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WebAssembly技术_在Web端运行C与C++程序

DS小龙哥发表于 2022/02/17 08:54:25 2022/02/17

【摘要】这篇文章介绍在win10环境下搭建WebAssembly环境，使用emcc将C/C++代码编译成JS可以调用的接口，供前端JS调用，使JS完成与C/C++代码完成交互。WebAssembly技术的目的就是提高web端代码性能，把C/C++代码搬到web端运行，理论上可以大大提高web端的运行效率。

1. WebAssembly技术介绍

WebAssembly是2015年诞生的一项新的技术，在2015年7月，Wasm首次对外公开，并正式开始设计，同年，W3C成立了Wasm社区小组（成员包括Chrome、Edge、Firefox和WebKit），致力于推动Wasm技术的早期发展。

wasm 是一个可移植、体积小、加载快并且兼容 Web 的全新格式。

WebAssembly的中文官网：http://webassembly.org.cn/

来至官网的介绍：

WebAssembly 是由主流浏览器厂商组成的 W3C 社区团体制定的一个新的规范。

高效
WebAssembly 有一套完整的语义，实际上 wasm 是体积小且加载快的二进制格式，其目标就是充分发挥硬件能力以达到原生执行效率

安全
WebAssembly 运行在一个沙箱化的执行环境中，甚至可以在现有的 JavaScript 虚拟机中实现。在web环境中，WebAssembly将会严格遵守同源策略以及浏览器安全策略。

开放
WebAssembly 设计了一个非常规整的文本格式用来、调试、测试、实验、优化、学习、教学或者编写程序。可以以这种文本格式在web页面上查看wasm模块的源码。

标准
WebAssembly 在 web 中被设计成无版本、特性可测试、向后兼容的。WebAssembly 可以被 JavaScript 调用，进入 JavaScript 上下文，也可以像 Web API 一样调用浏览器的功能。当然，WebAssembly 不仅可以运行在浏览器上，也可以运行在非web环境下。

由于不同的计算机 CPU 架构不同，机器码标准有所差别，常见的架构有 x86、AMD 64、ARM，因此高级语言编译成可执行代码时需要指定目标架构。

WebAssembly 抹平了不同 CPU 架构的机器码，WebAssembly 的机器码不能放在任何一个平台上运行，但由于非常接近机器码，可以被非常快速的翻译为对应架构的机器码。因此，WebAssembly 的运行速度和机器码非常接近。

通过官网的介绍看出，WebAssembly技术的目的就是提高web端代码性能，总所周知C/C++语言的运行性能一直是天花板，许多 3D 游戏，大型图形编辑相关的工具软件都是用 C/C++ 语言写的，如果能把C/C++代码搬到web端运行，那么理论上可以大大提高web端的运行效率。

要使用WebAssembly技术，需要先安装Emscripten编译器，这个Emscripten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。

在WebAssembly官网有介绍如何编译安装Emscripten SDK，网站地址： http://webassembly.org.cn/getting-started/developers-guide/

Emscripten的官网也有详细介绍： https://emscripten.org/docs/getting_started/downloads.html

2. 安装Emscripten编译器

官网上有步骤介绍，这里再把安装的步骤做个总结。

注：当前是在win10 64 位环境下操作。

（1）需要先安装python环境，推荐安装python3.X，因为Emscripten编译器里用到了python命令。

python环境安装看这里：

https://xiaolong.blog.csdn.net/article/details/118497618

https://xiaolong.blog.csdn.net/article/details/118529329

（2）安装Git工具，因为需要使用git命令在线从仓库下载需要的文件。

Git工具安装看这里：翻到Git工具安装章节。

https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/article/details/116541069

（3）从GitHub仓库下载编译器项目文件，选择一个英文目录，鼠标右键，打开git命令行。（安装完Git工具后会自动关关键鼠标右键）

运行下面命令进行下载，过程中需要等待一段时间。

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

下载成功后，当前目录下会出现一个emsdk目录。

（4）在当前目录下的文件夹地址栏里输入cmd，按下回车，快速打开cmd命令终端。

输入命令进入到emdk目录下。

cd emsdk

（5）安装最新的SDK并激活，在当前命令行继续输入命令。注: 安装要一点时间，需要耐心等待，具体速度看网络情况。

emsdk install latest
emsdk activate latest --permanent

完成输出的过程：

C:\Qt\emsdk>emsdk install latest
Installing SDK 'sdk-releases-upstream-37fc7647c754ac9a28ad588c143b82286de0ef71-64bit'..
Skipped installing node-12.18.1-64bit, already installed.
Skipped installing python-3.7.4-pywin32-64bit, already installed.
Skipped installing java-8.152-64bit, already installed.
Installing tool 'releases-upstream-37fc7647c754ac9a28ad588c143b82286de0ef71-64bit'..
Downloading: C:/Qt/emsdk/zips/37fc7647c754ac9a28ad588c143b82286de0ef71-wasm-binaries.zip from https://storage.googleapis.com/webassembly/emscripten-releases-builds/win/37fc7647c754ac9a28ad588c143b82286de0ef71/wasm-binaries.zip, 476624087 Bytes
Unpacking 'C:/Qt/emsdk/zips/37fc7647c754ac9a28ad588c143b82286de0ef71-wasm-binaries.zip' to 'C:/Qt/emsdk/upstream'
Done installing tool 'releases-upstream-37fc7647c754ac9a28ad588c143b82286de0ef71-64bit'.
Running post-install step: npm ci ...
Running post-install step: npm install google-closure-compiler-windows
Done running: npm ci
Done installing SDK 'sdk-releases-upstream-37fc7647c754ac9a28ad588c143b82286de0ef71-64bit'.

C:\Qt\emsdk>emsdk activate latest --permanent
Registering active Emscripten environment permanently

Setting the following tools as active:
   node-12.18.1-64bit
   python-3.7.4-pywin32-64bit
   java-8.152-64bit
   releases-upstream-37fc7647c754ac9a28ad588c143b82286de0ef71-64bit

Setting environment variables:
PATH = C:\Qt\emsdk;C:\Qt\emsdk\node\12.18.1_64bit\bin;C:\Qt\emsdk\python\3.7.4-pywin32_64bit;C:\Qt\emsdk\java\8.152_64bit\bin;C:\Qt\emsdk\upstream\emscripten;C:\Users\11266\AppData\Local\Programs\Python\Python38-32\Scripts\;C:\Users\11266\AppData\Local\Programs\Python\Python38-32\;%USERPROFILE%\AppData\Local\Microsoft\WindowsApps;C:\Users\11266\AppData\Local\Programs\Microsoft VS Code\bin;C:\MinGW\i686-8.1.0-release-posix-dwarf-rt_v6-rev0\mingw32\bin;C:\OpenCV_3.4.7\OpenCV-MinGW-Build-OpenCV-3.4.7\x86\mingw\bin;%USERPROFILE%\.dotnet\tools;C:\FFMPEG\ffmpeg_x86_4.2.2\bin;C:\FFMPEG\ffmpeg_x86_x64_3.3.2\bin;C:\Users\11266\AppData\Roaming\npm
Global environment variables up to date

（6）在命令行输入em++ -v测试编译器是否安装成功。

出现以下提示，表示编译器已经安装成功。

C:\Qt\emsdk>emcc -v
emcc (Emscripten gcc/clang-like replacement + linker emulating GNU ld) 2.0.10
clang version 12.0.0 (Cswircachegitchromium.googlesource.com-external-github.com-llvm-llvm--project 445289aa63e1b82b9eea6497fb2d0443813a9d4e)
Target: x86_64-pc-windows-msvc
Thread model: posix
InstalledDir: C:/Qt/emsdk/upstream/bin
shared:INFO: (Emscripten: Running sanity checks)

C:\Qt\emsdk>em++ -v
emcc (Emscripten gcc/clang-like replacement + linker emulating GNU ld) 2.0.10
clang version 12.0.0 (Cswircachegitchromium.googlesource.com-external-github.com-llvm-llvm--project 445289aa63e1b82b9eea6497fb2d0443813a9d4e)
Target: x86_64-pc-windows-msvc
Thread model: posix
InstalledDir: C:/Qt/emsdk/upstream/bin
shared:INFO: (Emscripten: Running sanity checks)

C:\Qt\emsdk>

（7）这时可以先关闭当前终端，再重新开一个新终端，运行emcc或者em++查看帮助，会出现以下提示。

C:\Users\11266>cd /d D:\linux-share-dir\tmp\WebAssembly_TestCode

D:\linux-share-dir\tmp\WebAssembly_TestCode>emcc -help

==============================================================================
Welcome to Emscripten!

This is the first time any of the Emscripten tools has been run.

A settings file has been copied to ~/.emscripten, at absolute path: C:\Users\11266\.emscripten

It contains our best guesses for the important paths, which are:

  LLVM_ROOT       = /usr/bin
  NODE_JS         = C:\Program Files\nodejs\node.exe
  EMSCRIPTEN_ROOT = C:\Qt\emsdk\upstream\emscripten

Please edit the file if any of those are incorrect.

This command will now exit. When you are done editing those paths, re-run it.
==============================================================================

打开当前系统的用户目录，会看到一个.emscripten文件。这个文件里存放了编译器需要的环境变量和路径。

如果后续运行emcc或者em++命令编译程序时报错，例如：

D:\linux-share-dir\tmp\WebAssembly_TestCode>emcc hello.cpp -Os -s WASM=1 -s SIDE_MODULE=1 -o hello.wasm
shared:ERROR: BINARYEN_ROOT is set to empty value in C:\Users\11266/.emscripten

D:\linux-share-dir\tmp\WebAssembly_TestCode>emcc hello.cpp -Os -s WASM=1 -s SIDE_MODULE=1 -o hello.wasm
cache:INFO: generating system asset: is_vanilla.txt... (this will be cached in "C:\Users\11266\.emscripten_cache\is_vanilla.txt" for subsequent builds)
shared:ERROR: llc executable not found at `C:\Users\11266/upstream/bin\llc.exe`

解决办法：将.emscripten文件里的所有路径改成绝对路径。

例如：原来的路径

import os
emsdk_path = os.path.dirname(os.environ.get('EM_CONFIG')).replace('\\', '/')
NODE_JS = emsdk_path + '/node/12.18.1_64bit/bin/node.exe'
PYTHON = emsdk_path + '/python/3.7.4-pywin32_64bit/python.exe'
JAVA = emsdk_path + '/java/8.152_64bit/bin/java.exe'
LLVM_ROOT = emsdk_path + '/upstream/bin'
BINARYEN_ROOT = emsdk_path + '/upstream'
EMSCRIPTEN_ROOT = emsdk_path + '/upstream/emscripten'
TEMP_DIR = emsdk_path + '/tmp'
COMPILER_ENGINE = NODE_JS
JS_ENGINES = [NODE_JS]

修改后的配置文件路径:

import os
NODE_JS = 'C:/Qt/emsdk/node/12.18.1_64bit/bin/node.exe'
PYTHON = 'C:/Qt/emsdk/python/3.7.4-pywin32_64bit/python.exe'
JAVA = 'C:/Qt/emsdk/java/8.152_64bit/bin/java.exe'
LLVM_ROOT = 'C:/Qt/emsdk/upstream/bin'
BINARYEN_ROOT = 'C:/Qt/emsdk/upstream'
EMSCRIPTEN_ROOT = 'C:/Qt/emsdk/upstream/emscripten'
TEMP_DIR = 'C:/Qt/emsdk/tmp'
COMPILER_ENGINE = NODE_JS
JS_ENGINES = [NODE_JS]

再重新运行即可：

D:\linux-share-dir\tmp\WebAssembly_TestCode>emcc hello.cpp -Os -s WASM=1 -s SIDE_MODULE=1 -o hello.wasm
cache:INFO: generating system asset: generated_struct_info.json... (this will be cached in "C:\Users\11266\.emscripten_cache\wasm-obj-pic\generated_struct_info.json" for subsequent builds)
cache:INFO:  - ok

3. 编写C/C++代码浏览器运行测试

（1）编写一个简单的C/C++代码

#include <stdio.h>
int main() 
{
    printf("Hello World! \n");
	printf("WebAssembly 牛逼!\n");
    return 0;
}

（2）使用emcc编译编译

D:\>cd /d D:\linux-share-dir\tmp\WebAssembly_TestCode

D:\linux-share-dir\tmp\WebAssembly_TestCode>emcc hello.cpp -s WASM=1 -O3 -o hello-emcc.js
D:\linux-share-dir\tmp\WebAssembly_TestCode>emcc hello.cpp -s WASM=1 -O3 -o hello-emcc.html

编译成功之后，在目录下会生成：js，html，wasm 等3个文件。

（3）开一个HTTP服务器，测试网页运行效果

在当前编译目录，使用python开一个HTTP服务器。

D:\linux-share-dir\tmp\WebAssembly_TestCode>python -m http.server
Serving HTTP on 0.0.0.0 port 8000 (http://0.0.0.0:8000/) ...

打开Edge浏览器(win10自带的浏览器)，输入http://127.0.1:8000。

选择hello-emcc.html文件打开。下面是运行效果。

也可以使用 emrun 命令来创建一个 http 协议的 web server 展示编译后的文件，和前面python命令的功能类似。

$ emrun --no_browser --port 8080

4. 编写C/C++代码给前端调用测试

（1）编写一个函数，用于测试调用

#include <emscripten.h>
#include <stdio.h>

int func_square(int x) 
{
  return x * x;
}

int func_sum(int x, int y) 
{
  return x + y;
}

char* func_string(char* str) 
{
  return str;
}

（2）编译成wasm文件

D:\linux-share-dir\tmp\WebAssembly_TestCode>emcc hello.c -Os -s WASM=1 -s SIDE_MODULE=1 -o hello.wasm

（3）编写一个js文件。名称为: loader.js

function loadWebAssembly(filename, imports = {}) {
  return fetch(filename)
    .then(response => response.arrayBuffer())
    .then(buffer => {
      imports.env = imports.env || {}
      Object.assign(imports.env, {
        memoryBase: 0,
        tableBase: 0,
        __memory_base: 0,
        __table_base: 0,
        memory: new WebAssembly.Memory({ initial: 256, maximum: 256 }),
        table: new WebAssembly.Table({ initial: 0, maximum: 0, element: 'anyfunc' })
      })
      return WebAssembly.instantiate(buffer, imports)
    })
    .then(result => result.instance )
}

function loadJS (url, imports = {}) {
  return fetch(url)
    .then(response => response.text())
    .then(code => new Function('imports', `return (${code})()`))
    .then(factory => ({ exports: factory(imports) }))
}

（4）编写一个HTML文件调用函数接口 : 例如: index.html

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <meta charset="utf-8">
  <title>Compile C to WebAssembly</title>
  <meta name="apple-mobile-web-app-capable" content="yes" />
  <meta name="apple-mobile-web-app-status-bar-style" content="black" />
  <meta name="apple-touch-fullscreen" content="yes" />
  <meta name="format-detection" content="telephone=no, email=no" />
  <script src="./loader.js"></script>
</head>

<body>
  <h1>Compile C to WebAssembly</h1>
  <p>The test result can be found in console.</p>

  <script>
    loadWebAssembly('./hello.wasm')
      .then(instance => {
        const func_square = instance.exports.func_square
		const func_sum = instance.exports.func_sum
		const func_string = instance.exports.func_string
		
        console.log('10^2 =', func_square(2))
		console.log('100+100 =', func_sum(100,100))
		console.log('这是传入字符串=', func_string("12345677890abcdefg"))
      })
  </script>
</body>
</html>

（5）启动http服务器，访问测试。

python -m http.server

打开谷歌浏览器输入地址访问: http://127.0.0.1:8000/index.html

运行后，按下F12，查看控制台的输出。

注意：如果要反复修改HTML文件测试结果，浏览器最好打开无痕模式进行测试。

在浏览器里可以看到wasm转成wast文本格式的代码，从代码里可以看到导出的函数。

5. webassembly在线调试工具

地址：https://wasdk.github.io/WasmFiddle/

6. wasm2wast工具安装

wasm2wast这个工具是将 WebAssembly 二进制转换为 S-expressions。他是命令行工具，一个二进制文件作为输入，输出一个包含可以读文本的文件。开发者可以编辑文本文件，然后再将其转换为二进制文件，比如优化算法、追踪问题、插入调试语句等等。

**地址：**https://github.com/WebAssembly/wabt

用法示例：

wast2wasm demo.wast -o demo.wasm

wasm2wast demo.wasm -o demo.wast

7. emsdk常用命令介绍

（1）emcc -v 显示安装的版本号

（2）em++ -v 显示安装的版本号

（3）emsdk update   更新emssk库到最新版

（4）emsdk list --old  查看emsdk历史版本号列表

（5）emsdk list --old > sdklist.txt  将历史版本号写入到sdklist.txt文件中

（6）emsdk install <版本号> 安装对应版本号的sdk tool
例如: emsdk install 1.39.7
	 
（7）emsdk install latest 安装最新版本号的std tool

（8）emsdk activate <版本号>  激活对应版本号的std tool ，也就是设置当前使用的版本
例如:emsdk activate --embedded 1.39.7 --permanent


（9）emsdk uninstall <版本号>  卸载对应版本号的sdk tool


（10）emsdk help  或者  emsdk --help   查看帮助

8. 总结

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