WebAssembly應用到前端工程（上）—— webassembly模塊的編寫

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(縮寫 Wasm)是基於堆棧虛擬機的二進制指令格式。Wasm爲了一個可移植的目標而設計的，可用於編譯C/C+/RUST等高級語言，使客戶端和服務器應用程序能夠在Web上部署。

本文以@ne_fe/gis這個模塊的開發過程梳理webassembly如何應用到前端工程中。
注：使用emscripten完成weassembly開發至少需要基礎的c/c++編碼能力。

@ne_fe/gis簡介

該模塊主邏輯由c++編寫，webpack配合emscripten附帶的emcc編譯器將其編譯到wasm。提供大批量座標的經緯度轉換功能，在十幾萬座標點轉換的情況下，依然有優秀的性能表現。
具體其他信息可以參考npm上該模塊的Readme。

Emscripten的安裝

emscripten是webassembly官方推出的將c/c++代碼編譯成wasm文件的工具。
具體安裝可以參照官網文檔。

Webpack配置

主要針對c++源碼文件，需要添加正確的loader進行處理。使用的loader爲cpp-wasm-loader，下面是我的webpack.config.js所寫大概配置，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: {
            // 這裏的兩個參數，第一個是讓emcc能夠識別c++11的語法與特性
            // 第二個是讓emcc能夠將EMSCRIPTEN_BINDINGS宏裏面所指定的類與方法能夠在綁定到模塊導出的js對象上，讓js能夠直接調用
            // 還可以傳入其他clang編譯器可接受的參數          
            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,
          },
        },
      },
    ...  
  },  
}；

主要邏輯編寫

emscripten的主要api可以參考官方文檔上的說明，不過建議參考本地頭文件（emsdk安裝路徑/emsdk/emscripten/1.38.22/system/include/），相比文檔，本地頭文件更能看得明白。

以高德地圖座標轉gps座標代碼爲例

// em.cc
#include <math.h>
#include <vector>
#include <string>
#include <emscripten.h>
#include <emscripten/bind.h>
#include <emscripten/val.h>

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

using namespace emscripten;

extern "C"
{  
  std::vector<float> 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);

  // 相應地圖座標轉gps座標
  // data爲座標點數組，target爲轉換目標 
  // type 是否轉換座標對象 0 只會對數值做計算轉換  1 不僅會對數值做計算轉換，還會轉爲騰訊地圖經緯度對象
  // val 爲c++中代表js對象的數據類型，頭文件爲<emscripten/val.h>
  val translateFromGPSInCPP(val data, std::string target, int type) {
    unsigned l = data["length"].as<unsigned>();
    val res = val::array();
    val _mid = val::object();
    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>();
      float lng = midObj["longitude"].as<float>();
      std::vector<float> translateOneResult;
      if (target == "a") {
        translateOneResult = wgs84togcj02(lat, lng); // 轉高德座標
      } else if (target == "b") {
        translateOneResult = wgs84tobd(lat, lng); // 轉百度座標，忽略
      } else {
        translateOneResult = wgs84togcj02(lat, lng); // 轉騰訊座標，忽略
      }
      if (type == 0) { // just translate number
        _mid.set<std::string, float>("latitude", translateOneResult[0]);
        _mid.set<std::string, float>("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]);
          }
        }
        mid = _Object.call<val>("assign", _mid, midObj);
      }
      res.set<int, val>(i, mid);
    }
    return res;
  }

  std::vector<float> gcj02towgs84(float lat, float lng) {
    std::vector<float> 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

測試代碼運行的瀏覽器爲chrome63
translateFromGPSInJS方法是js實現的，爲了兼容不能使用webassembly技術的瀏覽器
同時由於新版瀏覽器如chrome70及以上、firefox60及以上、safari12及以上優化了數組的性能，js實現與webassembly實現效果差距不大，只使用js進行經緯度轉換

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次測試50000條經緯度轉換的執行耗時(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

最後經過測試5000、500條座標的經緯度轉換
萬條數量級座標的經緯度轉換，webassembly的執行效率是js的8-10倍。
千條數量級座標的經緯度轉換，webassembly的執行效率是js的4-6倍。
百條數量級座標的經緯度轉換，webassembly的執行效率是js的1.5-2.5倍。

發佈

公司的編譯環境缺少emscripten，所以在容器中編譯，最後發佈到npm公共倉庫。

下一篇：WebAssembly應用到前端工程（下）—— webpack和webassembly

WebAssembly應用到前端工程（上）—— webassembly模塊的編寫

前言

@ne_fe/gis簡介

Emscripten的安裝

Webpack配置

主要邏輯編寫

webassembly vs js

發佈

WebAssembly應用到前端工程（下）—— webpack和webassembly

N-API模塊的編寫與發佈

WebAssembly應用到前端工程（上）—— webassembly模塊的編寫

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