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WebAssembly实践指南——C++和Rust通过wasmtime实现相互调用实例

2023-09-19 20:49 由 金笔书生吕落第 发表于 #后端开发

C++和Rust通过wasmtime实现相互调用实例

1 wasmtime介绍

wasmtime是一个可以运行WebAssembly代码的运行时环境。

WebAssembly是一种可移植的二进制指令集格式，其本身与平台无关，类似于Java的class文件字节码。

WebAssembly本来的设计初衷是想让浏览器可以运行C语言这种编译型语言的代码。通常我们的C语言代码会使用gcc或clang等编译器直接编译链接成与平台相关的二进制可执行文件，这种与平台相关的二进制文件浏览器是无法直接运行的。如果想让浏览器运行C语言代码，就需要使用可将C语言编译成WebAssembly指令的编译器，编译好的代码是wasm格式。然后就可以使用各种wasm运行时来执行wasm代码，这就类似于JVM虚拟机执行class文件。

由于指令集和运行时环境本身与web场景并不绑定，因此随着后来的发展，WebAssembly指令集出现了可以脱离浏览器的独立运行时环境，WebAssembly的用途也变得更加广泛。

相比于浏览器的运行时，wasmtime是一个独立运行时环境，它可以脱离Web环境来执行wasm代码。它本身提供了命令行工具和API两种方式来执行wasm代码。本文主要介绍如何使用API方式来运行wasm代码。

2 wasmtime安装

2.1 wasmtime-cli安装

wasmtime-cli包含wasmtime命令，可以让我们直接在shell中运行wasm格式的代码。我们这里安装wasmtime主要是为了测试方便。

  1. 在shell中执行如下命令

    curl https://wasmtime.dev/install.sh -sSf | bash

  2. wasmtime的可执行文件会被安装在${HOME}/.wasmtime目录下

  3. 运行以上命令后会在${HOME}/.bashrc或${HOME}/.bash_profile文件中帮我们添加以下环境变量

    export WASMTIME_HOME="${HOME}/.wasmtime"
export PATH="$WASMTIME_HOME/bin:$PATH"

  4. 如果希望所有用户（包括root）可以使用wasmtime命令，可以将以上环境变量设置到/etc/profile.d中，我们可以在该目录下创建wasmtime.sh文件，并添加一下代码

    export WASMTIME_HOME=/home/<xxx>/.wasmtime  # 将xxx替换成自己的home目录
export PATH="$WASMTIME_HOME/bin:$PATH"

  5. 可以使用如下命令直接运行wasm文件

    wasmtime hello.wasm

2.2 wasmtime库安装

如果想在代码中加载wasm文件并运行其中的代码，我们需要为我们使用的语言安装wasmtime库。注意这里的wasmtime库是为了让我们从代码中能够加载wasm文件并在wasmtime运行时中运行。wasmtime并不是wasm编译器，不能将C++或Rust代码编译成wasm文件，如果我们想将其他语言编译成wasm代码，需要下载各个语言自己的wasm编译器，具体安装方式在本文第3节。

目前wasmtime支持的语言有：

  • Rust
  • C
  • C++
  • Python
  • .NET
  • Go

我们这里以Rust和C++为例介绍如何安装wasmtime库

Rust

在Rust中使用wasmtime库非常简单，我们只需要在Cargo.toml配置文件中添加如下依赖

[dependencies]
wasmtime = "12.0.2"

C++

wasmtime的C++库需要我们引入wasmtime-cpp这个项目，wasmtime-cpp依赖wasmtime的C API，因此需要先安装C API。

  1. 可以在wasmtime的release中找到后缀为-c-api的包，比如我们安装的平台是x86_64-linux，那么我们可以下载如下文件

    wget https://github.com/bytecodealliance/wasmtime/releases/download/v12.0.2/wasmtime-v12.0.2-x86_64-linux-c-api.tar.xz

  2. 解压以上文件并将其移动到/usr/local目录下

    tar -xvf wasmtime-v12.0.2-x86_64-linux-c-api.tar.xz
sudo mv ./wasmtime-v12.0.2-x86_64-linux-c-api /usr/local/wasmtime

  3. 在/etc/profile.d/wasmtime.sh中添加环境变量

    export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/usr/local/wasmtime/lib
export LIBRARY_PATH=$LIBRARY_PATH:/usr/local/wasmtime/lib
export C_INCLUDE_PATH=$C_INCLUDE_PATH:/usr/local/wasmtime/include
export CPLUS_INCLUDE_PATH=$CPLUS_INCLUDE_PATH:/usr/local/wasmtime/include

  4. 下载wasmtime-cpp项目的include/wasmtime.hh文件，将其放到wasmtime.h所在的目录下，按照我们的安装步骤，需要放置到/usr/local/wasmtime/include目录下

  5. 如此就可以在我们的C++项目中引入wasmtime库了

    #include <wasmtime.hh>

3 wasm编译器安装

Rust

安装

Rust语言的编译器目前其实是一个LLVM的编译前端，它将代码编译成LLVM IR，然后经过LLVM编译成相应的目标平台代码。

因此我们并不需要替换Rust语言本身的编译器，只需要在编译时设置目标平台为wasm即可。我们在安装rust时，通常只会安装本机平台支持的目标，因此我们需要先安装wasm目标。

# 列出所有可安装的target列表
rustup target list

使用上面的命令后可以看到很多可以安装的target列表，其中已经安装的target后面会有(installed)标示。注意到其中有3个wasm相关的target。

wasm32-unknown-emscripten
wasm32-unknown-unknown
wasm32-wasi
  1. wasm32-unknown-emscripten：这个target是为了在Emscripten工具链下编译Wasm。Emscripten是一个将C/C++代码编译为Wasm和JavaScript的工具链。使用这个target，你可以在浏览器环境中运行编译后的Wasm代码。
  2. wasm32-unknown-unknown：这个target是为了在没有任何操作系统支持的情况下运行WebAssembly代码而设计的。这种情况下，WebAssembly代码将运行在一个“裸机”环境中，没有任何操作系统提供的支持。因此，如果你需要在裸机环境中运行WebAssembly代码，那么使用这个target是一个不错的选择。
  3. wasm32-wasi：这个target是为了在WebAssembly System Interface (WASI)上运行WebAssembly代码而设计的。WASI是一个标准接口，它提供了一些操作系统级别的功能，如文件系统和网络访问等。因此，如果你需要在WebAssembly中访问这些操作系统级别的功能，那么使用这个target是一个不错的选择。

由于我们不需要在Web环境中运行Rust代码，因此我们选择安装wasm32-unknown-unknown和wasm32-wasi两个目标。运行以下两条指令，将这两个目标平台加入到当前使用的Rust工具链中。

rustup target add wasm32-unknown-unknown
rustup target add wasm32-wasi

使用

当我们需要将一个Rust项目编译成wasm时，可以选择执行如下的两种编译命令

# 在项目根目录执行
cargo build --target wasm32-unknown-unknown  # 将在target/wasm32-unknown-unknown目录中生成build中间结果和wasm文件

# 或者执行
cargo build --target wasm32-wasi  # 将在target/wasm32-wasi目录中生成build中间结果和wasm文件

C++

安装

目前，要将C++项目编译成WebAssembly，最常用的工具链是emscripten。emscripten支持将C，C++或任何使用了LLVM的语言编译成浏览器，Node.js或wasm运行时可以运行的代码。

Emscripten is a complete compiler toolchain to WebAssembly, using LLVM, with a special focus on speed, size, and the Web platform.

WebAssembly目前支持两种标准API：

  • Web APIs
  • WASI APIs

Emscripten对JavaScript API做了重构，将其包装在与WASI接口一样的API中，然后Emscripten在编译代码时，将尽可能的使用WASI APIs，以此来避免不必要的API差异。因此Emscripten编译出来的wasm文件大部分时候可以同时运行在Web和非Web环境中。

使用如下命令下载emsdk

git clone https://github.com/emscripten-core/emsdk.git

cd emsdk

使用如下命令安装最新的工具

git pull

./emsdk install latest

./emsdk activate latest

如果临时将emsdk的工具目录加入环境变量，可以运行

source ./emsdk_env.sh

或者可以在/etc/profile.d目录中创建emsdk.sh文件，并加入如下环境变量的配置，需要将<emsdk_installed_dir>替换为emsdk所在的目录。

export PATH=$PATH:<emsdk_installed_dir>/emsdk:<emsdk_installed_dir>/emsdk/node/16.20.0_64bit/bin:<emsdk_installed_dir>/emsdk/upstream/emscripten
export EMSDK=<emsdk_installed_dir>/emsdk
export EMSDK_NODE=<emsdk_installed_dir>/emsdk/node/16.20.0_64bit/bin/node

使用如下命令测试是否安装成功，如果输出下面的信息，说明我们已经可以正常使用emscripten的工具链。

> emcc -v

emcc (Emscripten gcc/clang-like replacement + linker emulating GNU ld) 3.1.45 (ef3e4e3b044de98e1811546e0bc605c65d3412f4)
clang version 18.0.0 (https://github.com/llvm/llvm-project d1e685df45dc5944b43d2547d0138cd4a3ee4efe)
Target: wasm32-unknown-emscripten
Thread model: posix
InstalledDir: <emsdk_installed_dir>/emsdk/upstream/bin

使用

由于我们不使用Web运行时，下面将只介绍将C或C++代码编译成独立wasm二进制文件的使用方法。

  1. 简单使用
emcc -O3 hello.cpp -o hello.wasm

当我们将输出目标的后缀名指定为wasm时，编译器会自动帮我们设置如下连接选项，上面的命令与下面的命令时等价的

emcc -O3 hello.cpp -o hello.wasm -s STANDALONE_WASM

这样编译出来的结果不会包含js文件，只会包含一个可被wasmtime运行的wasm文件。

  1. 结合cmake使用

更常用的方式通常是将整个C++项目编译成wasm，因此我们需要将工具链与cmake结合来构建整个项目。

假设我们有一个cmake项目有如下项目结构

hello_project
   |-hello.cpp
   |-CMakeLists.txt

其中hello.cpp中有如下代码

#include <stdio.h>

int main() {
  printf("hello, world!\n");
  return 0;
}

CMakeLists.txt应该按照下面的方式进行改写

cmake_minimum_required(VERSION 3.26)
project(hello_project)

add_definitions(-std=c++17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)

if (DEFINED EMSCRIPTEN)
    add_executable(hello hello.cpp)

    set(CMAKE_EXECUTABLE_SUFFIX  ".wasm")

    set_target_properties(foo PROPERTIES COMPILE_FLAGS "-Os")
    set_target_properties(foo PROPERTIES LINK_FLAGS "-Os -s WASM=1 -s STANDALONE_WASM")
else()
    add_executable(hello hello.cpp)
endif ()

以上CMakeLists.txt表示，当我们使用emscripten工具链进行编译时，将输出.wasm文件，且添加对应的编译和连接选项。当我们使用其他工具链编译时，将直接输出对应平台的可执行文件。

按照上面的方式写好CMakeLists.txt后，需要使用以下命令来执行编译的过程

# 在项目根目录下
mkdir build
cd build

# 执行emcmake命令会帮我们自动配置cmake中指定的工具链为emscripten的工具链，这样就确保了使用的编译工具为emcc或em++，同时使用的标准库更改为emscripten提供的标准库
emcmake cmake ..
# 再执行make进行编译，编译后可以发现build目录中生成了hello.wasm文件
make

使用wasmtime-cli运行hello.wasm文件

> wasmtime hello.wasm

hello, world!

4 小试牛刀

实验场景

需要测试Rust代码被编译成wasm，C++代码被编译成wasm，在wasmtime中正确运行。其中C++代码可以调用Rust代码中的函数，然后外部可以调用C++代码中的函数。

  1. Rust项目：包含一个add函数，做两个整数的加法并返回结果，可以被外部调用。需要编译成wasm。
  2. C++项目：包含一个foo函数，调用Rust中的add函数并返回结果。需要编译成wasm。
  3. wasmtime项目：需要加载前面两个项目生成的wasm文件，并运行foo函数，看是否能获取正确的结果。

Rust项目编译成wasm

创建一个项目叫做demo-rust-wasmtime

cargo new demo-rust-wasmtime --lib

创建好的项目结构如下

demo-rust-wasmtime
├── Cargo.lock
├── Cargo.toml
└── src
    └── lib.rs

首先需要在Cargo.toml中配置生成的库为cdylib，这表示按照C语言的FFI来生成动态库，要想不同语言之间能够互相调用对方的函数，通常需要将不同的语言按照相同的FFI来进行编译，确保函数调用的方式是相同的。这里同时我们将Rust项目的名称修改为calc。

[package]
name = "calc"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

# See more keys and their definitions at https://doc.rust-lang.org/cargo/reference/manifest.html
[lib]
crate-type = ["cdylib"]

[dependencies]

在lib.rs中实现我们需要的add函数

#[no_mangle]
pub extern "C" fn add(left: i32, right: i32) -> i32 {
    left + right
}

这里有两个地方需要注意：

  • #[no_mangle]会通知Rust编译器，其后面的函数编译时名字不要进行混淆，确保使用add这个名称进行链接时能找到正确的函数。
  • extern "C"表示编译器需要确保函数在编译时使用与C语言相同的调用约定(ABI)，从而使得函数可以与C语言代码无缝地进行交互，当然如果我们将不同的语言都遵照C语言的ABI进行编译，那么它们之间就可以互相调用。

C语言的调用约定规定了函数参数的传递方式、返回值的处理方式以及堆栈的清理方式。

这样就定义好了Rust项目中可以让外部使用的add方法。

我们使用如下命令对项目进行编译

cargo build --target wasm32-unknown-unknown
# 或
cargo build --target wasm32-wasi

这里两种target都可以使用，因为我们的项目中并没有使用任何系统的API，所以通常使用第一种target即可。

编译后可以在target/wasm-xxx/debug/目录下看到生成的calc.wasm文件。

可以使用wasmtime-cli实验一下是否能够调用add方法：

> wasmtime calc.wasm --invoke add 101 202

warning: using `--invoke` with a function that takes arguments is experimental and may break in the future
warning: using `--invoke` with a function that returns values is experimental and may break in the future
303

可以看到已经正确输出了结果，说明这个Rust项目已经被正确编译成了wasm。

C++项目编译成wasm

创建一个项目叫做demo-cpp-wasmtime，使用cmake作为构建工具，其目录结构如下

demo-cpp-wasmtime
├── CMakeLists.txt
├── toolbox.cpp
└── toolbox.h

正如第3节讲到的，我们需要使用emscripten工具链代替gcc工具链来将这个C++项目编译成wasm。

cmake配置

因此我们需要按照如下方式配置CMakeLists.txt文件

cmake_minimum_required(VERSION 3.26)
project(demo_cpp_wasmtime)

add_definitions(-std=c++17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)

if (DEFINED EMSCRIPTEN)
    add_executable(toolbox toolbox.cpp toolbox.h)

    set(CMAKE_EXECUTABLE_SUFFIX  ".wasm")

    set_target_properties(toolbox PROPERTIES COMPILE_FLAGS "-Os -s SIDE_MODULE=1")
    set_target_properties(toolbox PROPERTIES LINK_FLAGS "-Os -s WASM=1 -s SIDE_MODULE=1 -s STANDALONE_WASM --no-entry")
else()
    add_library(toolbox toolbox.cpp)
endif ()

这里有几点需要注意的

  1. 在使用emscripten时，我们使用add_executable指定编译目标为可执行文件，这是因为wasm本身是可执行的二进制代码，在没有特殊配置时，编译后的wasm代码中会生成一个_start函数，这个函数就是运行时执行wasm代码的入口。这里如果我们将add_executable替换成add_library，则使用emscripten编译后只会生成libtoolbox.a库文件，而不会生成wasm代码。

  2. 针对emscripten编译工具链，我们配置了编译参数和链接参数

    • -Os表示开启编译优化

    • -s SIDE_MODULE=1表示将toolbox编译成module，这样生成的wasm就类似动态链接库，可以让wasmtime在运行时动态链接这份wasm代码。

      emscripten支持将代码编译成两种不同的module

      1. Main modules：系统库会被链接进去
      2. Side modules：系统库不会被链接进去

      通常一个完整的项目只能有一个Main module，这个Main module可以链接多个Side module

      这里的编译选项SIDE_MODULE可以被设置为1或者2，设置成2则编译器会优化掉大量未被使用的代码或未被标记为EMSCRIPTEN_KEEPALIVE的代码，设置成1则会保留所有代码。

    • -s WASM=1表示只输出wasm文件，设置为0表示只输出js代码，设置成2表示两种代码都输出

    • -s STANDALONE_WASM表示编译的wasm是不依赖web环境而运行的

    • --no-entry编译生成的wasm代码通常需要有一个入口函数，也就是C++中需要有main函数，然而我们这里toolbox.cpp中将只有一个foo函数，因此我们需要使用这个链接参数来表示我们不需要入口函数。

代码实现

toolbox.h头文件如下

#pragma once

extern "C" {
int foo(int right);
}

类似Rust，这里我们声明了一个函数foo，并使用extern "C"表示这个foo函数需要按照C语言ABI进行编译。

接下来是toolbox.cpp的实现

#ifdef __EMSCRIPTEN__
#include <emscripten.h>
#else
#define EMSCRIPTEN_KEEPALIVE
#define EM_IMPORT(NAME)
#endif


extern "C" {
EM_IMPORT(add) int add(int a, int b);
}

extern "C" {
EMSCRIPTEN_KEEPALIVE int foo(int right) {
    return add(1, right);
}
}

下面解释一下代码中的几个宏的作用：

  • #ifdef __EMSCRIPTEN__：当我们使用emscripten工具链编译这个项目时，__EMSCRIPTEN__会被自动定义

  • EMSCRIPTEN_KEEPALIVE和EM_IMPORT(NAME)：

    这是头文件emscripten.h中定义的宏，查看源码可以发现

    #define EMSCRIPTEN_KEEPALIVE __attribute__((used))

#ifdef __wasm__
#define EM_IMPORT(NAME) __attribute__((import_module("env"), import_name(#NAME)))
#else
#define EM_IMPORT(NAME)
#endif

    __attribute__((used))的作用是告诉编译器，即使该变量或函数没有被直接使用，也不要将其优化掉。这在一些特殊的情况下很有用，例如当你想要确保某个变量或函数在编译后的可执行文件中存在，即使它在代码中没有被显式调用或使用。这样就确保了我们的foo函数不会被编译器优化掉

    __attribute__((import_module("env"), import_name(#NAME)))是用于WebAssembly的特殊属性，用于指定导入函数所属的模块和导入函数的名称。在WebAssembly中，可以从外部导入函数，这些函数通常由宿主环境（如浏览器或wasmtime）提供。当你使用__attribute__((import_module("env"), import_name(#NAME)))属性时，它告诉WebAssembly运行时，该函数属于名为"env"的模块，并且其导入名称为#NAME。

使用EM_IMPORT(add)宏告诉编译器，这里声明的add方法其具体实现来自于其他模块，具体就是来自于env模块中的add函数。因此这里声明的add方法其实可以起任意的名字，只要签名与env模块中的add方法相同即可。

编译

使用如下命令进行编译

# 在项目根目录下
mkdir build
cd build

emcmake cmake ..
make

编译后在build目录下会生成toolbox.wasm二进制文件。

我们可以使用wasm2wat命令将编译好的wasm二进制文件转换成可读的wat文件来看一下生成的代码的结构

如果没有安装wasm2wat命令可以使用一下命令来安装

sudo apt install wabt

执行wasm2wat toolbox.wasm -o toolbox.wat命令后，可以打开toolbox.wat文件查看其结构如下

(module
  (type (;0;) (func (param i32 i32) (result i32)))
  (type (;1;) (func))
  (type (;2;) (func (param i32) (result i32)))
  (import "env" "add" (func (;0;) (type 0)))
  (func (;1;) (type 1))
  (func (;2;) (type 2) (param i32) (result i32)
    i32.const 1
    local.get 0
    call 0)
  (export "__wasm_call_ctors" (func 1))
  (export "__wasm_apply_data_relocs" (func 1))
  (export "foo" (func 2)))

可以看出，代码中import "env" "add"表示add函数来自env module的add函数。同时export "foo"表示toolbox.wasm对外暴露了foo函数。

wasmtime项目

wasmtime项目可以使用wasmtime支持的各种语言实现，这里我们以C++为例，看看如何将前面两个项目生成的.wasm文件调用起来。

创建一个项目叫做demo-run，使用cmake进行项目构建，其目录结构如下

demo-run
├── CMakeLists.txt
└── main.cpp

cmake配置

wasmtime项目可以使用gcc工具链进行编译，因此它的CMakeLists.txt可以正常进行配置

cmake_minimum_required(VERSION 3.26)
project(demo_run)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)

add_executable(demo_run main.cpp)
target_link_libraries(demo_run PUBLIC wasmtime)

因为我们需要在代码中使用wasmtime的库，因此这里需要使用target_link_libraries(demo_run PUBLIC wasmtime)将wasmtime链接进来。这也就要求必须先按照第2节中的安装方式配置好wasmtime的环境变量。

代码实现

具体wasmtime提供的每个API的用法在这里不多做赘述，具体可以参考wasmtime官方文档和官方提供的examples

#include <iostream>
#include <wasmtime.hh>
#include <fstream>

using namespace wasmtime;


std::vector<unsigned char> readFile(const char *name) {
    std::ifstream watFile(name, std::ios::binary);
    std::vector<unsigned char> arr;
    char byte;
    while (watFile.get(byte)) {
        arr.push_back(byte);
    }
    return arr;
}

int main() {
    std::cout << "Compiling module" << std::endl;
    Engine engine;

    // 加载calc.wasm成为module
    auto calcByteArr = readFile("calc.wasm");
    Span<uint8_t> calcSpan(calcByteArr.data(), calcByteArr.size());
    auto calcModule = Module::compile(engine, calcSpan).unwrap();

    // 加载toolbox.wasm成为module
    auto toolboxByteArr = readFile("toolbox.wasm");
    Span<uint8_t> toolboxSpan(toolboxByteArr.data(), toolboxByteArr.size());
    auto toolboxModule = Module::compile(engine, toolboxSpan).unwrap();

    std::cout << "Initializing..." << std::endl;
    Store store(engine);
    store.context().set_wasi(WasiConfig()).unwrap();

    std::cout << "Linking..." << std::endl;
    Linker linker(engine);
    linker.define_wasi().unwrap();

    // 链接器初始化calc module，实例化成具体的Instance
    auto calcInst = linker.instantiate(store, calcModule).unwrap();

    // 将上一步的calcInst中的所有export的对象定义到env module名下
    linker.define_instance(store, "env", calcInst).unwrap();

    // 链接器初始化toolbox module，实例化成具体的Instance
    auto toolboxInst = linker.instantiate(store, toolboxModule).unwrap();

    // 获取toolboxInst中的foo方法
    auto func = std::get<Func>(toolboxInst.get(store, "foo").value());

    // 调用foo方法，传入参数7,
    auto fooRes = func.call(store, {7}).unwrap();

    // 打印结果 FooResult: 8
    std::cout << "FooResult: " << fooRes[0].i32() << std::endl;

    return 0;
}

就像注释中写的那样，我们将calc.wasm中export的方法add添加到了名称为env的module下，这样上一步中C++编译成的.wasm代码就可以链接到这个add方法。

编译与运行

mkdir build
cd build
cmake ..
make

执行编译后会生成可执行文件demo_run，由于代码还要依赖两个.wasm文件，因此我们这里手动将前面两个项目生成的.wasm文件拷贝到demo_run可执行文件的同级目录下。

运行生成的demo_run可执行文件后可得如下输出

> ./demo_run

Compiling module
Initializing...
Linking...
FooResult: 8

以上就实现了C++和Rust通过wasmtime实现相互调用的过程。

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