Browser C++ und WebAssembly-Beschleunigung

C++ und Rust im Browser mit WebAssembly ausführen

JavaScript ist für viele Dinge großartig, aber es wurde nicht für schwere Berechnungen entwickelt. Wenn Sie eine Physik-Engine ausführen, Video in Echtzeit verarbeiten oder Code im Browser kompilieren möchten, kann JavaScript zu langsam sein. WebAssembly (kurz Wasm) löst dieses Problem, indem es Ihnen ermöglicht, Code, der in Sprachen wie C++, Rust oder Go geschrieben ist, direkt im Browser mit nahezu nativer Geschwindigkeit auszuführen.

Wie WebAssembly funktioniert

Sie schreiben Code in einer Sprache wie C++ oder Rust, kompilieren ihn in eine .wasm-Binärdatei und laden sie zusammen mit JavaScript im Browser. Der Browser kompiliert diese Binärdatei in Maschinencode, genau wie eine native Anwendung. Das Ergebnis ist, dass rechenintensive Aufgaben viel schneller ausgeführt werden als äquivalentes JavaScript.

Die .wasm-Datei läuft in einer sandboxed Umgebung – sie kann nicht direkt auf das DOM oder das Dateisystem zugreifen. Stattdessen kommuniziert sie über eine klar definierte Schnittstelle mit JavaScript. JavaScript ruft Funktionen auf, die vom WebAssembly-Modul exportiert werden, und das WebAssembly-Modul kann Funktionen aufrufen, die von JavaScript importiert werden. Daten werden über einen gemeinsamen Speicherpuffer ausgetauscht.

Werkzeugketten für verschiedene Sprachen

Der einfachste Einstieg hängt von Ihrer Sprache ab. Für C und C++ ist Emscripten die ausgereifteste Toolchain. Es kompiliert Ihren Code zu WebAssembly und stellt JavaScript-Klebecode bereit, der das Laden und die Speicherverwaltung übernimmt. Es unterstützt auch SDL für Grafiken, POSIX-Threads und SIMD-Anweisungen.

Für Rust ist wasm-pack das Standardwerkzeug. Es integriert sich in Cargo (Rusts Paketmanager) und generiert automatisch TypeScript-Bindungen. Für Go produziert TinyGo kleine WebAssembly-Binärdateien. Und AssemblyScript ermöglicht es Ihnen, WebAssembly mit einer TypeScript-ähnlichen Syntax zu schreiben.

Leistungsmerkmale

WebAssembly läuft für CPU-gebundene Aufgaben wie Mathematik, Kryptografie, Kompression, Physik und maschinelles Lernen mit nahezu nativer Geschwindigkeit. Die Startzeit ist schneller als JavaScript, da das Binärformat effizienter kompiliert werden kann. Streaming-Kompilierung ermöglicht es dem Browser, WebAssembly während des Downloads zu kompilieren, was die Startzeit weiter verkürzt.

Für maximale Leistung aktivieren Sie SIMD-Anweisungen für parallele Operationen, verwenden Sie Web Workers, um WebAssembly außerhalb des Hauptthreads auszuführen, und minimieren Sie die Anzahl der Aufrufe zwischen JavaScript und WebAssembly – jeder Wechsel hat Overhead.

Anwendungen aus der Praxis

Viele Dinge, die zuvor im Browser unmöglich oder unpraktisch waren, sind jetzt machbar. Bild- und Videoverarbeitung können in Echtzeit erfolgen – FFmpeg.wasm führt die vollständige FFmpeg-Bibliothek im Browser aus. Kryptographie-Bibliotheken können mit nativer Geschwindigkeit arbeiten. 3D-Physik-Engines wie Box2D und Rapier betreiben Spiele und Simulationen.

Der vielleicht beeindruckendste Anwendungsfall ist das Ausführen ganzer Anwendungen im Browser. Sowohl Unity als auch Unreal Engine können Spiele nach WebAssembly exportieren und bringen Konsolenqualität in den Browser. AutoCAD läuft über WebAssembly im Browser. Und Tools wie SQLite, Figma und Google Earth haben bedeutende WebAssembly-Komponenten.

Die Zukunft

WebAssembly ist nicht mehr nur für Browser. WASI (WebAssembly System Interface) standardisiert Systemaufrufe für Dateien, Netzwerke und Uhren und ermöglicht es WebAssembly, auf Servern, Edge-Geräten und sogar als universelles Plugin-Format zu laufen. Das Komponentenmodell wird es WebAssembly-Modulen, die in verschiedenen Sprachen geschrieben sind, ermöglichen, nahtlos zusammenzuarbeiten. WebAssembly wird zu einer universellen Laufzeitumgebung für Code, unabhängig davon, wo er ausgeführt wird.