asm.js和Emscripten

作者: Kris_lee | 来源:发表于2017-10-31 14:57 被阅读111次

2012年，Mozilla 的工程师 Alon Zakai 在研究 LLVM 编译器时突发奇想：许多 3D 游戏都是用 C / C++ 语言写的，如果能将 C / C++ 语言编译成 JavaScript 代码，它们不就能在浏览器里运行了吗？众所周知，JavaScript 的基本语法与 C 语言高度相似。

于是，他开始研究怎么才能实现这个目标，为此专门做了一个编译器项目 Emscripten。这个编译器可以将 C / C++ 代码编译成 JS 代码，但不是普通的 JS，而是一种叫做 asm.js 的 JavaScript 变体。

关于asm.js的理解

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asm.js的简介

asm.js是一个中间语言被设计用于如C运行Web应用程序的。同时保持性能能够高于标准的JS的计算机软件。

对于传统而言，C/C++编译成JS有两个最大的困难。

C / C++ 是静态类型语言，而 JS 是动态类型语言
C / C++ 是手动内存管理，而 JS 依靠垃圾回收机制

这里需要说明的是，C是弱类型静态语言。而js是弱类型动态语言。关于这方面也查阅了一部分资料。

关于强弱类型的图

简而言之：

前两者，弱/强类型指的是语言类型系统的类型检查的严格程度。后两者指的是变量与类型的绑定方法。

弱类型相对于强类型来说类型检查更不严格，比如说允许变量类型的隐式转换，允许强制类型转换等等。强类型语言一般不允许这么做。
静态类型指的是编译器在compile time执行类型检查，动态类型指的是编译器（虚拟机）在runtime执行类型检查。简单地说，在声明了一个变量之后，不能改变它的类型的语言，是静态语言；能够随时改变它的类型的语言，是动态语言。因为动态语言的特性，一般需要运行时虚拟机支持。

asm.js 就是为了解决这两个问题而设计的：它的变量一律都是静态类型，并且取消垃圾回收机制。除了这两点，它与 JavaScript 并无差异，也就是说，asm.js 是 JavaScript 的一个严格的子集，只能使用后者的一部分语法。

一旦 JavaScript 引擎发现运行的是 asm.js，就知道这是经过优化的代码，可以跳过语法分析这一步，直接转成汇编语言。另外，浏览器还会调用 WebGL 通过 GPU 执行 asm.js，即 asm.js 的执行引擎与普通的 JavaScript 脚本不同。这些都是 asm.js 运行较快的原因。据称，asm.js 在浏览器里的运行速度，大约是原生代码的50%左右。

值得注意的是
asm.js 没有垃圾回收机制，所有内存操作都由程序员自己控制。asm.js 通过 TypedArray 直接读写内存。

var buffer = new ArrayBuffer(32768);
var HEAP8 = new Int8Array(buffer);
function compiledCode(ptr) {
  HEAP[ptr] = 12;
  return HEAP[ptr + 4];
}

如果设计到指针，也是一样处理。

size_t strlen(char *ptr) {
  char *curr = ptr;
  while (*curr != 0) {
    curr++;
  }
  return (curr - ptr);
}

上面代码编译成asm.js.就是下面这样。

function strlen(ptr) {
  ptr = ptr|0;
  var curr = 0;
  curr = ptr;
  while (MEM8[curr]|0 != 0) {
    curr = (curr + 1)|0;
  }
  return (curr - ptr)|0;
}

Emscripten 编译器

虽然 asm.js 可以手写，但是它从来就是编译器的目标语言，要通过编译产生。目前，生成 asm.js 的主要工具是 Emscripten。

emscripten-图

Emscripten 的底层是 LLVM 编译器，理论上任何可以生成 LLVM IR（Intermediate Representation）的语言，都可以编译生成 asm.js。但是实际上，Emscripten 几乎只用于将 C / C++ 代码编译生成 asm.js

C/C++ ⇒ LLVM ==> LLVM IR ⇒ Emscripten ⇒ asm.js

图解asm.js的过程

hello world

#include <iostream>

int main() {
  std::cout << "Hello World!" << std::endl;
}

然后，将这个程序转成asm.js

$ emcc hello.cc
$ node a.out.js
Hello World!

上面代码中，emcc命令用于编译源码，默认生成a.out.js。使用 Node 执行a.out.js，就会在命令行输出 Hello World。
注意，asm.js 默认自动执行main函数。
emcc是 Emscripten 的编译命令。它的用法非常简单。

asm.js的用途

asm.js 不仅能让浏览器运行 3D 游戏，还可以运行各种服务器软件，比如 Lua、Ruby 和 SQLite。这意味着很多工具和算法，都可以使用现成的代码，不用重新写一遍。
另外，由于 asm.js 的运行速度较快，所以一些计算密集型的操作（比如计算 Hash）可以使用 C / C++ 实现，再在 JS 中调用它们。

真实的转码实例可以看一下 gzlib 的编译，参考它的 Makefile 怎么写。