WebAssembly (Wasm) сегодня занимает значительную нишу в мире веб-технологий и программирования в целом. Его используют в браузерных плагинах, блокчейн-смартконтрактах и многих других областях, где важна производительность и переносимость. Многие источники, включая даже энциклопедические статьи, описывают WebAssembly как портируемую абстрактную структурированную стековую машину. На первый взгляд, такое определение кажется правильным, ведь внутри WebAssembly встречается множество инструкций, напоминающих операции со стеком. Однако реальность куда интереснее: WebAssembly на самом деле не является классической стековой машиной, и именно это вызывает ряд проблем, которые влияют на эффективность компиляции и оптимизацию кода.
Чтобы понять суть проблемы, нужно разобраться, что такое стековая машина и чем она отличается от регистровой. Стековая машина управляет вычислениями, оперируя со стеком значений: операции берут операнды со стека, применяют к ним функцию (например, сложение) и помещают результат обратно на стек. Вся логика построена вокруг принципа «последним пришёл — первым вышел». Напротив, регистровая машина работает с ограниченным набором «мест» для хранения значений — регистров. Операции в регистровой машине обычно указывают, из каких регистров брать данные и в какой регистр класть результат.
Такая архитектура более близка к тому, как работают современные процессоры, и обладает преимуществами в плане оптимизации и управления регистрами. Главная сложность регистровых машин связана с анализом живости переменных — то есть определением, в какой момент значения больше не используются и их можно переиспользовать. В реальных продвинутых компиляторах этот анализ необходим для генерации эффективного машинного кода. Без него компилятор может неверно распределить ресурсы, что снизит производительность конечного приложения. В попытке облегчить жизнь компиляторам WebAssembly ввёл локальные переменные — mutable (изменяемые) локалы, которые живут на протяжении всей функции.
Это значит, что они сохраняются как состояние и могут изменяться в любое время, в отличие от кратковременных значений на стеке. На первый взгляд, это реализует функционал регистровой машины: значения где-то лежат и к ним можно обращаться. Но с таким подходом возникает сразу несколько проблем. Во-первых, эти локалы ни в коем случае нельзя считать в строгом смысле значениями в форме SSA (Static Single Assignment) — формате, который предполагает однократное присваивание переменной, что упрощает анализ и оптимизацию. Из-за того, что локалы WebAssembly изменяемы и глобальны для функции, их нельзя просто преобразовать в SSA форму, что усложняет автоматический анализ, снижает качество генерируемого кода и делает невозможным использование многих сильных оптимизационных техник.
Эта ситуация создаёт переизбыток работы для компиляторов, особенно для тех, которые должны работать в потоковом режиме, не имея полного контекста исходного кода. Для таких компиляторов, например, встроенных в браузеры, возврат к сложному анализу живости и SSA невозможен или требует дорогостоящих вычислений. В отличие от языков программирования, где компилятор может строить и хранить оптимизированное представление программы длительное время, WebAssembly «привязан» к потоковому подходу, где время и ресурсы строго ограничены. История WebAssembly играет важную роль в формировании таких особенностей. Изначально WebAssembly задумывался как компактное бинарное представление asm.
js — промежуточного языка для веба. Это означало, что изначально язык был скорее представлением исходного кода, чем полноценной виртуальной машиной. Позже произошёл переход к регистровой модели, но изменения в спецификации и использование стековой кодировки для операторов сохранили локалы как центральный элемент программы. Уже тогда, будучи на стадии стандартизации, разработчики не могли до конца предсказать, насколько эти решения усложнят компиляцию и оптимизацию. Таким образом, WebAssembly стал гибридом регистровой и стековой машины, но без всех преимуществ каждого из этих подходов.
И это создаёт уникальные вызовы для разработчиков компиляторов и оптимизаторов. Что же можно сделать для решения этих проблем? Одним из перспективных направлений является отказ от локальных переменных как носителей состояния внутри функций и введение аргументов и возвращаемых значений для блоков. Это позволит сделать код WebAssembly ближе к реальной стековой машине, где все значения передаются явно через стек, а не хранятся в глобальных локалях. При такой модели счётчики циклов и другие состояния будут реализовываться через аргументы блоков, которые заменят необходимость в mutable локалах. Такой переход значительно упростит спецификацию, уменьшит сложность компиляторов и позволит компиляторам передавать больше информации о исходном коде сквозь промежуточное представление.
В итоге потоковые компиляторы смогут генерировать более оптимальный код без огромных затрат на анализ. Помимо улучшения производительности, такой подход гарантирует, что переменные существуют только тогда, когда они действительно нужны, и больше не могут быть обращены в неинициализированном состоянии. Это значительно улучшит надёжность и безопасность программ на WebAssembly. Самое важное, что стоит понять из этой истории, — несмотря на то что WebAssembly формально объявлен стековой машиной, на практике из-за наличия локальных mutable переменных и особенностей архитектуры он ближе к регистровой машине без полноценного анализа живости. Это ведёт к ограничениям по оптимизации и усложняет разработку компиляторов, особенно потоковых.
Однако спецификация и экосистема WebAssembly продолжают развиваться, и уже сейчас видны перспективы изменений, которые сделают платформу проще и мощнее. Для разработчиков, инженеров компиляторов и энтузиастов WebAssembly понимание этих нюансов критично для грамотной работы с технологией и создания эффективных инструментов. Наблюдать за тем, как динамичная среда WebAssembly адаптируется к новым требованиям и вызовам, — значит быть на переднем крае современных систем программирования и разработки веб-приложений.
