本指南適用於希望從 WebAssembly 中獲益的網頁開發人員，您將學習如何利用 Wasm 將 CPU 密集型工作外包，並透過執行範例瞭解相關操作。這份指南涵蓋的範圍廣泛，從載入 Wasm 模組的最佳做法，到最佳化編譯和例項化程序，應有盡有。這篇文章會進一步討論將 CPU 密集型工作轉移至 Web Worker，並探討您將面臨的實作決策，例如何時建立 Web Worker，以及是否要讓 Web Worker 永久運作，或在需要時才啟動。本指南會逐步開發方法，並逐一介紹效能模式，直到建議最佳解決方案為止。
假設
假設您有非常 CPU 密集的工作，且想要外包給 WebAssembly (Wasm)，以便獲得接近原生效能。本指南中用來示範 CPU 密集工作的工作，是計算某個數字的階乘。階乘是整數與其下方所有整數的乘積。舉例來說，4 的階乘 (寫為 4!) 等於 24 (即 4 * 3 * 2 * 1)。數字會迅速變大。例如 16! 是 2,004,189,184。更貼近實際的 CPU 密集型工作例子，可能是掃描條碼或追蹤點陣圖。
下列以 C++ 編寫的程式碼範例，顯示了 factorial() 函式的高效迭代 (而非遞迴) 實作方式。
#include <stdint.h>
extern "C" {
// Calculates the factorial of a non-negative integer n.
uint64_t factorial(unsigned int n) {
uint64_t result = 1;
for (unsigned int i = 2; i <= n; ++i) {
result *= i;
}
return result;
}
}
在本文的其餘部分中，我們假設有一個 Wasm 模組，其編譯方式是使用 Emscripten 在名為 factorial.wasm 的檔案中，以所有程式碼最佳化最佳做法編譯這個 factorial() 函式。如要瞭解如何執行此操作，請參閱「使用 ccall/cwrap 從 JavaScript 呼叫已編譯的 C 函式」。我們使用以下指令將 factorial.wasm 編譯為獨立 Wasm。
emcc -O3 factorial.cpp -o factorial.wasm -s WASM_BIGINT -s EXPORTED_FUNCTIONS='["_factorial"]' --no-entry
在 HTML 中，form 包含 input，並與 output 和提交 button 配對。這些元素會根據其名稱，從 JavaScript 中參照。
<form>
<label>The factorial of <input type="text" value="12" /></label> is
<output>479001600</output>.
<button type="submit">Calculate</button>
</form>
const input = document.querySelector('input');
const output = document.querySelector('output');
const button = document.querySelector('button');
載入、編譯及模組例項化
您必須先載入 Wasm 模組，才能使用該模組。在網頁上，這項作業會透過 fetch() API 執行。您知道網頁應用程式會依賴 Wasm 模組來執行 CPU 密集工作，因此應盡早預先載入 Wasm 檔案。您可以在應用程式的 <head> 區段中，使用支援 CORS 的擷取功能執行這項操作。
<link rel="preload" as="fetch" href="factorial.wasm" crossorigin />
實際上，fetch() API 是非同步的，您需要 await 結果。
fetch('factorial.wasm');
接下來，請編譯並例項化 Wasm 模組。針對這些工作，有許多名稱誘人的函式，例如 WebAssembly.compile() (加上 WebAssembly.compileStreaming()) 和 WebAssembly.instantiate()，但 WebAssembly.instantiateStreaming() 方法會直接從 fetch() 等串流基礎來源編譯並例項化 Wasm 模組，因此不需要 await。這是載入 Wasm 程式碼最有效率且經過最佳化的做法。假設 Wasm 模組匯出 factorial() 函式，您就可以立即使用該函式。
const importObject = {};
const resultObject = await WebAssembly.instantiateStreaming(
fetch('factorial.wasm'),
importObject,
);
const factorial = resultObject.instance.exports.factorial;
button.addEventListener('click', (e) => {
e.preventDefault();
output.textContent = factorial(parseInt(input.value, 10));
});
將工作轉移至 Web Worker
如果您在主執行緒上執行這項作業，且使用需要大量 CPU 的工作，就可能會阻斷整個應用程式。常見做法是將這類工作移至 Web Worker。
主執行緒的重構
如要將耗用大量 CPU 的工作移至 Web Worker，第一步是重新建構應用程式。主執行緒現在會建立 Worker，除了這個動作之外，只會處理將輸入內容傳送至 Web Worker，然後接收輸出內容並顯示。
/* Main thread. */
let worker = null;
// When the button is clicked, submit the input value
// to the Web Worker.
button.addEventListener('click', (e) => {
e.preventDefault();
// Create the Web Worker lazily on-demand.
if (!worker) {
worker = new Worker('worker.js');
// Listen for incoming messages and display the result.
worker.addEventListener('message', (e) => {
output.textContent = e.result;
});
}
worker.postMessage({ integer: parseInt(input.value, 10) });
});
錯誤：工作在 Web Worker 中執行，但程式碼有競爭狀態
Web Worker 會將 Wasm 模組例項化，並在收到訊息時執行需要大量 CPU 資源的工作，並將結果傳回主執行緒。這種做法的問題是，使用 WebAssembly.instantiateStreaming() 將 Wasm 模組例項化為非同步作業。這表示程式碼有競爭狀態。在最糟的情況下，主執行緒會在 Web Worker 尚未就緒時傳送資料，而 Web Worker 永遠不會收到訊息。
/* Worker thread. */
// Instantiate the Wasm module.
// 🚫 This code is racy! If a message comes in while
// the promise is still being awaited, it's lost.
const importObject = {};
const resultObject = await WebAssembly.instantiateStreaming(
fetch('factorial.wasm'),
importObject,
);
const factorial = resultObject.instance.exports.factorial;
// Listen for incoming messages, run the task,
// and post the result.
self.addEventListener('message', (e) => {
const { integer } = e.data;
self.postMessage({ result: factorial(integer) });
});
較佳做法：任務在 Web Worker 中執行，但可能會產生多餘的載入和編譯作業
解決 Wasm 模組非同步例項化問題的其中一個方法，就是將 Wasm 模組的載入、編譯和例項化作業全部移至事件事件監聽器，但這表示每收到一則訊息就必須執行這項作業。由於 HTTP 快取和 HTTP 快取可快取編譯的 Wasm 位元碼，因此這並非最糟糕的解決方案，但還是有更好的方法。
將非同步程式碼移至 Web Worker 的開頭，並非實際等待承諾完成，而是將承諾儲存在變數中，這樣程式就會立即移至程式碼的事件事件監聽器部分，不會遺失來自主執行緒的訊息。在事件事件監聽器中，可以等待承諾。
/* Worker thread. */
const importObject = {};
// Instantiate the Wasm module.
// 🚫 If the `Worker` is spun up frequently, the loading
// compiling, and instantiating work will happen every time.
const wasmPromise = WebAssembly.instantiateStreaming(
fetch('factorial.wasm'),
importObject,
);
// Listen for incoming messages
self.addEventListener('message', async (e) => {
const { integer } = e.data;
const resultObject = await wasmPromise;
const factorial = resultObject.instance.exports.factorial;
const result = factorial(integer);
self.postMessage({ result });
});
良好：工作會在 Web Worker 中執行，且只會載入及編譯一次
靜態 WebAssembly.compileStreaming() 方法的結果是解析為 WebAssembly.Module 的承諾。這個物件的一項優點是，可以使用 postMessage() 進行轉移。也就是說，Wasm 模組只需在主執行緒 (甚至是另一個純粹負責載入和編譯的 Web Worker) 中載入及編譯一次，然後轉移至負責 CPU 密集工作的工作站。以下程式碼顯示這個流程。
/* Main thread. */
const modulePromise = WebAssembly.compileStreaming(fetch('factorial.wasm'));
let worker = null;
// When the button is clicked, submit the input value
// and the Wasm module to the Web Worker.
button.addEventListener('click', async (e) => {
e.preventDefault();
// Create the Web Worker lazily on-demand.
if (!worker) {
worker = new Worker('worker.js');
// Listen for incoming messages and display the result.
worker.addEventListener('message', (e) => {
output.textContent = e.result;
});
}
worker.postMessage({
integer: parseInt(input.value, 10),
module: await modulePromise,
});
});
在 Web Worker 端，只需擷取 WebAssembly.Module 物件並將其例項化即可。由於含有 WebAssembly.Module 的訊息不會串流，Web Worker 中的程式碼現在會使用 WebAssembly.instantiate()，而非先前的 instantiateStreaming() 變體。經過建構的模組會在變數中快取，因此啟動 Web Worker 時，只需要執行一次建構作業。
/* Worker thread. */
let instance = null;
// Listen for incoming messages
self.addEventListener('message', async (e) => {
// Extract the `WebAssembly.Module` from the message.
const { integer, module } = e.data;
const importObject = {};
// Instantiate the Wasm module that came via `postMessage()`.
instance = instance || (await WebAssembly.instantiate(module, importObject));
const factorial = instance.exports.factorial;
const result = factorial(integer);
self.postMessage({ result });
});
完美：工作會在內嵌 Web Worker 中執行，且只載入及編譯一次
即使使用 HTTP 快取，取得 (理想的) 快取 Web Worker 程式碼，並可能命中網路的成本仍相當高。常見的效能技巧是將 Web Worker 內嵌，並以 blob: 網址載入。這項操作仍需要將編譯的 Wasm 模組傳遞至 Web Worker 以進行例項化，因為 Web Worker 和主執行緒的內容不同，即使它們是根據相同的 JavaScript 來源檔案建立也一樣。
/* Main thread. */
const modulePromise = WebAssembly.compileStreaming(fetch('factorial.wasm'));
let worker = null;
const blobURL = URL.createObjectURL(
new Blob(
[
`
let instance = null;
self.addEventListener('message', async (e) => {
// Extract the \`WebAssembly.Module\` from the message.
const {integer, module} = e.data;
const importObject = {};
// Instantiate the Wasm module that came via \`postMessage()\`.
instance = instance || await WebAssembly.instantiate(module, importObject);
const factorial = instance.exports.factorial;
const result = factorial(integer);
self.postMessage({result});
});
`,
],
{ type: 'text/javascript' },
),
);
button.addEventListener('click', async (e) => {
e.preventDefault();
// Create the Web Worker lazily on-demand.
if (!worker) {
worker = new Worker(blobURL);
// Listen for incoming messages and display the result.
worker.addEventListener('message', (e) => {
output.textContent = e.result;
});
}
worker.postMessage({
integer: parseInt(input.value, 10),
module: await modulePromise,
});
});
建立延遲或立即執行的 Web Worker
到目前為止，所有程式碼範例都會在按下按鈕時，以按需方式啟動 Web Worker。視應用程式而定，您可能需要更積極地建立 Web Worker，例如在應用程式閒置時，甚至是應用程式引導程序的一部分。因此，請將 Web Worker 建立程式碼移至按鈕的事件監聽器之外。
const worker = new Worker(blobURL);
// Listen for incoming messages and display the result.
worker.addEventListener('message', (e) => {
output.textContent = e.result;
});
是否保留 Web Worker
您可能會問自己一個問題，那就是應否永久保留 Web Worker，或是在需要時才重新建立。這兩種做法都有可能實現，各有優缺點。舉例來說，如果您永久保留 Web Worker，可能會增加應用程式的記憶體占用空間，並使處理並行工作變得更加困難，因為您需要以某種方式將來自 Web Worker 的結果對應回要求。另一方面，Web Worker 的引導程式碼可能相當複雜，因此如果每次都建立新的引導程式碼，可能會造成大量額外負擔。幸好，您可以使用 User Timing API 來評估這項資訊。
目前的程式碼範例會保留一個永久的 Web Worker。以下程式碼範例會在需要時建立新的 Web Worker 臨時工作。請注意，您需要自行追蹤終止 Web Worker 的情況。(程式碼片段會略過錯誤處理，但如果發生錯誤，請務必在所有情況下 (成功或失敗) 結束)。)
/* Main thread. */
let worker = null;
const modulePromise = WebAssembly.compileStreaming(fetch('factorial.wasm'));
const blobURL = URL.createObjectURL(
new Blob(
[
`
// Caching the instance means you can switch between
// throw-away and permanent Web Worker freely.
let instance = null;
self.addEventListener('message', async (e) => {
// Extract the \`WebAssembly.Module\` from the message.
const {integer, module} = e.data;
const importObject = {};
// Instantiate the Wasm module that came via \`postMessage()\`.
instance = instance || await WebAssembly.instantiate(module, importObject);
const factorial = instance.exports.factorial;
const result = factorial(integer);
self.postMessage({result});
});
`,
],
{ type: 'text/javascript' },
),
);
button.addEventListener('click', async (e) => {
e.preventDefault();
// Terminate a potentially running Web Worker.
if (worker) {
worker.terminate();
}
// Create the Web Worker lazily on-demand.
worker = new Worker(blobURL);
worker.addEventListener('message', (e) => {
worker.terminate();
worker = null;
output.textContent = e.data.result;
});
worker.postMessage({
integer: parseInt(input.value, 10),
module: await modulePromise,
});
});
示範
我們提供兩個範例供您試用。一個使用臨時 Web Worker (原始碼)，另一個使用永久 Web Worker (原始碼)。開啟 Chrome 開發人員工具並查看控制台時，您可以看到 User Timing API 記錄，用於測量從按下按鈕到畫面顯示結果所需的時間。「Network」分頁會顯示 blob: 網址要求。在本例中，臨時和永久的時間差約為 3 倍。在實際情況下，人眼無法區分這兩種情況。您實際應用程式的結果可能會有所不同。
結論
這篇文章探討了一些處理 Wasm 的效能模式。
- 一般來說，請優先使用串流方法 (
WebAssembly.compileStreaming()和WebAssembly.instantiateStreaming())，而非非串流方法 (WebAssembly.compile()和WebAssembly.instantiate())。 - 如果可以，請在 Web Worker 中外包效能較差的工作，並在 Web Worker 外部只執行一次 Wasm 載入和編譯作業。如此一來，Web Worker 只需將從主要執行緒接收的 Wasm 模組例項化，即可在
WebAssembly.instantiate()中載入及編譯，這表示如果您將 Web Worker 保留，則可將例項快取。 - 請仔細評估是否要永久保留一個 Web Worker，或是視需要建立臨時 Web Worker。也請思考何時是建立 Web Worker 的最佳時機。您需要考量記憶體用量、Web Worker 例項化時間長度，以及可能需要處理並行要求的複雜性。
如果您考量這些模式，就能順利取得最佳 Wasm 效能。
特別銘謝
本指南由 Andreas Haas、Jakob Kummerow、Deepti Gandluri、Alon Zakai、Francis McCabe、François Beaufort 和 Rachel Andrew 審查。