runtime was exited (use NO_EXIT_RUNTIME to keep it alive after main() exits)
可以通过在main()中添加emscripten_exit_with_live_runtime()解决：
#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行中添加-s NO_EXIT_RUNTIME=1来解决，
emcc add2.c -o add2.js -s NO_EXIT_RUNTIME=1
不过会报一个警告：
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)
所以建议采用第一种方法。
上述生成的代码都是asm.js，只需要在编译参数中添加-s WASM=1中就可以生成wasm，然后使用方法都一样。
用asm.js和WebAssembly执行耗时计算
前面准备工作都做完了， 现在我们来试一下用C代码来优化前一篇中提过的问题。代码很简单：
// 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编译的时候需要把跟emscriten相关的两行代码注释掉，否则编译不过。 我们先直接用gcc编译成native code看看代码运行多块呢？
➜ 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
可以看到有没有优化差别还是很大的，优化过的代码执行时间是3ms!。really？仔细想想，我for循环了10亿次啊，每次for执行大概是两次加法，两次赋值，一次比较，而我总共做了两次for循环，也就是说至少是100亿次操作，而我的mac pro是2.5 GHz Intel Core i7，所以1s应该也就执行25亿次CPU指令操作吧，怎么可能逆天到这种程度，肯定是哪里错了。想起之前看到的一篇rust测试性能的文章，说rust直接在编译的时候算出了答案， 然后把结果直接写到了编译出来的代码里， 不知道gcc是不是也做了类似的事情。在知乎上GCC中-O1 -O2 -O3 优化的原理是什么？这篇文章里， 还真有loop-invariant code motion（LICM）针对for的优化，所以我把代码增加了一些if判断，希望能“糊弄”得了gcc的优化。
#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;
}执行结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
ok，我们来编译成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;
}
执行
emcc sum.c -o sum.html然后在sum.html中添加代码
<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;// 总次数1亿
t1 = Date.now();
result = jsSum(0, N);
t2 = Date.now();
console.log(`result: ${result}, cost time: ${t2 - t1}`);
}
</script>
另外，我们修改成编译成WebAssembly看看效果呢？
emcc sum.c -o sum.js -s WASM=1感觉Firefox有点不合理啊， 默认的JS太强了吧。然后觉得webassembly也没有特别强啊，突然发现emcc编译的时候没有指定优化选项-O2。再来一次：
emcc -O2 sum.c -o sum.js # for asm.js emcc -O2 sum.c -o sum.js -s WASM=1 # for webassembly
居然没什么变化， 大失所望。号称asm.js可以达到native的50%速度么，这个倒是好像达到了。但是今年Compiling for the Web with WebAssembly (Google I/O ‘17)里说WebAssembly是1.2x slower than native code，感觉不对呢。asm.js还有一个好处是，它就是js，所以即使浏览器不支持，也能当成不同的js执行，只是没有加速效果。当然WebAssembly受到各大厂商一致推崇，作为一个新的标准，肯定前景会更好，期待会有更好的表现。
这就是asm.js & webassembly与web高性能计算的关系了，之后还有想法写一份结合Rust做WebAssembly的文章，有兴趣的朋友可以持续关注。
以上是asm.js & webassembly-WEB的高效能運算的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！