Mengompilasi mkbitmap ke WebAssembly

Thomas Steiner

Di Apa itu WebAssembly dan dari mana asalnya?, Saya menjelaskan bagaimana kita sampai pada WebAssembly saat ini. Dalam artikel ini, saya akan menunjukkan pendekatan saya untuk mengompilasi program C yang ada, mkbitmap, ke WebAssembly. Contoh ini lebih kompleks daripada contoh hello world, karena mencakup penggunaan file, komunikasi antara WebAssembly dan JavaScript, serta menggambar ke kanvas, tetapi masih cukup mudah dikelola sehingga tidak membebani Anda.

Artikel ini ditulis untuk developer web yang ingin mempelajari WebAssembly dan menunjukkan langkah demi langkah cara melanjutkan jika Anda ingin mengompilasi sesuatu seperti mkbitmap ke WebAssembly. Sebagai peringatan yang adil, tidak mengompilasi aplikasi atau library pada pengoperasian pertama adalah hal yang wajar, itulah sebabnya beberapa langkah yang dijelaskan di bawah akhirnya tidak berfungsi, jadi saya harus mundur dan mencoba lagi dengan cara yang berbeda. Artikel ini tidak menampilkan perintah kompilasi akhir ajaib seolah-olah telah jatuh dari langit, tetapi menggambarkan progres saya yang sebenarnya, termasuk beberapa frustrasi.

Tentang mkbitmap

Program C mkbitmap membaca gambar dan menerapkan satu atau beberapa operasi berikut ke gambar tersebut, dalam urutan ini: inversi, pemfilteran highpass, penskalaan, dan penetapan nilai minimum. Setiap operasi dapat dikontrol dan diaktifkan atau dinonaktifkan secara terpisah. Penggunaan utama mkbitmap adalah untuk mengonversi gambar warna atau hitam putih menjadi format yang sesuai sebagai input untuk program lain, terutama program pelacakan potrace yang membentuk dasar SVGcode. Sebagai alat pra-pemrosesan, mkbitmap sangat berguna untuk mengonversi gambar garis yang dipindai, seperti kartun atau teks tulisan tangan, menjadi gambar dua tingkat beresolusi tinggi.

Anda menggunakan mkbitmap dengan meneruskan sejumlah opsi dan satu atau beberapa nama file. Untuk mengetahui semua detailnya, lihat halaman manual alat:

$ mkbitmap [options] [filename...]
Gambar kartun berwarna.
Gambar asli (Sumber).
Gambar kartun dikonversi menjadi hitam putih setelah pra-pemrosesan.
Pertama diskalakan, lalu dihitung nilai minimumnya: mkbitmap -f 2 -s 2 -t 0.48 (Sumber).

Mendapatkan kode

Langkah pertama adalah mendapatkan kode sumber mkbitmap. Anda dapat menemukannya di situs project. Pada saat penulisan ini, potrace-1.16.tar.gz adalah versi terbaru.

Mengompilasi dan menginstal secara lokal

Langkah berikutnya adalah mengompilasi dan menginstal alat secara lokal untuk mengetahui perilakunya. File INSTALL berisi petunjuk berikut:

  1. cd ke direktori yang berisi kode sumber paket dan ketik ./configure untuk mengonfigurasi paket untuk sistem Anda.

    Menjalankan configure mungkin memerlukan waktu beberapa saat. Saat berjalan, kode ini akan mencetak beberapa pesan yang memberitahu fitur mana yang diperiksa.

  2. Ketik make untuk mengompilasi paket.

  3. Secara opsional, ketik make check untuk menjalankan pengujian mandiri apa pun yang disertakan dengan paket, biasanya menggunakan biner yang baru saja di-build dan belum diinstal.

  4. Ketik make install untuk menginstal program serta file data dan dokumentasi. Saat menginstal ke awalan yang dimiliki oleh root, sebaiknya paket dikonfigurasi dan di-build sebagai pengguna reguler, dan hanya fase make install yang dijalankan dengan hak istimewa root.

Dengan mengikuti langkah-langkah ini, Anda akan mendapatkan dua file yang dapat dieksekusi, yaitu potrace dan mkbitmap—yang terakhir adalah fokus artikel ini. Anda dapat memverifikasi bahwa fungsi ini berfungsi dengan benar dengan menjalankan mkbitmap --version. Berikut adalah output dari keempat langkah mesin saya, yang dipangkas secara ketat agar singkat:

Langkah 1, ./configure:

 $ ./configure
checking for a BSD-compatible install... /usr/bin/install -c
checking whether build environment is sane... yes
checking for a thread-safe mkdir -p... ./install-sh -c -d
checking for gawk... no
checking for mawk... no
checking for nawk... no
checking for awk... awk
checking whether make sets $(MAKE)... yes
[…]
config.status: executing libtool commands

Langkah 2, make:

$ make
/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/usr/bin/make  all-recursive
Making all in src
clang -DHAVE_CONFIG_H -I. -I..     -g -O2 -MT main.o -MD -MP -MF .deps/main.Tpo -c -o main.o main.c
mv -f .deps/main.Tpo .deps/main.Po
[…]
make[2]: Nothing to be done for `all-am'.

Langkah 3, make check:

$ make check
Making check in src
make[1]: Nothing to be done for `check'.
Making check in doc
make[1]: Nothing to be done for `check'.
[…]
============================================================================
Testsuite summary for potrace 1.16
============================================================================
# TOTAL: 8
# PASS:  8
# SKIP:  0
# XFAIL: 0
# FAIL:  0
# XPASS: 0
# ERROR: 0
============================================================================
make[1]: Nothing to be done for `check-am'.

Langkah 4, sudo make install:

$ sudo make install
Password:
Making install in src
 .././install-sh -c -d '/usr/local/bin'
  /bin/sh ../libtool   --mode=install /usr/bin/install -c potrace mkbitmap '/usr/local/bin'
[…]
make[2]: Nothing to be done for `install-data-am'.

Untuk memeriksa apakah berhasil, jalankan mkbitmap --version:

$ mkbitmap --version
mkbitmap 1.16. Copyright (C) 2001-2019 Peter Selinger.

Jika Anda mendapatkan detail versi, berarti Anda telah berhasil mengompilasi dan menginstal mkbitmap. Selanjutnya, buat langkah-langkah yang setara dengan langkah-langkah ini berfungsi dengan WebAssembly.

Mengompilasi mkbitmap ke WebAssembly

Emscripten adalah alat untuk mengompilasi program C/C++ ke WebAssembly. Dokumentasi Mem-build Project Emscripten menyatakan hal berikut:

Mem-build project besar dengan Emscripten sangat mudah. Emscripten menyediakan dua skrip sederhana yang mengonfigurasi makefile Anda agar menggunakan emcc sebagai pengganti langsung untuk gcc—umumnya sistem build project Anda saat ini tidak berubah.

Dokumentasi kemudian berlanjut (sedikit diedit agar lebih ringkas):

Pertimbangkan kasus saat Anda biasanya mem-build dengan perintah berikut:

./configure
make

Untuk mem-build dengan Emscripten, Anda akan menggunakan perintah berikut:

emconfigure ./configure
emmake make

Jadi, pada dasarnya, ./configure menjadi emconfigure ./configure dan make menjadi emmake make. Berikut ini menunjukkan cara melakukannya dengan mkbitmap.

Langkah 0, make clean:

$ make clean
Making clean in src
 rm -f potrace mkbitmap
test -z "" || rm -f
rm -rf .libs _libs
[…]
rm -f *.lo

Langkah 1, emconfigure ./configure:

$ emconfigure ./configure
configure: ./configure
checking for a BSD-compatible install... /usr/bin/install -c
checking whether build environment is sane... yes
checking for a thread-safe mkdir -p... ./install-sh -c -d
checking for gawk... no
checking for mawk... no
checking for nawk... no
checking for awk... awk
[…]
config.status: executing libtool commands

Langkah 2, emmake make:

$ emmake make
make: make
/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/usr/bin/make  all-recursive
Making all in src
/opt/homebrew/Cellar/emscripten/3.1.36/libexec/emcc -DHAVE_CONFIG_H -I. -I..     -g -O2 -MT main.o -MD -MP -MF .deps/main.Tpo -c -o main.o main.c
mv -f .deps/main.Tpo .deps/main.Po
[…]
make[2]: Nothing to be done for `all'.

Jika semuanya berjalan lancar, sekarang akan ada file .wasm di suatu tempat dalam direktori. Anda dapat menemukannya dengan menjalankan find . -name "*.wasm":

$ find . -name "*.wasm"
./a.wasm
./src/mkbitmap.wasm
./src/potrace.wasm

Dua yang terakhir terlihat menjanjikan, jadi cd masuk ke direktori src/. Sekarang juga ada dua file baru yang sesuai, mkbitmap dan potrace. Untuk artikel ini, hanya mkbitmap yang relevan. Fakta bahwa file tersebut tidak memiliki ekstensi .js sedikit membingungkan, tetapi sebenarnya file tersebut adalah file JavaScript, yang dapat diverifikasi dengan panggilan head cepat:

$ cd src/
$ head -n 20 mkbitmap
// include: shell.js
// The Module object: Our interface to the outside world. We import
// and export values on it. There are various ways Module can be used:
// 1. Not defined. We create it here
// 2. A function parameter, function(Module) { ..generated code.. }
// 3. pre-run appended it, var Module = {}; ..generated code..
// 4. External script tag defines var Module.
// We need to check if Module already exists (e.g. case 3 above).
// Substitution will be replaced with actual code on later stage of the build,
// this way Closure Compiler will not mangle it (e.g. case 4. above).
// Note that if you want to run closure, and also to use Module
// after the generated code, you will need to define   var Module = {};
// before the code. Then that object will be used in the code, and you
// can continue to use Module afterwards as well.
var Module = typeof Module != 'undefined' ? Module : {};

// --pre-jses are emitted after the Module integration code, so that they can
// refer to Module (if they choose; they can also define Module)

Ganti nama file JavaScript menjadi mkbitmap.js dengan memanggil mv mkbitmap mkbitmap.js (dan mv potrace potrace.js masing-masing jika Anda mau). Sekarang saatnya untuk pengujian pertama untuk melihat apakah file berfungsi dengan menjalankan file dengan Node.js di command line dengan menjalankan node mkbitmap.js --version:

$ node mkbitmap.js --version
mkbitmap 1.16. Copyright (C) 2001-2019 Peter Selinger.

Anda berhasil mengompilasi mkbitmap ke WebAssembly. Sekarang, langkah berikutnya adalah membuatnya berfungsi di browser.

mkbitmap dengan WebAssembly di browser

Salin file mkbitmap.js dan mkbitmap.wasm ke direktori baru bernama mkbitmap dan buat file boilerplate HTML index.html yang memuat file JavaScript mkbitmap.js.

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
  <head>
    <meta charset="utf-8" />
    <title>mkbitmap</title>
  </head>
  <body>
    <script src="mkbitmap.js"></script>
  </body>
</html>

Mulai server lokal yang menayangkan direktori mkbitmap dan buka di browser Anda. Anda akan melihat perintah yang meminta Anda untuk memasukkan input. Hal ini sudah diharapkan, karena, sesuai dengan halaman utama alat, "[i]jika tidak ada argumen nama file yang diberikan, maka mkbitmap bertindak sebagai filter, yang membaca dari input standar", yang secara default untuk Emscripten adalah prompt().

Aplikasi mkbitmap menampilkan perintah yang meminta input.

Mencegah eksekusi otomatis

Agar mkbitmap tidak langsung dieksekusi dan harus menunggu input pengguna, Anda perlu memahami objek Module Emscripten. Module adalah objek JavaScript global dengan atribut yang dipanggil kode yang dihasilkan Emscripten di berbagai titik dalam eksekusinya. Anda dapat menyediakan implementasi Module untuk mengontrol eksekusi kode. Saat aplikasi Emscripten dimulai, aplikasi akan melihat nilai pada objek Module dan menerapkannya.

Untuk mkbitmap, tetapkan Module.noInitialRun ke true untuk mencegah operasi awal yang menyebabkan prompt muncul. Buat skrip bernama script.js, sertakan sebelum <script src="mkbitmap.js"></script> di index.html, lalu tambahkan kode berikut ke script.js. Saat Anda memuat ulang aplikasi, perintah akan hilang.

var Module = {
  // Don't run main() at page load
  noInitialRun: true,
};

Membuat build modular dengan beberapa flag build lainnya

Untuk memberikan input ke aplikasi, Anda dapat menggunakan dukungan sistem file Emscripten di Module.FS. Bagian Include File System Support pada status dokumentasi:

Emscripten memutuskan apakah akan menyertakan dukungan sistem file secara otomatis. Banyak program yang tidak memerlukan file, dan dukungan sistem file tidak dapat diabaikan ukurannya, sehingga Emscripten menghindari penyertaannya jika tidak melihat alasan untuk melakukannya. Artinya, jika kode C/C++ Anda tidak mengakses file, objek FS dan API sistem file lainnya tidak akan disertakan dalam output. Selain itu, di sisi lain, jika kode C/C++ Anda menggunakan file, dukungan sistem file akan disertakan secara otomatis.

Sayangnya, mkbitmap adalah salah satu kasus saat Emscripten tidak menyertakan dukungan sistem file secara otomatis, sehingga Anda harus secara eksplisit memberi tahu Emscripten untuk melakukannya. Artinya, Anda harus mengikuti langkah-langkah emconfigure dan emmake yang dijelaskan sebelumnya, dengan beberapa flag lainnya yang ditetapkan melalui argumen CFLAGS. Penanda berikut mungkin juga berguna untuk proyek-proyek lain.

Selain itu, dalam kasus khusus ini, Anda perlu menetapkan flag --host ke wasm32 untuk memberi tahu skrip configure yang Anda kompilasi untuk WebAssembly.

Perintah emconfigure akhir terlihat seperti ini:

$ emconfigure ./configure --host=wasm32 CFLAGS='-sFILESYSTEM=1 -sEXPORTED_RUNTIME_METHODS=FS,callMain -sMODULARIZE=1 -sEXPORT_ES6 -sINVOKE_RUN=0'

Jangan lupa untuk menjalankan emmake make lagi dan menyalin file yang baru dibuat ke folder mkbitmap.

Ubah index.html agar hanya memuat modul ES script.js, tempat Anda kemudian mengimpor modul mkbitmap.js.

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
  <head>
    <meta charset="utf-8" />
    <title>mkbitmap</title>
  </head>
  <body>
    <!-- No longer load `mkbitmap.js` here -->
    <script src="script.js" type="module"></script>
  </body>
</html>

// This is `script.js`.
import loadWASM from './mkbitmap.js';

const run = async () => {
  const Module = await loadWASM();
  console.log(Module);
};

run();

Saat membuka aplikasi sekarang di browser, Anda akan melihat objek Module dicatat ke dalam konsol DevTools, dan prompt akan hilang, karena fungsi main() dari mkbitmap tidak lagi dipanggil di awal.

Aplikasi mkbitmap dengan layar putih, yang menampilkan objek Modul yang dicatat ke konsol DevTools.

Menjalankan fungsi utama secara manual

Langkah berikutnya adalah memanggil fungsi main() mkbitmap secara manual dengan menjalankan Module.callMain(). Fungsi callMain() menggunakan array argumen, yang cocok satu per satu dengan argumen yang akan Anda teruskan di command line. Jika di command line Anda akan menjalankan mkbitmap -v, Anda akan memanggil Module.callMain(['-v']) di browser. Tindakan ini akan mencatat nomor versi mkbitmap ke konsol DevTools.

// This is `script.js`.
import loadWASM from './mkbitmap.js';

const run = async () => {
  const Module = await loadWASM();
  Module.callMain(['-v']);
};

run();

Aplikasi mkbitmap dengan layar putih, yang menampilkan nomor versi mkbitmap yang dicatat ke konsol DevTools.

Mengalihkan output standar

Output standar (stdout) secara default adalah konsol. Namun, Anda dapat mengalihkannya ke hal lain, misalnya, fungsi yang menyimpan output ke variabel. Artinya, Anda dapat menambahkan output ke HTML dengan menetapkan properti Module.print.

// This is `script.js`.
import loadWASM from './mkbitmap.js';

const run = async () => {
  let consoleOutput = 'Powered by ';
  const Module = await loadWASM({
    print: (text) => (consoleOutput += text),
  });
  Module.callMain(['-v']);
  document.body.textContent = consoleOutput;
};

run();

Aplikasi mkbitmap yang menampilkan nomor versi mkbitmap.

Mendapatkan file input ke dalam sistem file memori

Untuk memasukkan file input ke dalam sistem file memori, Anda memerlukan mkbitmap filename yang setara di command line. Untuk memahami cara saya menangani hal ini, pertama-tama, beberapa latar belakang tentang cara mkbitmap mengharapkan input dan membuat outputnya.

Format input mkbitmap yang didukung adalah PNM (PBM, PGM, PPM) dan BMP. Format output adalah PBM untuk bitmap, dan PGM untuk graymap. Jika argumen filename diberikan, mkbitmap secara default akan membuat file output yang namanya diperoleh dari nama file input dengan mengubah akhirannya menjadi .pbm. Misalnya, untuk nama file input example.bmp, nama file output-nya adalah example.pbm.

Emscripten menyediakan sistem file virtual yang menyimulasikan sistem file lokal, sehingga kode native yang menggunakan API file sinkron dapat dikompilasi dan dijalankan dengan sedikit atau tanpa perubahan. Agar mkbitmap dapat membaca file input seolah-olah diteruskan sebagai argumen command line filename, Anda harus menggunakan objek FS yang disediakan Emscripten.

Objek FS didukung oleh sistem file dalam memori (biasanya disebut sebagai MEMFS) dan memiliki fungsi writeFile() yang Anda gunakan untuk menulis file ke sistem file virtual. Anda menggunakan writeFile() seperti yang ditunjukkan dalam contoh kode berikut.

Untuk memastikan bahwa operasi tulis file berhasil, jalankan fungsi readdir() objek FS dengan parameter '/'. Anda akan melihat example.bmp dan sejumlah file default yang selalu dibuat secara otomatis.

Perhatikan bahwa panggilan sebelumnya ke Module.callMain(['-v']) untuk mencetak nomor versi telah dihapus. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa Module.callMain() adalah fungsi yang umumnya hanya diharapkan untuk dijalankan sekali.

// This is `script.js`.
import loadWASM from './mkbitmap.js';

const run = async () => {
  const Module = await loadWASM();
  const buffer = await fetch('https://example.com/example.bmp').then((res) => res.arrayBuffer());
  Module.FS.writeFile('example.bmp', new Uint8Array(buffer));
  console.log(Module.FS.readdir('/'));
};

run();

Aplikasi mkbitmap yang menampilkan array file dalam sistem file memori, termasuk example.bmp.

Eksekusi sebenarnya pertama

Setelah semuanya siap, jalankan mkbitmap dengan menjalankan Module.callMain(['example.bmp']). Catat konten folder '/' MEMFS, dan Anda akan melihat file output example.pbm yang baru dibuat di samping file input example.bmp.

// This is `script.js`.
import loadWASM from './mkbitmap.js';

const run = async () => {
  const Module = await loadWASM();
  const buffer = await fetch('https://example.com/example.bmp').then((res) => res.arrayBuffer());
  Module.FS.writeFile('example.bmp', new Uint8Array(buffer));
  Module.callMain(['example.bmp']);
  console.log(Module.FS.readdir('/'));
};

run();

Aplikasi mkbitmap yang menampilkan array file dalam sistem file memori, termasuk example.bmp dan example.pbm.

Mendapatkan file output dari sistem file memori

Fungsi readFile() objek FS memungkinkan mendapatkan example.pbm yang dibuat pada langkah terakhir dari sistem file memori. Fungsi ini menampilkan Uint8Array yang Anda konversi menjadi objek File dan simpan ke disk, karena browser umumnya tidak mendukung file PBM untuk dilihat langsung di browser. (Ada cara yang lebih elegan untuk menyimpan file, tetapi menggunakan <a download> yang dibuat secara dinamis adalah cara yang paling banyak didukung.) Setelah file disimpan, Anda dapat membukanya di penampil gambar favorit.

// This is `script.js`.
import loadWASM from './mkbitmap.js';

const run = async () => {
  const Module = await loadWASM();
  const buffer = await fetch('https://example.com/example.bmp').then((res) => res.arrayBuffer());
  Module.FS.writeFile('example.bmp', new Uint8Array(buffer));
  Module.callMain(['example.bmp']);
  const output = Module.FS.readFile('example.pbm', { encoding: 'binary' });
  const file = new File([output], 'example.pbm', {
    type: 'image/x-portable-bitmap',
  });
  const a = document.createElement('a');
  a.href = URL.createObjectURL(file);
  a.download = file.name;
  a.click();
};

run();

macOS Finder dengan pratinjau file .bmp input dan file .pbm output.

Menambahkan UI interaktif

Sampai tahap ini, file input di-hardcode dan mkbitmap berjalan dengan parameter default. Langkah terakhir adalah mengizinkan pengguna memilih file input secara dinamis, menyesuaikan parameter mkbitmap, lalu menjalankan alat dengan opsi yang dipilih.

// Corresponds to `mkbitmap -o output.pbm input.bmp -s 8 -3 -f 4 -t 0.45`.
Module.callMain(['-o', 'output.pbm', 'input.bmp', '-s', '8', '-3', '-f', '4', '-t', '0.45']);

Format gambar PBM tidak terlalu sulit untuk diuraikan, sehingga dengan beberapa kode JavaScript, Anda bahkan dapat menampilkan pratinjau gambar output. Lihat kode sumber demo tersemat di bawah untuk mengetahui salah satu cara melakukannya.

Kesimpulan

Selamat, Anda telah berhasil mengompilasi mkbitmap ke WebAssembly dan membuatnya berfungsi di browser. Ada beberapa jalan buntu dan Anda harus mengompilasi alat lebih dari sekali hingga berhasil, tetapi seperti yang saya tulis di atas, itu adalah bagian dari pengalaman. Ingat juga tag webassembly StackOverflow jika Anda mengalami kesulitan. Selamat mengompilasi!

Ucapan terima kasih

Artikel ini ditinjau oleh Sam Clegg dan Rachel Andrew.