Desde que la Web se convirtió en una plataforma no solo para documentos, sino también para aplicaciones, algunas de las aplicaciones más avanzadas llevaron los navegadores web al límite. El enfoque de acercarse "más al metal" mediante la interacción con lenguajes de nivel inferior para mejorar el rendimiento se encuentra en muchos idiomas de niveles superiores. Como ejemplo, Java tiene la interfaz nativa de Java. Para JavaScript, este lenguaje de nivel inferior es WebAssembly. En este artículo, descubrirás qué es el lenguaje ensamblador y por qué puede ser útil en la Web. Luego, aprenderás cómo se creó WebAssembly mediante la solución provisional de asm.js.
Lenguaje ensamblador
¿Alguna vez programaste en lenguaje ensamblador? En programación informática, el lenguaje ensamblador, a menudo denominado Assembly y comúnmente abreviado como ASM o asm, es cualquier lenguaje de programación de bajo nivel con una correspondencia muy fuerte entre las instrucciones en el lenguaje y las instrucciones del código máquina de la arquitectura.
Por ejemplo, al observar las arquitecturas Intel® 64 e IA-32 (PDF), la instrucción MUL (para mulpuntación) realiza una multiplicación sin firma del primer operando (operando de destino) y del segundo operando (operando de origen), y almacena el resultado en el operando de destino. Muy simplificado, el operando de destino es uno implícito ubicado en el registro AX, y el operando de origen se encuentra en un registro de uso general, como CX. El resultado se vuelve a almacenar en el registro AX. Considera el siguiente ejemplo de código x86:
mov ax, 5 ; Set the value of register AX to 5.
mov cx, 10 ; Set the value of register CX to 10.
mul cx ; Multiply the value of register AX (5)
; and the value of register CX (10), and
; store the result in register AX.
A modo de comparación, si tienes el objetivo de multiplicar 5 por 10, probablemente deberías escribir un código similar al siguiente en JavaScript:
const factor1 = 5;
const factor2 = 10;
const result = factor1 * factor2;
La ventaja de adoptar el proceso de ensamblaje es que ese código de bajo nivel y optimizado para máquinas es mucho más eficiente que el código de alto nivel optimizado para humanos. En el caso anterior, no importa, pero puedes imaginar que para operaciones más complejas, la diferencia puede ser significativa.
Como su nombre lo indica, el código x86 depende de la arquitectura x86. ¿Qué pasaría si existiera una forma de escribir código de ensamblado que no dependiera de una arquitectura específica, pero que heredara los beneficios de rendimiento del ensamblado?
asm.js
El primer paso para escribir código ensamblador sin dependencias de arquitectura fue asm.js, un subconjunto estricto de JavaScript que podría usarse como un lenguaje objetivo eficiente y de bajo nivel para compiladores. Este sublenguaje describía eficazmente una máquina virtual de zona de pruebas para lenguajes no seguros para la memoria, como C o C++. Una combinación de validación estática y dinámica permitió que los motores de JavaScript emplearan una estrategia de compilación de optimización anticipada (AOT) para el código asm.js válido. El código escrito en lenguajes de tipo estático con administración manual de la memoria (como C) se tradujo con un compilador de fuente a fuente, como early Emscripten (basado en LLVM).
Mejoramos el rendimiento limitando las funciones de lenguaje a aquellas aptas para la AOT. Firefox 22 fue el primer navegador compatible con asm.js y se lanzó bajo el nombre de OdinMonkey. Chrome agregó compatibilidad con asm.js en la versión 61. Si bien asm.js todavía funciona en navegadores, fue sustituida por WebAssembly. La razón para usar asm.js en este punto es como alternativa para los navegadores que no son compatibles con WebAssembly.
WebAssembly
WebAssembly es un lenguaje similar al ensamblaje de bajo nivel con un formato binario compacto que se ejecuta con un rendimiento casi nativo y proporciona lenguajes como C/C++ y Rust, y muchos más con un objetivo de compilación para que se ejecuten en la Web. Se está trabajando en la compatibilidad con lenguajes administrados de memoria, como Java y Dart, y debería estar disponible pronto, o ya llegó, como en el caso de Kotlin/Wasm. WebAssembly está diseñado para ejecutarse junto con JavaScript, lo que permite que ambos funcionen en conjunto.
Además del navegador, los programas de WebAssembly también se ejecutan en otros entornos de ejecución gracias a WASI, la interfaz del sistema WebAssembly, una interfaz del sistema modular para WebAssembly. WASI se creó para que sea portátil en todos los sistemas operativos, con el objetivo de que sea seguro y tenga la capacidad de ejecutarse en un entorno de zona de pruebas.
El código de WebAssembly (código binario, es decir, código de bytes) está diseñado para ejecutarse en una máquina de pila virtual (VM) portátil. El código de bytes está diseñado para analizarse y ejecutarse más rápido que JavaScript, y para tener una representación de código compacta.
La ejecución conceptual de instrucciones procede a través de un contador de programa tradicional que avanza a través de las instrucciones. En la práctica, la mayoría de los motores Wasm compilan el código de bytes de Wasm en el código máquina y, luego, lo ejecutan. Las instrucciones se dividen en dos categorías:
- Las instrucciones de control que forman construcciones de control y quitan sus valores de argumento de la pila pueden cambiar el contador del programa y enviar los valores de los resultados a la pila.
- Instrucciones simples que quitan los valores de sus argumentos de la pila, aplican un operador a los valores y, luego, envían los valores de los resultados a la pila, seguido de un avance implícito del contador del programa.
Volviendo al ejemplo anterior, el siguiente código de WebAssembly sería equivalente al código x86 del principio del artículo:
i32.const 5 ; Push the integer value 5 onto the stack.
i32.const 10 ; Push the integer value 10 onto the stack.
i32.mul ; Pop the two most recent items on the stack,
; multiply them, and push the result onto the stack.
Si bien asm.js se implementa en software, es decir, su código puede ejecutarse en cualquier motor de JavaScript (incluso si no está optimizado), WebAssembly requería una nueva funcionalidad que todos los proveedores de navegadores estaban de acuerdo. WebAssembly, que se anunció en 2015 y se lanzó por primera vez en marzo de 2017, se convirtió en una recomendación del W3C el 5 de diciembre de 2019. El W3C mantiene el estándar con contribuciones de todos los principales proveedores de navegadores y otras partes interesadas. Desde 2017, la compatibilidad con los navegadores es universal.
WebAssembly tiene dos representaciones: textual y binaria. Lo que ves arriba es la representación textual.
Representación textual
La representación textual se basa en expresiones S y, por lo general, usa la extensión de archivo .wat (para el formato WebAssembly text). Si realmente lo deseas, puedes escribirlo a mano. Tomando el ejemplo de multiplicación anterior y haciéndolo más útil al dejar de codificar los factores, es probable que puedas darle sentido al siguiente código:
(module
(func $mul (param $factor1 i32) (param $factor2 i32) (result i32)
local.get $factor1
local.get $factor2
i32.mul)
(export "mul" (func $mul))
)
Representación binaria
El formato binario que usa la extensión de archivo .wasm no está destinado para el consumo humano, mucho menos la creación humana. Con una herramienta como wat2wasm, puedes convertir el código anterior en la siguiente representación binaria. (Por lo general, los comentarios no son parte de la representación binaria, sino que los agrega la herramienta wat2wasm para una mejor comprensión).
0000000: 0061 736d ; WASM_BINARY_MAGIC
0000004: 0100 0000 ; WASM_BINARY_VERSION
; section "Type" (1)
0000008: 01 ; section code
0000009: 00 ; section size (guess)
000000a: 01 ; num types
; func type 0
000000b: 60 ; func
000000c: 02 ; num params
000000d: 7f ; i32
000000e: 7f ; i32
000000f: 01 ; num results
0000010: 7f ; i32
0000009: 07 ; FIXUP section size
; section "Function" (3)
0000011: 03 ; section code
0000012: 00 ; section size (guess)
0000013: 01 ; num functions
0000014: 00 ; function 0 signature index
0000012: 02 ; FIXUP section size
; section "Export" (7)
0000015: 07 ; section code
0000016: 00 ; section size (guess)
0000017: 01 ; num exports
0000018: 03 ; string length
0000019: 6d75 6c mul ; export name
000001c: 00 ; export kind
000001d: 00 ; export func index
0000016: 07 ; FIXUP section size
; section "Code" (10)
000001e: 0a ; section code
000001f: 00 ; section size (guess)
0000020: 01 ; num functions
; function body 0
0000021: 00 ; func body size (guess)
0000022: 00 ; local decl count
0000023: 20 ; local.get
0000024: 00 ; local index
0000025: 20 ; local.get
0000026: 01 ; local index
0000027: 6c ; i32.mul
0000028: 0b ; end
0000021: 07 ; FIXUP func body size
000001f: 09 ; FIXUP section size
; section "name"
0000029: 00 ; section code
000002a: 00 ; section size (guess)
000002b: 04 ; string length
000002c: 6e61 6d65 name ; custom section name
0000030: 01 ; name subsection type
0000031: 00 ; subsection size (guess)
0000032: 01 ; num names
0000033: 00 ; elem index
0000034: 03 ; string length
0000035: 6d75 6c mul ; elem name 0
0000031: 06 ; FIXUP subsection size
0000038: 02 ; local name type
0000039: 00 ; subsection size (guess)
000003a: 01 ; num functions
000003b: 00 ; function index
000003c: 02 ; num locals
000003d: 00 ; local index
000003e: 07 ; string length
000003f: 6661 6374 6f72 31 factor1 ; local name 0
0000046: 01 ; local index
0000047: 07 ; string length
0000048: 6661 6374 6f72 32 factor2 ; local name 1
0000039: 15 ; FIXUP subsection size
000002a: 24 ; FIXUP section size
Cómo compilar en WebAssembly
Como puedes ver, ni .wat ni .wasm son muy amigables con los humanos. Aquí es donde entra en juego un compilador como Emscripten.
Te permite compilar desde lenguajes de nivel superior, como C y C++. Hay otros compiladores para otros lenguajes, como Rust y muchos más. Considera el siguiente código C:
#include <stdio.h>
int main() {
printf("Hello World\n");
return 0;
}
Por lo general, compilarías este programa en C con el compilador gcc.
$ gcc hello.c -o hello
Una vez que Emscripten esté instalado, lo compilarás en WebAssembly con el comando emcc y casi los mismos argumentos:
$ emcc hello.c -o hello.html
Esto creará un archivo hello.wasm y el archivo de wrapper HTML hello.html. Cuando entregues el archivo hello.html desde un servidor web, verás que se imprime "Hello World" en la consola de Herramientas para desarrolladores.
También hay una manera de compilar en WebAssembly sin el wrapper HTML:
$ emcc hello.c -o hello.js
Como antes, se creará un archivo hello.wasm, pero esta vez un archivo hello.js en lugar del wrapper HTML. Para hacer la prueba, ejecuta el archivo JavaScript resultante hello.js con, por ejemplo, Node.js:
$ node hello.js
Hello World
Más información
Esta breve introducción a WebAssembly es solo la punta del iceberg.
Obtén más información sobre WebAssembly en la documentación de WebAssembly sobre MDN y consulta la documentación de Emscripten. A decir verdad, trabajar con WebAssembly puede parecerse un poco al meme Cómo dibujar un búho, especialmente porque los desarrolladores web familiarizados con HTML, CSS y JavaScript no necesariamente tienen conocimientos sobre lenguajes como C. Afortunadamente, existen canales como la etiqueta webassembly de StackOverflow en los que los expertos suelen estar dispuestos a ayudarte si preguntas amablemente.
Agradecimientos
Jakob Kummerow, Derek Schuff y Rachel Andrew revisaron este artículo.