asm.js & webassembly-WEB的高性能计算

之前给大家介绍过WebWorkers-WEB的高性能计算，关于javascript的知识都很有意思，那么今天给大家说一说asm.js & webassembly与WEB高性能计算的关系，之前我们说过要解决高性能计算的两个方法，一个是并发用WebWorkers，另一个就是用更底层的静态语言。

2012年，Mozilla的工程师Alon Zakai在研究LLVM编译器时突发奇想：能不能把C/C++编译成Javascript，并且尽量达到Native代码的速度呢？于是他开发了Emscripten编译器，用于将C/C++代码编译成Javascript的一个子集asm.js，性能差不多是原生代码的50%。大家可以看看这个PPT。

之后Google开发了Portable Native Client，也是一种能让浏览器运行C/C++代码的技术。 后来估计大家都觉得各搞各的不行啊，居然Google, Microsoft, Mozilla, Apple等几家大公司一起合作开发了一个面向Web的通用二进制和文本格式的项目，那就是WebAssembly，官网上的介绍是：

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应该是一个前景很好的项目。我们可以看一下目前浏览器的支持情况：

安装Emscripten

访问https://kripken.github.io/emscripten-site/docs/getting_started/downloads.html

1. 下载对应平台版本的SDK

2. 通过emsdk获取最新版工具

# 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. 将下列添加到环境变量PATH中

~/emsdk-portable
~/emsdk-portable/clang/fastcomp/build_incoming_64/bin
~/emsdk-portable/emscripten/incoming

4. 其他

我在执行的时候碰到报错说LLVM版本不对，后来参考文档配置了LLVM_ROOT变量就好了，如果你没有遇到问题，可以忽略。

LLVM_ROOT = os.path.expanduser(os.getenv('LLVM', '/home/ubuntu/a-path/emscripten-fastcomp/build/bin'))

5. 验证是否安装好

执行emcc -v，如果安装好会出现如下信息：

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!

创建一个文件hello.c：

#include <stdio.h>
int main() {
  printf("Hello, WebAssembly!\n");
  return 0;
}

编译C/C++代码：

emcc hello.c

上述命令会生成一个a.out.js文件，我们可以直接用Node.js执行：

node a.out.js

输出

Hello, WebAssembly!

为了让代码运行在网页里面，执行下面命令会生成hello.html和hello.js两个文件，其中hello.js和a.out.js内容是完全一样的。

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

然后在浏览器打开hello.html，可以看到页面

前面生成的代码都是asm.js，毕竟Emscripten是人家作者Alon Zakai最早用来生成asm.js的，默认输出asm.js也就不足为奇了。当然，可以通过option生成wasm，会生成三个文件：hello-wasm.html, hello-wasm.js, hello-wasm.wasm。

emcc hello.c -s WASM=1 -o hello-wasm.html

然后浏览器打开hello-wasm.html，发现报错TypeError: Failed to fetch。原因是wasm文件是通过XHR异步加载的，用file:////访问会报错，所以我们需要启一个服务器。

npm install -g serve
serve

然后访问http://localhost:5000/hello-wasm.html，就可以看到正常结果了。

调用C/C++函数

前面的Hello, WebAssembly!都是main函数直接打出来的，而我们使用WebAssembly的目的是为了高性能计算，做法多半是用C/C++实现某个函数进行耗时的计算，然后编译成wasm，暴露给js去调用。

在文件add.c中写如下代码：

#include <stdio.h>
int add(int a, int b) {
  return a + b;
}
 
int main() {
  printf("a + b: %d", add(1, 2));
  return 0;
}

有两种方法可以把add方法暴露出来给js调用。

通过命令行参数暴露API

emcc -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" add.c -o add.js

注意方法名add前必须加_。 然后我们可以在Node.js里面这样使用：

// file node-add.js
const add_module = require('./add.js');
console.log(add_module.ccall('add', 'number', ['number', 'number'], [2, 3]));

执行node node-add.js会输出5。 如果需要在web页面使用的话，执行：

emcc -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" add.c -o add.html

然后在生成的add.html中加入如下代码：

<button onclick="nativeAdd()">click</button>
  <script type='text/javascript'>
    function nativeAdd() {
      const result = Module.ccall('add', 'number', ['number', 'number'], [2, 3]);
      alert(result);
    }
  </script>

然后点击button，就可以看到执行结果了。

Module.ccall会直接调用C/C++代码的方法，更通用的场景是我们获取到一个包装过的函数，可以在js里面反复调用，这需要用Module.cwrap，具体细节可以参看文档。

const cAdd = add_module.cwrap('add', 'number', ['number', 'number']);
console.log(cAdd(2, 3));
console.log(cAdd(2, 4));

定义函数的时候添加EMSCRIPTEN_KEEPALIVE

添加文件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;
}

执行命令：

emcc add2.c -o add2.html

同样在add2.html中添加代码：

<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，当你点击button的时候，报错：

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。

以上就是asm.js & webassembly-WEB的高性能计算的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！