【译】使用.NET将WebAssembly扩展到云（一）

Posted on by hackdl

原文 | Richard Lander

翻译 | 郑子铭

WebAssembly（Wasm）是一种令人兴奋的新虚拟机和（汇编）指令格式。 Wasm 诞生于浏览器，是 Blazor 项目的重要组成部分。 Wasm 的第二个行动是针对应用程序和功能的云计算。 WebAssembly 系统接口 (WASI) 是新的推动者，为 WebAssembly 代码提供了一种安全地跨语言调用和实现任意 API 的方法。现在可以使用 .NET 8 中的 wasi 实验工作负载通过 .NET 创建 WASI 应用程序。我们正在探索这些新技术并在此环境中运行 .NET 应用程序……。真的，任何地方。

这篇文章将帮助您了解 Wasm 的广泛使用，并描述 .NET 已经可以实现的功能。他们说历史不会重演，但会押韵。我们又回来进行另一轮“一次编写，随处运行”。 WASI 应用程序是可移植的二进制文件，可以在任何硬件或操作系统上运行，并且不特定于任何编程语言。这一次，感觉不一样了。这不仅仅是供应商的神经；一切都是中立的。

Wasm 和 WASI

Wasm 可能会为我们提供云计算的重启，并承诺提供单一云原生二进制文件、更高的密度和更便宜的多租户。出于同样的原因，它也开启了边缘计算的可能性。事实上，CloudFlare 和 Fastly 已经使用 Wasm 在边缘托管公共计算。

Wasm 与在 Linux 容器中运行应用程序不同，后者是对现有标准和代码的（良好且聪明的）重新打包。 Wasm 更像是在没有操作系统的环境中运行应用程序，只有汇编代码、内存和对外部世界的标准化（和门控）访问（通过 WASI）。

Build 2023 上的 Hyperlight 演示（4m 视频）深入了解了支持 Wasm 的云的外观。它演示了在新的轻量级安全虚拟机管理程序中运行的 Blazor 应用程序。 Hyperlight 激发了新托管范例的想象力。

WebAssembly 系统接口 (WASI)、WebAssembly 接口类型 (WIT) 和 WebAssembly 组件模型是最新一轮 Wasm 创新的关键规范。它们基本上仍处于设计阶段并正在经历重大变化。这篇文章（以及 .NET 8 实现）以 WASI Preview 1 为中心。我们希望 .NET 9 实现使用 WASI Preview 2。

WIT 和 wit-bindgen 使用任何源语言编写的组件都可以与主机系统进行通信。 WIT 对 C# 支持的实现由 @silesmo 领导。 Wasm 和 WIT 一起定义了应用程序二进制接口（ABI）。

我们期望 WASI 成为一组标准的 WIT 类型，提供对低级功能的访问（例如获取时间和读取文件）。这些低级类型有效地形成了跨编程语言和操作系统的“Wasm 标准库”。例如，我们从来没有 Rust 开发人员和 .NET 开发人员可以同时使用的标准和共享功能。历史上还没有任何广泛部署的本机代码公开具有 OO 形状（如接口）的 API，可以跨编程语言和操作系统使用。

标准 WIT 类型以 wasi- 开头，定义“平台”。您可以将它们视为与 .NET 中的系统命名空间类似的方式（与 WASI 中的“S”匹配）。继续类比，您可以在 System 命名空间之外创建自己的 .NET 命名空间，WIT 也是如此。

这些帖子在更详细地构建 WASI 方面做得非常出色。

  • 标准化 WASI：在 Web 之外运行 WebAssembly 的系统接口
  • 宣布字节码联盟：为 WebAssembly 构建一个默认安全、可组合的未来
  • WebAssembly：开发人员更新的路线图

即将到来的承诺是能够采用现有的 .NET 应用程序或库并将其编译为 Wasm 目标。我们的设计本能是在 .NET 堆栈中实现相对较高的 WIT 接口（例如为 wasi-sql 创建 ADO.NET 数据提供程序），这将使现有代码（包括许多现有的 NuGet 包）能够正常工作，特别是对于没有本机依赖项。

Wasm 应用程序在 Wasm 运行时中运行，例如 wasmtime。与 Docker 非常相似，您可以使用特定功能配置该运行时。例如，如果您希望 Wasm 代码能够访问键/值存储，您可以向其公开一个键/值接口，该接口可以由本地数据库或云服务支持。

Wasm 运行时旨在可嵌入到应用程序中。事实上，有一个 wasmtime 包用于在 .NET 应用程序中托管 Wasm。 .NET 代码可以作为 Wasm 运行，但 .NET 应用程序可以托管 wasmtime？！？是的，这个空间开始看起来是圆形的。虽然这些场景看起来很循环，但它们最终可能非常有用，与 AppDomain 的使用方式大致相似。这也让人想起所有“docker in docker”场景。
我们期待更多的创新、更多的 Wasm 运行时和更多的行业参与者。事实上，Wasm 已经升级为 W3C 规范。 W3C 是 Wasm 的完美家园，让它成长为广泛的行业规范，就像之前的 HTML 和 XML 一样。

wasi-实验工作量

.NET 8 包含一个名为 wasi-experimental 的新工作负载。它构建在 Blazor 使用的 Wasm 功能之上，将其扩展为在 wasmtime 中运行并调用 WASI 接口。它还远未完成，但已经实现了有用的功能。

让我们从理论转向演示新功能。

安装 .NET 8 SDK 后，您可以安装 wasi-experimental 工作负载。

dotnet workload install wasi-experimental

注意：此命令可能需要管理员权限，例如在 Linux 和 macOS 上使用 sudo。

您还需要安装 wasmtime 来运行您即将生成的 Wasm 代码。

使用 wasi-console 模板尝试一个简单的示例。

$ dotnet new wasiconsole -o wasiconsole
$ cd wasiconsole
$ cat Program.cs 
using System;

Console.WriteLine("Hello, WASI Console!");
$ dotnet run
WasmAppHost --runtime-config /Users/rich/wasiconsole/bin/Debug/net8.0/wasi-wasm/AppBundle/wasiconsole.runtimeconfig.json
Running: wasmtime run --dir . -- dotnet.wasm wasiconsole
Using working directory: /Users/rich/wasiconsole/bin/Debug/net8.0/wasi-wasm/AppBundle
Hello, WASI Console!

该应用程序使用 wasmtime 运行。这里没有 x64 或 Arm64，只有 Wasm。

dotnet run 提供额外的信息（在控制台输出中）来帮助解释发生了什么。未来这种情况可能会改变。与主机系统的所有交互均由 wasmtime 管理。

我们可以更深入地查看 AppBundle 目录。

$ ls -l bin/Release/net8.0/wasi-wasm/AppBundle
total 24872
-rwxr--r--  1 rich  staff  11191074 Oct 31 07:53 dotnet.wasm
-rwxr--r--  1 rich  staff   1526128 Oct 11 14:00 icudt.dat
drwxr-xr-x  6 rich  staff       192 Nov 19 19:35 managed
-rwxr-xr-x  1 rich  staff        48 N服务器托管网ov 19 19:35 run-wasmtime.sh
-rw-r--r--  1 rich  staff       915 Nov 19 19:35 runtimeconfig.bin
drwxr-xr-x  2 rich  staff        64 Nov 19 19:35 tmp
-rw-r--r--  1 rich  staff      1457 Nov 19 19:35 wasiconsole.runtimeconfig.json
$ ls -l bin/Release/net8.0/wasi-wasm/AppBundle/managed 
total 3432
-rw-r--r--  1 rich  staff    27136 Nov 19 19:35 System.Console.dll
-rw-r--r--  1 rich  staff  1711616 Nov 19 19:35 System.Private.CoreLib.dll
-rw-r--r--  1 rich  staff     5632 Nov 19 19:35 System.Runtime.dll
-rw-r--r--  1 rich  staff     5120 Nov 19 19:35 wasiconsole.dll

SDK 将应用程序发布到独立部署中。 .NET 运行时 — dotnet.wasm — 已经编译为 Wasm（在我们的构建机器上）。应用程序和 dotnet.wasm 在 wasmtime 中一起加载，运行所有代码。应用程序的实际托管代码（位于托管目录中）在运行时解释，就像 Blazor WebAssembly 一样。 @yowl 和 @SingleAccretion 社区成员一直在尝试 Wasm 和原生 AOT。

您可能想知道为什么我们需要将所有这些文件分开，而显然更好的选择是拥有一个 wasiconsole.wasm 文件。我们也可以这样做，但稍后会在帖子中介绍它，因为我们需要在机器上安装更多的软件（目前 wasi 实验工作负载不包含这些软件）。

RuntimeInformation 告诉我们什么？

RuntimeInformation 是我最喜欢的类型之一。它让我们更好地了解目标环境。

我们可以稍微更改示例以显示一些更有用的信息。

using System;
using System.Runtime.InteropServices;

Console.WriteLine($"Hello {RuntimeInformation.OSDescription}:{RuntimeInformation.OSArchitecture}");
Console.WriteLine($"With love from {RuntimeInformation.FrameworkDescription}");

它产生这个输出。

Hello WASI:Wasm
With love from .NET 8.0.0

第一行很有趣。操作系统是WASI，架构是Wasm。这是有道理的，有更多的背景。文章前面提到 Wasm 可以被认为是“无操作系统”，但是我们不能简单地称之为 Wasm，因为现有的浏览器和 WASI 环境有很大不同。因此，该环境唯一一致的名称是 WASI，而 Wasm 明确是“芯片架构”。

Wasm 是一个 32 位计算环境，这意味着 2^32 字节是可寻址的。但是，Wasm 运行时可以配置为使用 memory64，从而可以访问 >4GB 的内存。我们还没有对此的支持。

访问主机文件系统

Wasmtime（和其他 Wasm 运行时）提供将主机目录映射到来宾目录的选项。从用户的角度来看，这与使用 Docker 进行卷挂载类似，但实现细节有所不同。

让我们看一个依赖目录安装的简单应用程序。它使用 Markdig 包将 markdown 转换为 HTML。公平地说，Markdig 并不是为了以 Wasm 的身份运行而编写的。只要能够为其创建一个舒适的管理环境，Markdig 就会很高兴，这就是我们所做的。

让我们在 Mac M1 (Arm64) 机器上尝试一下。

$ pwd
/Users/rich/git/wasm-samples/tomarkup
$ dotnet publish
$ cd bin/Release/net8.0/wasi-wasm/AppBundle 
$ cat run-wasmtime.sh
wasmtime run --dir . dotnet.wasm tomarkup $*
$ ./run-wasmtime.sh 
A valid inputfile must be provided.
$  wasmtime run --dir . --mapdir /markdown::/Users/rich/markdown --mapdir /tmp::/Users/rich dotnet.wasm tomarkup $* /markdown/README.md /tmp/README.html
$ ls ~/*.html
/Users/rich/README.html
$ cat ~/markdown/README.md | head -n 3  
# .NET Runtime

[![Build Stat服务器托管网us](https://dev.azure.com/dnceng-public/public/_apis/build/status/dotnet/runtime/runtime?branchName=main)](https://dev.azure.com/dnceng-public/public/_build/latest?definitionId=129&branchName=main)
$ cat ~/README.html | head -n 3       

.NET Runtime

–mapdir 正在挂载从主机到来宾的目录。

如您所见，Markdown 文件已转换为 HTML。为了简洁起见，显示了每个文件的前三行。

目录挂载所需的 CLI 手势目前有点不方便。这是我们需要在未来版本中考虑的内容。这实际上是一个 dotnet run 和 wasmtime run 应该如何关联的问题。

但它能算字数吗？

我最近出版了《System.IO 的便利》，重点关注字数统计。我们能否获得与 Wasm 相同的代码来运行并看看它的运行速度有多快？

该文章中的字数统计基准测试在 Linux x64 上运行。让我们保持不变，但这次以 Wasm 身份运行。

$ pwd
/Users/rich/git/convenience/wordcount/count
$ grep asm count.csproj 
    wasi-wasm
    true
$ dotnet publish
$ cd bin/Release/net8.0/wasi-wasm/AppBundle/
$ WASMTIME_NEW_CLI=0 wasmtime run --mapdir /text::/home/rich/git/convenience/wordcount count.wasm $* /text/Clarissa_Harlowe
    11716  110023  610515 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume1.txt
    12124  110407  610557 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume2.txt
    11961  109622  606948 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume3.txt
    12168  111908  625888 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume4.txt
    12626  108593  614062 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume5.txt
    12434  107576  607619 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume6.txt
    12818  112713  628322 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume7.txt
    12331  109785  611792 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume8.txt
    11771  104934  598265 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume9.txt
        9     153    1044 /text/Clarissa_Harlowe/summary.md
   109958  985714  5515012 total

我更新了项目文件以包含 wasi-wasm 和 true 并注释掉 PublishAot 相关属性。我还添加了一个runtimeconfig.template.json 文件。未对应用程序代码进行任何更改。

现在，我们将整个应用程序放在一个文件包中。

$ ls -l bin/Release/net8.0/wasi-wasm/AppBundle/
total 6684
-rw-r--r-- 1 rich rich    1397 Nov 19 19:59 count.runtimeconfig.json
-rwxr-xr-x 1 rich rich 6827282 Nov 19 19:59 count.wasm
-rw-r--r-- 1 rich rich     915 Nov 19 19:59 runtimeconfig.bin
-rwxr-xr-x 1 rich rich      27 Nov 19 19:59 run-wasmtime.sh
drwxr-xr-x 2 rich rich    4096 Nov 19 19:59 tmp

看起来好多了。该应用程序只有不到 7MB。我必须安装 WASI-SDK 才能使用 WasmSingleFileBundle 属性并设置环境变量以使 dotnetpublish 能够找到所需的工具。

$ echo $WASI_SDK_PATH
/home/rich/wasi-sdk/wasi-sdk-20.0/

wasmtime 最近发生了重大变化。我选择使用 WASMTIME_NEW_CLI=0 来恢复运行示例的旧行为。

让我们回到性能。首先，作为 wasm 运行（通过解释器执行托管代码）：

$ time WASMTIME_NEW_CLI=0 wasmtime run --mapdir /text::/home/rich/git/convenience/wordcount count.wasm $* /text/Clarissa_Harlowe
    11716  110023  610515 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume1.txt
    12124  110407  610557 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume2.txt
    11961  109622  606948 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume3.txt
    12168  111908  625888 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume4.txt
    12626  108593  614062 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume5.txt
    12434  107576  607619 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume6.txt
    12818  112713  628322 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume7.txt
    12331  109785  611792 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume8.txt
    11771  104934  598265 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume9.txt
        9     153    1044 /text/Clarissa_Harlowe/summary.md
   109958  985714  5515012 total
Elapsed time (ms): 821
Elapsed time (us): 821223.8

real    0m0.897s
user    0m0.846s
sys 0m0.030s

现在有了我们对 Wasm 的（甚至更多）实验性原生 AOT 支持。

$ time WASMTIME_NEW_CLI=0 wasmtime run --mapdir /text::/home/rich/git/convenience/wordcount count.wasm $* /text/Clarissa_Harlowe
    11716  110023  610515 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume1.txt
    12124  110407  610557 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume2.txt
    11961  109622  606948 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume3.txt
    12168  111908  625888 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume4.txt
    12626  108593  614062 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume5.txt
    12434  107576  607619 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume6.txt
    12818  112713  628322 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume7.txt
    12331  109785  611792 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume8.txt
    11771  104934  598265 /text/Clarissa_Harlowe/clarissa_volume9.txt
        9     153    1044 /text/Clarissa_Harlowe/summary.md
   109958  985714  5515012 total
Elapsed time (ms): 60
Elapsed time (us): 60322.2

real    0m0.107s
user    0m0.064s
sys 0m0.045s

现在，在 Linux x64 上使用 CoreCLR 运行：

$ time ./app/count ../Clarissa_Harlowe/
    11716  110023  610515 ../Clarissa_Harlowe/clarissa_volume1.txt
    12124  110407  610557 ../Clarissa_Harlowe/clarissa_volume2.txt
    11961  109622  606948 ../Clarissa_Harlowe/clarissa_volume3.txt
    12168  111908  625888 ../Clarissa_Harlowe/clarissa_volume4.txt
    12626  108593  614062 ../Clarissa_Harlowe/clarissa_volume5.txt
    12434  107576  607619 ../Clarissa_Harlowe/clarissa_volume6.txt
    12818  112713  628322 ../Clarissa_Harlowe/clarissa_volume7.txt
    12331  109785  611792 ../Clarissa_Harlowe/clarissa_volume8.txt
    11771  104934  598265 ../Clarissa_Harlowe/clarissa_volume9.txt
        9     153    1044 ../Clarissa_Harlowe/summary.md
   109958  985714  5515012 total
Elapsed time (ms): 77
Elapsed time (us): 77252.9

real    0m0.128s
user    0m0.096s
sys 0m0.014s

这些都是有趣的结果。我们有解释、AOT 和 JIT 代码生成方法可供比较。 Wasm 解释器能够在不到一秒的时间内计算（略低于）一百万个单词，而 AOT 编译的 Wasm 和 JIT 运行时可以在大约 100 毫秒内完成同样的操作。

注意：Main 方法是运行 main 的时间，由 StopWatch 测量。流程是整个流程的持续时间，以时间来衡量。

此图表显示了上下文中的所有结果，包括 System.IO 的便利性帖子中的结果。

wasmtime JIT 将 Wasm 代码编译到目标环境（在本例中为 Linux+x64）。例如，可以使用 wamr 对 Wasm 代码进行 AOT。我将把它留到另一篇文章中。

原文链接

Extending WebAssembly to the Cloud with .NET

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