Desde que la Web se convirtió en una plataforma no solo para documentos, sino también para apps, algunas de las más avanzadas han llevado a los navegadores web al límite. El enfoque de acercarse “más al metal” mediante la interconexión con lenguajes de nivel inferior para mejorar el rendimiento se encuentra en muchos lenguajes de nivel superior. 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, en el documento Intel® 64 and IA-32 Architectures (PDF), la instrucción MUL (para la multiplicación) realiza una multiplicación sin signo del primer operando (operando de destino) y el segundo operando (operando de origen), y almacena el resultado en el operando de destino. De forma muy simplificada, el operando de destino es un operando implícito ubicado en el registro AX, y el operando de origen se encuentra en un registro de propósito 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 tuvieras la tarea de multiplicar 5 y 10, probablemente escribirías un código similar al siguiente en JavaScript:
const factor1 = 5;
const factor2 = 10;
const result = factor1 * factor2;
La ventaja de seguir la ruta de ensamblado es que ese código de bajo nivel y optimizado por máquinas es mucho más eficiente que el código de alto nivel y optimizado por 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 hubiera una forma de escribir código 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 de manera eficaz una máquina virtual con 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 por adelantado (AOT) para el código asm.js válido. El código escrito en lenguajes con tipos estáticos y administración de memoria manual (como C) se traducía con un compilador fuente a fuente, como el Emscripten anterior (basado en LLVM).
Se mejoró el rendimiento limitando las funciones de lenguaje a aquellas que son compatibles con 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 aún funciona en los navegadores, WebAssembly lo reemplazó. El motivo para usar asm.js en este momento sería como alternativa para los navegadores que no admiten WebAssembly.
WebAssembly
WebAssembly es un lenguaje de ensamblado 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. La compatibilidad con lenguajes administrados por memoria, como Java y Dart, está en desarrollo y debería estar disponible pronto, o ya está disponible, 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 de sistema de WebAssembly, una interfaz de sistema modular para WebAssembly. WASI se creó para ser portátil en todos los sistemas operativos, con el objetivo de ser seguro y poder 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 ser más rápido de analizar y ejecutar que JavaScript y para tener una representación de código compacta.
La ejecución conceptual de instrucciones se realiza a través de un contador de programas 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 de programa y enviar valores de resultado a la pila.
- Instrucciones simples que sacan los valores de sus argumentos de la pila, aplican un operador a los valores y, luego, empujan los valores del resultado a la pila, seguidos de un avance implícito del contador de 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 todo en software, es decir, su código se puede ejecutar en cualquier motor de JavaScript (incluso si no está optimizado), WebAssembly requiere una nueva funcionalidad en la que todos los proveedores de navegadores acordaron. Anunciado en 2015 y lanzado por primera vez en marzo de 2017, WebAssembly se convirtió en una recomendación del W3C el 5 de diciembre de 2019. El W3C mantiene el estándar con contribuciones de todos los proveedores de navegadores principales y otras partes interesadas. Desde 2017, la compatibilidad con 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 de texto de WebAssembly text). Si realmente quieres, puedes escribirlo a mano. Si tomamos el ejemplo de multiplicación anterior y lo hacemos más útil dejando de codificar los factores de forma fija, es probable que puedas entender el 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, ni siquiera para la creación humana. Con una herramienta como wat2wasm, puedes convertir el código anterior en la siguiente representación binaria. (Por lo general, los comentarios no forman parte de la representación binaria, pero la herramienta wat2wasm los agrega para facilitar la 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 para WebAssembly
Como ves, ni .wat ni .wasm son muy amigables para 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 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 "Hello World" impreso en la consola de DevTools.
También hay una forma 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 probarlo, 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 en MDN y consulta la documentación de Emscripten. A decir verdad, trabajar con WebAssembly puede ser un poco como el meme de cómo dibujar un búho, en especial, porque los desarrolladores web que conocen HTML, CSS y JavaScript no necesariamente están versados en los lenguajes de compilación, como C. Por suerte, existen canales como la etiqueta webassembly de StackOverflow, en los que los expertos suelen ayudar con gusto si les haces una pregunta educada.
Agradecimientos
Jakob Kummerow, Derek Schuff y Rachel Andrew revisaron este artículo.