WebAssembly应用到前端工程(上)—— webassembly模块的编写

前言

WebAssembly (abbreviated Wasm) is a binary instruction format for a stack-based virtual machine. Wasm is designed as a portable target for compilation of high-level languages like C/C++/Rust, enabling deployment on the web for client and server applications. WebAssembly(缩写 Wasm)是基于堆栈虚拟机的二进制指令格式。Wasm为了一个可移植的目标而设计的,可用于编译C/C+/RUST等高级语言,使客户端和服务器应用程序能够在Web上部署。

webassembly的介绍可以参考图说 WebAssembly。

本文以@ne_fe/gis这个模块的开发过程梳理webassembly如何应用到前端工程中。
注:使用emscripten完成weassembly开发至少需要基础的c/c++编码能力。

@ne_fe/gis简介

该模块主逻辑由c++编写,webpack配合emscripten附带的emcc编译器将其编译到wasm。提供大批量坐标的经纬度转换功能,在十几万坐标点转换的情况下,依然有优秀的性能表现。
具体其他信息可以参考npm上该模块的Readme。

Emscripten的安装

emscripten是webassembly官方推出的将c/c++代码编译成wasm文件的工具。
具体安装可以参照官网文档。

Webpack配置

主要针对c++源码文件,需要添加正确的loader进行处理。使用的loader为cpp-wasm-loader,下面是我的webpack.config.js所写大概配置,其他配置跟普通的webpack配置大致相同。

module.exports = {
  ...
  resolve: {
    extensions: [ '.js', '.vue', '.c', '.cc', '.cpp', '.wasm' ],
    alias: {
      vue$: 'vue/dist/vue.esm.js',
    },
  },
  ...
  module: {
    ...
     {
        test: /\.(c|cc|cpp)$/,
        use: {
          loader: 'cpp-wasm-loader',
          options: {
            // 这里的两个参数,第一个是让emcc能够识别c++11的语法与特性
            // 第二个是让emcc能够将EMSCRIPTEN_BINDINGS宏里面所指定的类与方法能够在绑定到模块导出的js对象上,让js能够直接调用
            // 还可以传入其他clang编译器可接受的参数          
            emccFlags: existingFlags => existingFlags.concat([ '-std=c++11', '--bind' ]), // add or modify compiler flags
            // emccPath: "path/to/emcc", // only needed if emcc is not in PATH,
            memoryClass: false, // disable javascript memory management class,
            fetchFiles: true,
            asmJs: false, // 不生成wasm.js
            wasm: true, // 生成wasm文件
            fullEnv: true,
          },
        },
      },
    ...  
  },  
};

主要逻辑编写

emscripten的主要api可以参考官方文档上的说明,不过建议参考本地头文件(emsdk安装路径/emsdk/emscripten/1.38.22/system/include/),相比文档,本地头文件更能看得明白。

以高德地图坐标转gps坐标代码为例

// em.cc
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PI 3.14159265
#define ee 0.00669342162296594323
#define a 6378245.0

using namespace emscripten;

extern "C"
{  
  std::vector gcj02towgs84(float lat, float lng);
  bool out_of_china(float lat, float lng);
  float transformlat(float lat, float lng);
  float transformlng(float lat, float lng);
  val translateFromGPSInCPP(val data, std::string target, int type);

  // 相应地图坐标转gps坐标
  // data为坐标点数组,target为转换目标 
  // type 是否转换坐标对象 0 只会对数值做计算转换  1 不仅会对数值做计算转换,还会转为腾讯地图经纬度对象
  // val 为c++中代表js对象的数据类型,头文件为
  val translateFromGPSInCPP(val data, std::string target, int type) {
    unsigned l = data["length"].as();
    val res = val::array();
    val _mid = val::object();
    val amap = val::global("AMap");
    val bmap = val::global("BMap");
    val _Object = val::global("Object");
    val qq = val::global("qq");
    for(unsigned i = 0; i < l; ++i) {
      val midObj = data[i];
      float lat = midObj["latitude"].as();
      float lng = midObj["longitude"].as();
      std::vector translateOneResult;
      if (target == "a") {
        translateOneResult = wgs84togcj02(lat, lng); // 转高德坐标
      } else if (target == "b") {
        translateOneResult = wgs84tobd(lat, lng); // 转百度坐标,忽略
      } else {
        translateOneResult = wgs84togcj02(lat, lng); // 转腾讯坐标,忽略
      }
      if (type == 0) { // just translate number
        _mid.set("latitude", translateOneResult[0]);
        _mid.set("longitude", translateOneResult[1]);
      } else {
        if (target == "a") {
          if (!amap.isUndefined()) {
            _mid = amap["LngLat"].new_(translateOneResult[1], translateOneResult[0]);
          }
        }
        if (target == "b") {
          if (!bmap.isUndefined()) {
            _mid = bmap["Point"].new_(translateOneResult[0], translateOneResult[1]);
          }
        }
        if (target == "t") {
          val tmap = qq["maps"];
          if (!qq.isUndefined() && !tmap.isUndefined()) {
            _mid = tmap["LatLng"].new_(translateOneResult[0], translateOneResult[1]);
          }
        }
        _Object.call("assign", _mid, midObj);
      }
      res.set(i, _mid);
    }
    return res;
  }

  std::vector gcj02towgs84(float lat, float lng) {
    std::vector res;
    bool out_of_china_res = out_of_china(lat, lng);
    if (out_of_china_res) {
      res.push_back(lat);
      res.push_back(lng);
    } else {
      float lng1 = lng - 105.0;
      float lat1 = lat - 35.0;
      float dlat = transformlat(lng1, lat1);
      float dlng = transformlng(lng1, lat1);
      float radlat = lat / 180.0 * PI;
      float magic = sin(lat / 180.0 * PI);
      magic = 1 - ee * magic * magic;
      float sqrtmagic = sqrt(magic);
      dlat = (dlat * 180.0) / ((a * (1 - ee)) / (magic * sqrtmagic) * PI);
      dlng = (dlng * 180.0) / (a / sqrtmagic * cos(radlat) * PI);
      const float mglat = lat - dlat;
      const float mglng = lng - dlng;
      res.push_back(mglat);
      res.push_back(mglng);
    }
    return res;
  }

  bool out_of_china(float lat, float lng) {
    return (lng < 72.004 || lng > 137.8347) || ((lat < 0.8293 || lat > 55.8271) || false);
  }
  
  float transformlat(float lat, float lng) {
    float ret = -100.0 + 2.0 * lat + 3.0 * lng + 0.2 * lng * lng + 0.1 * lat * lng + 0.2 * sqrt(abs(lat));
    ret += (20.0 * sin(6.0 * lat * PI) + 20.0 * sin(2.0 * lat * PI)) * 2.0 / 3.0;
    ret += (20.0 * sin(lng * PI) + 40.0 * sin(lng / 3.0 * PI)) * 2.0 / 3.0;
    ret += (160.0 * sin(lng / 12.0 * PI) + 320 * sin(lng * PI / 30.0)) * 2.0 / 3.0;
    return ret;
  }
  
  float transformlng(float lat, float lng) {
    float ret = 300.0 + lat + 2.0 * lng + 0.1 * lat * lat + 0.1 * lat * lng + 0.1 * sqrt(abs(lat));
    ret += (20.0 * sin(6.0 * lat * PI) + 20.0 * sin(2.0 * lat * PI)) * 2.0 / 3.0;
    ret += (20.0 * sin(lat * PI) + 40.0 * sin(lat / 3.0 * PI)) * 2.0 / 3.0;
    ret += (150.0 * sin(lat / 12.0 * PI) + 300.0 * sin(lat / 30.0 * PI)) * 2.0 / 3.0;
    return ret;
  }

  EMSCRIPTEN_BINDINGS(module) {
    function("translateToGPSInCPP", &translateToGPSInCPP);
  }
}

webassembly vs js

测试代码运行的浏览器为chrome63
translateFromGPSInJS方法是js实现的,为了兼容不能使用webassembly技术的浏览器
同时由于新版浏览器如chrome70及以上、firefox60及以上、safari12及以上优化了数组的性能,js实现与webassembly实现效果差距不大,只使用js进行经纬度转换

import wasm from './em.cc';
async function test() {
  const innerModule = (await wasm.init()).emModule;
  const gpsarr1 = [];
  gpsarr1.push({ longitude: lngX, latitude: latY });
  for (let i = 1; i < 50000; i++) {
    let lngX = 116.3;
    let latY = 39.9;
    lngX = lngX + Math.random() * 0.0005;
    if (i % 2) {
      latY = latY + Math.random() * 0.0001;
    } else {
      latY = latY + Math.random() * 0.0006;
    }
    gpsarr1.push({ longitude: lngX, latitude: latY });
  }
  // performance Webassembly vs Js
  console.time('translateFromGPSInCPP');
  const res1 = await innerModule.translateFromGPSInCPP(gpsarr1, 't', 0);
  console.timeEnd('translateFromGPSInCPP');
  console.log('res1', res1);
  const gpsarr2 = JSON.parse(JSON.stringify(gpsarr1));
  console.time('translateFromGPSInJS');
  const res2 = await gpsjs.translateFromGPSInJS(gpsarr2, 't', 0);
  console.timeEnd('translateFromGPSInJS');
  console.log('res2', res2);
}
test();

以下是7次测试50000条经纬度转换的执行耗时(ms)

  1 2 3 4 5 6 7
webassembly 317.8198 260.3901 270.0729 283.7041 351.6569 287.3720 312.5078
js 2709.5219 2642.2451 2694.9921 2891.1311 3816.5019 2648.9201 3287.1430

最后经过测试5000、500条坐标的经纬度转换
万条数量级坐标的经纬度转换,webassembly的执行效率是js的8-10倍。
千条数量级坐标的经纬度转换,webassembly的执行效率是js的4-6倍。
百条数量级坐标的经纬度转换,webassembly的执行效率是js的1.5-2.5倍。

发布

公司的编译环境缺少emscripten,所以在容器中编译,最后发布到npm公共仓库。

 
 
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