使用 Docker 和 Golang 快速上手 WebAssembly

soulteary

发布于 2021-11-25 10:20:00

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发布于 2021-11-25 10:20:00

文章被收录于专栏：为了不折腾而去折腾的那些事

本文将聊聊，如何使用 Docker 和 Golang 快速上手 WebAssembly。我会分别从浏览器场景和“通用应用”场景来进行叙述，如果你还徘徊在 WebAssembly 的门前，或许这篇文章会对你所有帮助。

写在前面

如果从 2017 年浏览器纷纷开始以实验性的方式，支持 Web WebAssembly 功能来看，在浏览器使用非 JavaScript 来完成计算的风已经吹了五年了。不过，感受到 Wasm 生态真正发力的是近三年。

大环境的变化，让行业生态中音视频、云计算、物联网有了更广阔的市场，以及在降本提效上更高的追求，此为天时。如果说 Wasm 生态中的 C 位是 Mozilla，那么去年在 Mozilla 裁员事件出现后，他们迅速成立 Rust 的基金会，以保障 Rust 开发团队能够独立、稳定地运行，保护 Rust 以及周边项目的持续发展，为生态提供土壤，此可谓地利。

天时地利，只待人和。

国内外经济环境均有了前所未有的变化，在少了不少外部资本诱惑之后，能够感受到这几年来，基础技术设施的蓬勃发展，这里面少不了各种优秀的工程师正在将注意力从“业务”，逐步转移到“技术”上。目前 Wasm 王国在它的一等公民 Rust 高速发展和推动下，已经吸引了不少其他语言生态、知名商业公司的注意力。至于何时爆发，我个人认为，只是时间问题。

不过需要注意的是，**没有技术会是银弹，只有把技术放在适用的场景下才能达到事半功倍的效果。**那么哪些场景适合 WebAssembly 呢？

为了行文方便，接下来 WebAssembly 会简称为 Wasm。

适用场景 & 优势

先来看看，近三年业界公开表明已使用它的场景：

做在线设计工具的业务场景，比如 Figma：早在 2017 年，Figma 就借助这项技术进行了产品优化，《WebAssembly cut Figma's load time by 3x》，他们的工程师 Rasmus Andersson 也从比较底层的角度分析了 wasm。
复杂的在线 IDE 产品，比如 vim.wasm：在 2019 开始正式进行开发的基于 wasm 的 VIM 完整移植版。使用 Web Worker 和 SharedArrayBuffer 解决了在浏览器端 JS 和 wasm 进行数据交互时的延迟问题。
云计算场景的边缘计算，比如 Cloudflare、fastly ：《WebAssembly on Cloudflare Workers》、《Compute@Edge》
云计算场景网关能力扩展，比如 Envoy & istio、蚂蚁金服、MegaEase、ApiSix：《Istio1.5 & Envoy 数据面 WASM 实践》、《WebAssembly 在 MOSN 中的实践 - 基础框架篇》、《用 Easegress + WebAssembly 做秒杀》、《云原生网关 APISIX 核心流程源码分析与进化方向思考》
在线音视频处理，比如 Zoom、声网 agora、字节跳动：《Zoom on Web: WebAssembly SIMD, WebTransport, and WebCodecs》、《How WebRTC & WASM are opening new opportunities for web apps》、《如何通过 WebAssembly 在 Web 进行实时视频人像分割》、《Bilibili - WebAssembly在多媒体场景的实践与思考》
高性能的复杂在线数据可视化，比如 perspective：https://github.com/finos/perspective
浏览器端的前端加密场景，比如coupang ：《WebAssembly 在性能及加密场景的深度探索》

如果将上面的场景进行归纳，我们可以看到，在浏览器端、云计算、嵌入式方向，WebAssembly 的优势还是比较大的：

用比较低的代码量来扩展现有业务能力（云端、浏览器端）
充分使用客户端的计算能力，节约云服务器带宽和计算资源成本（浏览器端）
利用 wasm 高性能计算方面带来的优势，解决复杂的计算的执行效率问题（可视化、通用计算场景）
快速复用其他语言技术栈道能力，借助容器化的思路快速迭代产品（云端、浏览器端、嵌入式）
使用更流行、易于开发维护，或者贴合自己团队的语言来进行产品迭代（嵌入式）
前端敏感内容的加密处理（浏览器端）

简单起步：浏览器中的 WebAssembly

循序渐进，我们先从最简单的场景开始：浏览器。

环境准备

如果你不想折腾 golang 的本地开发环境，我们可以使用 Docker 来快速创建一个运行环境：

docker run --rm -it -v `pwd`/code:/app -p 8012:8012 golang:1.17.3-buster bash

这里，我们将本地的 code 目录，映射到容器内的 /app 目录中，并将本地和容器中的 8012 端口打通，以备后续使用。

接着，在命令执行完毕后的容器的终端控制台中进行项目的初始化：

cd /app
go mod init soulteary.com/wasm-demo/v2

然后，使用你喜欢的方式（在容器内或者在本地 IDE中），创建一个 golang 的程序文件，比如 main.go：

package main

import "fmt"

func main() {
 fmt.Println("一切都将从这里开始")
}

完成之后，在容器控制台内执行 go run main.go，不出意外，将看到 “一切都将从这里开始”的文本输出结果。

因为我们要演示的场景包含前端，所以还需要有一个简单的 Web 服务器，继续使用 golang 写一个简单的 Web 服务器吧。

package main

import (
 "log"
 "net/http"
)

func main() {
 log.Fatal(http.ListenAndServe(":8012", http.FileServer(http.Dir("."))))
}

将上面的内存保存为 server.go，当我们执行它的时候，它会将本地作为服务器根目录，对访问者提供 Web 服务。

在这个场景下，工程师们一般会有几个问题：

如何得到一个 Wasm 程序
如何将这个程序放在浏览器中运行；
如何让浏览器中的 JavaScript 能够调用 WASM 的导出函数。（ Golang 程序中的函数）
以及如何针对整个程序进行进一步性能优化

在 “Show You The Code” 的过程中，我们将依次解答上面的问题。

从 Golang 创建 WebAssembly 程序

将 Golang 程序“变成” WebAssembly 一般会采取两种方案：

使用 Golang 原生编译器进行编译。
使用 TinyGo 编译器进行编译。

Golang “原生编译器方案”适用性非常好，适合项目初期开发、或者不太介意编译产物尺寸、程序首次分发时间的 B 端产品使用，如果你愿意投入时间做产物体积裁剪，也能够获得不错的结果。构建命令一般会类似 GOOS=js GOARCH=wasm go build -o YOUR_MODULE_NAME.wasm .，构建产物需要配合 Golang wasm_exec.js 使用。

相比较前者，TinyGo 的编译结果更小巧，可以用于嵌入式场景（官方目前支持60多种单片机）、支持 WASI 接口的云计算场景，以及本文本小节提到的 Web 场景。经过 GZip 压缩后，你的程序甚至不如一张图片大。构建命令和原生类似 tinygo build --no-debug -o YOUR_MODULE_NAME.wasm -target wasi .，不同的是，除了支持构建结果为 wasm 之外，支持沟通通用的 wasi ，方便你进行多端功能复用。（这个能力在分发模式上类似 Docker、在应用角度来看，则有些类似 Node 刚出现时，我在淘宝团队实践的前后端代码复用。）

我们先以原生方式为例，基于“环境准备”小节中的内容，使用下面的命令就能够完成对 wasm 的编译啦：

GOOS=js GOARCH=wasm go build -o module.wasm main.go

接着，将 Golang 提供的 “JS Bridge” 复制到项目根目录。

cp "$(go env GOROOT)/misc/wasm/wasm_exec.js" .

然后，编写一个落地页，让它能够加载上面的 JS Bridge，自动下载我们编译好的 wasm 程序，在程序下载完成后自动执行：

<html>
<head>
  <meta charset="utf-8" />
  <title>Go wasm</title>
</head>
<body>
  <script src="wasm_exec.js"></script>

  <script>
    if (!WebAssembly.instantiateStreaming) {
      // polyfill
      WebAssembly.instantiateStreaming = async (resp, importObject) => {
        const source = await (await resp).arrayBuffer();
        return await WebAssembly.instantiate(source, importObject);
      };
    }

    const go = new Go();

    let mod, inst;

    WebAssembly.instantiateStreaming(fetch("module.wasm"), go.importObject).then(
      async (result) => {
        mod = result.module;
        inst = result.instance;

        await go.run(inst);
        inst = await WebAssembly.instantiate(mod, go.importObject); // reset instance
      }
    );

  </script>
</body>
</html>

一切就绪后，我们执行 go run server.go。在浏览器中访问 localhost:8012 就能够看到控制台中输出了上文中久违的字符串：“一切都将从这里开始”。

浏览器中出现了 Wasm 输出的内容

创建可与 JS 交互的 API 接口

我们以一个基础的 MD5 计算为例展开本小节的故事：假设我们需要让浏览器中的 JavaScript 调用 Golang 中的 MD5 计算函数。

先对“环境准备”小节中的“main.go” 文件进行调整，完成基础计算部分。

package main

import (
 "crypto/md5"
 "fmt"
)

func main() {
 fmt.Println("一切都将从这里开始")
 fmt.Println(CalcMd5("想要计算的结果"))
}

func CalcMd5(src string) string {
 return fmt.Sprintf("%x", md5.Sum([]byte(src)))
}

使用 go run main.go 运行程序，可以看到类似下面的结果：

一切都将从这里开始
849d1b972ec01975a9d1e16f804fec94

接着，将上面的程序进行语法调整，将新增的函数 CalcMd5 声明为 JS 可访问的Wasm 导出函数。

package main

import (
 "crypto/md5"
 "fmt"
 "syscall/js"
)

func main() {
 fmt.Println("一切都将从这里开始")

 wait := make(chan struct{}, 0)
 js.Global().Set("CalcMd5", js.FuncOf(CalcMd5))
 <-wait
}

func CalcMd5(this js.Value, p []js.Value) interface{} {
 ret := fmt.Sprintf("%x", md5.Sum([]byte(p[0].String())))
 return js.ValueOf(ret)
}

执行 GOOS=js GOARCH=wasm go build -o module.wasm main.go 对模块进行编译构建。然后再次执行 go run server.go，在浏览器中的控制台中，我们就能够通过 JS 调用刚刚在 Golang 中创建的计算 MD5 的函数 CalcMd5 了。

在浏览器中调用 Wasm 函数

如果你的项目没有使用 cgo ，那么可以考虑直接使用 TinyGo 进行编译器替换，编译的默认产物将缩小到一个让你惊讶的尺寸。(TinyGo 的代码示例，关于 TinyGo 的讨论，下文中有详细展开，再次不做更多描述）

想要使用 TinyGo，需要先调整之前的 JS Bridge 为 TinyGo 的版本。

cp "$(tinygo env TINYGOROOT)/targets/wasm_exec.js" .

继续使用 tinygo build --no-debug -o module.tiny.wasm -target wasm main.go 构建小巧的 wasm 程序即可。程序构建完毕，我们对照一下原生构建的文件的尺寸变化，可以看到优化结果非常明显，甚至进一步压缩之后，文件尺寸大小只有 64kb 左右：

du -hs *
148K module.tiny.wasm
2.0M module.wasm
// 64K module.tiny.wasm.gz

当然，使用 Go 创建的程序，并不单单是创建让 JS 调用的接口，还能够在 Go 中调用浏览器环境中的 JS API，或者在 Go 中直接操作浏览器 BOM API，来改变整个浏览器中页面的呈现和行为。

TinyGo 异常报错修复

在浏览器控制台中使用 TinyGo 版本的程序，可能会出现一些异常报错，比如会收到：“syscall/js.finalizeRef not implemented” 这类报错，解决方案可以参考 GitHub 中的方案，对 wasm_exec.js 文件打个补丁。

进阶操作：拿 WebAssembly 当容器使用，构建通用 WASI 程序

在最近十年里，不少语言都曾提出了“write once，run anywhere”的宏伟目标，其中 Node.js 更是使用语言同构的思路进行了践行。然而在容器时代，我们发现，异构的技术栈也很香啊，只要你的应用接口能够标准化、通讯效率足够高、计算过程中损失成本小就行了。

我们可以将现有的容器技术视作带有 OS 、程序运行依赖的，高纬度的轻量应用运行环境。而 WASI 应用，则是粒度更细的“灵活容器”：它可以被任何环境中、非常多的语言集成使用，在执行过程中被以更 low-level 的方式解析执行，或者作为轻量的沙盒使用。 如果说以前我们将程序扔在容器里，用显示声明的方式来实现“code as infrastructure”，那么 Wasm/ WASI 的到来，则让我们的程序本身具备了组件容器化的能力，尤其是针对跨栈、异构场景的能力扩展。

环境准备

为了体验 Wasm 程序的“通用性”，我们将编写一个 Wasm 程序，并使用浏览器、Node、Golang 三种不同的运行环境来对其进行调用。为了能够快速的开发和验证，我这里准备了一个简单的容器环境：

FROM golang:1.17.3-buster
# 前置准备
RUN sed -i -e "s/deb\.debian\.org/mirrors\.tuna\.tsinghua\.edu\.cn/" /etc/apt/sources.list && \
    sed -i -e "s/security\.debian\.org/mirrors\.tuna\.tsinghua\.edu\.cn/" /etc/apt/sources.list && \
    apt-get update && apt-get install -y && \
    rm /bin/sh && ln -s /bin/bash /bin/sh && \
    echo 'debconf debconf/frontend select Noninteractive' | debconf-set-selections
# 准备 Go 环境
RUN go env -w GO111MODULE=on
RUN go env -w  GOPROXY=https://goproxy.cn,direct
RUN curl -L https://github.com/tinygo-org/tinygo/releases/download/v0.21.0/tinygo_0.21.0_amd64.deb -o tinygo_0.21.0_amd64.deb && \
    dpkg -i tinygo_0.21.0_amd64.deb
# 安装 wasmer
RUN curl https://get.wasmer.io -sSfL | sh
# 准备 Node 环境
RUN curl -o- https://raw.githubusercontent.com/nvm-sh/nvm/v0.39.0/install.sh | bash
ENV NVM_DIR /root/.nvm
ENV NVM_NODEJS_ORG_MIRROR "https://npm.taobao.org/mirrors/node"
RUN . $NVM_DIR/nvm.sh && nvm install node

WORKDIR /app

将上面的内容保存为 Dockerfile，然后使用 docker build -it wasm-dev-env . 执行构建。考虑到使用时的简单，我们还可以编写一个容器编排配置：

version: '3'

services:

  wasm-dev-env:
    image: wasm-dev-env
    volumes:
      - ./app:/app
    command: tail -f /etc/hosts
    ports: 
      - 8081:8081
      - 8082:8082
      - 8083:8083

将上面的内容保存为 docker-compose.yml ，然后使用 docker-compose up -d 启动容器，容器启动后，使用 docker-compose exec wasm-dev-env bash 就能够进入我们的开发环境了，先来看一下各个组件的版本。

# go version
go version go1.17.3 linux/amd64

# node --version
v17.1.0

# wasmer --version
wasmer 2.0.0

#tinygo version
tinygo version 0.21.0 linux/amd64 (using go version go1.17.3 and LLVM version 11.0.0)

编写通用的 WASI 程序

考虑到实用性和趣味性，这里我将会把一个开源的 Go 软件编译成 WASI 程序，来让其他的语言的程序进行调用。我选择的开源项目是能够将普通的文本转换为 ASCII ART 的 https://github.com/common-nighthawk/go-figure

先来初始化项目目录。

mkdir /app/wasm
cd /app/wasm
go mod init soulteary.com/wasm-demo/v2

接着，创建一个名为 funny.go 的程序：

package main

import (
 "github.com/common-nighthawk/go-figure"
)

func main() {}

//export HelloWorld
func HelloWorld() {
 myFigure := figure.NewFigure("Hello World", "", true)
 myFigure.Print()
}

然后使用 tinygo build --no-debug -o module.wasm -wasm-abi=generic -target=wasi funny.go 进行程序编译。不过由于 TinyGo 目前的 fs 模块的兼容性问题，我们的编译会失败：

# github.com/common-nighthawk/go-figure
../../go/pkg/mod/github.com/common-nighthawk/go-figure@v0.0.0-20210622060536-734e95fb86be/bindata.go:3606:11: MkdirAll not declared by package os
../../go/pkg/mod/github.com/common-nighthawk/go-figure@v0.0.0-20210622060536-734e95fb86be/bindata.go:3614:11: Chtimes not declared by package os

考虑到我们可以不需要原始项目中自定义外部资源的能力，所以可以直接针对报错的依赖文件进行调整，删除 TinyGo 中不支持的 API 方法。在完成调整之后，再次进行编译，会看到很快就能够得到我们所需要的 WASI 程序了。

du -hs *
4.0K funny.go
4.0K go.mod
4.0K go.sum
704K module.wasm

在 Node 中运行 WASI 标准的 WebAssembly 程序

在 Node.js 中运行 Wasm 有两种方案，一种是使用 Node 中的 WebAssembly 对象，直接运行传统的 Wasm 程序，另外一种则是使用 WASI 接口运行 Wasm 程序。

虽然第二种方案目前在 Node 中还处于实验状态，需要使用参数启用，但是毕竟是未来的标准，这里依旧推荐采用第二种方式。

const { readFileSync } = require('fs');
const { WASI } = require('wasi');
const { argv, env } = require('process');

(async function () {
    const wasi = new WASI({ args: argv, env });
    const importObject = { wasi_snapshot_preview1: wasi.wasiImport, /** or: wasi_unstable: wasi.wasiImport **/ };
    const wasm = await WebAssembly.compile(readFileSync("./module.wasm"));
    const instance = await WebAssembly.instantiate(wasm, importObject);
    wasi.start(instance);

    const { HelloWorld } = instance.exports;
    HelloWorld();
}());

将上面的内容保存为 index.js，接着使用 node --experimental-wasi-unstable-preview1 index.js 执行程序，可以看到我们成功的在 Node.js 中调用了使用 Go 编译的 Wasm 程序，输出了“艺术字”。

(node:15307) ExperimentalWarning: WASI is an experimental feature. This feature could change at any time
(Use `node --trace-warnings ...` to show where the warning was created)
  _   _          _   _            __        __                 _       _
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在浏览器中运行 WASI 标准的 WebAssembly 程序

前文中已经提到了一种方案，接下来我们来尝试第二种运行方案。首先准备项目目录，以及进行项目初始化。

mkdir /app/js-app
cd /app/js-app
npm init-y
npm i parcel parcel-bundler @wasmer/wasi @wasmer/wasmfs @wasmer/wasm-transformer --registry=https://registry.npmmirror.com
mkdir dist
cp module.wasm dist/

上面的命令执行完毕后，我们在项目目录的 package.json 中添加一个字段内容，尽可能的减少不必要的兼容性转换（你可以根据你的实际情况调整）：

  "browserslist": [
    "last 1 Chrome versions"
  ],

创建一个用于展示的落地页面，index.html：

<html>
  <body>
    <script src="./index.js" type="module"></script>
  </body>
</html>

然后，创建我们的核心脚本程序，index.js：

import { WASI } from '@wasmer/wasi/lib'
import browserBindings from '@wasmer/wasi/lib/bindings/browser'
import { WasmFs } from '@wasmer/wasmfs'

const wasmFilePath = '/module.wasm'
const wasmFs = new WasmFs()

let wasi = new WASI({
  args: [wasmFilePath],
  env: {},
  bindings: {
    ...browserBindings,
    fs: wasmFs.fs
  }
})

const startWasiTask =
  async pathToWasmFile => {
    let response = await fetch(pathToWasmFile)
    let wasmBytes = new Uint8Array(await response.arrayBuffer())

    let wasmModule = await WebAssembly.compile(wasmBytes);
    let instance = await WebAssembly.instantiate(wasmModule, {
      ...wasi.getImports(wasmModule)
    });

    wasi.start(instance)
    instance.exports.HelloWorld()

    let stdout = await wasmFs.getStdOut()
    document.write(`<p>Standard Output:</p><pre>${stdout}</pre>`)
  }

startWasiTask(wasmFilePath)

文件都准备继续之后，使用 ./node_modules/.bin/parcel index.html --port=8081 启动服务，在浏览器中访问 localhost:8081，你将会看到调用 Wasm 程序输出的内容：

Standard Output:

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浏览器中 Go Wasm 的程序输出

在 Go 程序中运行 WASI 标准的 WebAssembly

想在 Golang 中运行由 Golang 编写的具备 WASI 标准接口的 Wasm，其实还是有一点挑战的。一般情况下，你可能会遇到下面这些问题：

首先，你暂时不能通过 Golang 的编译器构建一个标准的支持 WASI 标准的 Wasm 程序。
其次，如果你使用比较流行的 wasmer-go 或者其他的运行时尝试执行标准的 WASI 程序，可能会遇到一些因为兼容性问题导致的报错，比如：``Missing import: `wasi_snapshot_preview1`.`fd_write```。
最后，如果你侥幸修复了这些问题，你会发现在没有 WAT 文本格式文件的前提下，你还需要手动补全 Wasm 程序的导出函数，才能够正常使用程序。

关于上面的这些问题，在 wasmer-go 维护者的回答中曾提到，关于生成 WASI 标准的程序的方式，wasmer-go 项目的维护者们也不止一次的建议我们使用 TinyGo 替代默认的 Golang 编译器。如果你想使用 wasmer-go 来完成这件事，会遇到一些问题，维护者目前并不考虑朝着这个方向完善，并推荐我们使用 https://github.com/go-wasm-adapter/go-wasm 这个项目，来将上文中在浏览器中起到桥接作用的 JS Bridge 代码，在 Go 的代码中“运行一次”，将运行环境“垫平”。或考虑使用 https://github.com/mattn/gowasmer 的项目，针对 TinyGo 的产物进行“垫平”操作。

回想起文章一开始提到的，各种云服务网关都陆陆续续开始支持 WASM 的方式来扩展能力，而我们之前熟悉的 Traefik 却采用了类似 Nginx 的方案，则使用了另外一种更笨重的方案，官方团队提供基于 Golang 的 SDK，然后使用基于约定的方式动态从本地或远程加载这些同构的应用。采取这个技术路线的原因里，或许有一大部分正是出于上面的种种现实问题。

不过，2021 即将结束，这个问题还会是问题吗？

其实，早在今年年中的时候，wasmer-go 就可以通过 WASI 的方式来运行 Wasm 了，不过官方的项目缺少一个可以使用的示例。在经过一些尝试之后，我解决了这个问题，下面跟着我一起来玩吧。

先创建项目目录，进行一些初始化操作：

mkdir /app/go-app
cd /app/go-app/
go mod init soulteary.com/go-app/v2
cp /app/wasm/module.wasm .

接着，安装最新版本的 wasmer-go 项目运行时：

go get github.com/mattn/gowasmer

然后，编写一个简单的 Golang 程序，来加载 Wasm 程序，并执行它：

package main

import (
 "fmt"
 "io/ioutil"

 wasmer "github.com/wasmerio/wasmer-go/wasmer"
)

func main() {
 wasmBytes, _ := ioutil.ReadFile("module.wasm")

 store := wasmer.NewStore(wasmer.NewEngine())
 module, _ := wasmer.NewModule(store, wasmBytes)

 wasiEnv, _ := wasmer.NewWasiStateBuilder("wasi-program").
  // Choose according to your actual situation
  // Argument("--foo").
  // Environment("ABC", "DEF").
  // MapDirectory("./", ".").
  Finalize()
 importObject, err := wasiEnv.GenerateImportObject(store, module)
 check(err)

 instance, err := wasmer.NewInstance(module, importObject)
 check(err)

 start, err := instance.Exports.GetWasiStartFunction()
 check(err)
 start()

 HelloWorld, err := instance.Exports.GetFunction("HelloWorld")
 check(err)
 result, _ := HelloWorld()
 fmt.Println(result)
}

func check(e error) {
 if e != nil {
  panic(e)
 }
}

将上面的内容保存为 main.go，然后执行 go run main.go。不出意外，你将会看到类似下面的结果：

  _   _          _   _            __        __                 _       _
 | | | |   ___  | | | |   ___     \ \      / /   ___    _ __  | |   __| |
 | |_| |  / _ \ | | | |  / _ \     \ \ /\ / /   / _ \  | '__| | |  / _` |
 |  _  | |  __/ | | | | | (_) |     \ V  V /   | (_) | | |    | | | (_| |
 |_| |_|  \___| |_| |_|  \___/       \_/\_/     \___/  |_|    |_|  \__,_|
<nil>