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《WebAssembly原理与核心技术》WebAssembly解释器的Python实现

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Relph1119/wasm-python-book

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WebAssembly解释器的Python实现

  项目完全参考张秀宏的《WebAssembly原理与核心技术》代码结构,在此向本书作者表示感谢。
  该书的随书代码github地址:https://github.com/zxh0/wasmgo-book

运行环境

Python 版本:3.7.2
PyCharm 版本:PyCharm 2018.3.7 (Professional Edition)
Wabt版本:wabt-1.0.19

环境及工具下载地址

链接:https://pan.baidu.com/s/10R8n71TNTwBvkUZ9WLmCHg 提取码:citl

代码结构

images---------------------------------运行截图
js-------------------------------------对应第1、2章中的wasm文件
spec-----------------------------------spec test文件
src------------------------------------WebAssembly代码
+-----ch02-----------------------------对应书中第2章实现代码
+-----ch03-----------------------------对应书中第3章实现代码
+-----ch05-----------------------------对应书中第5章实现代码
+-----ch06-----------------------------对应书中第6章实现代码
+-----ch07-----------------------------对应书中第7章实现代码
+-----ch08-----------------------------对应书中第8章实现代码
+-----ch09-----------------------------对应书中第9章实现代码
+-----ch10-----------------------------对应书中第10章实现代码
+-----ch11-----------------------------对应书中第11章实现代码
+-----develop_code---------------------持续开发的实现代码
      +-----binary---------------------指令解码
      +-----cmd------------------------主函数执行
      +-----instance-------------------实例
      +-----interpreter----------------指令集
      +-----validator------------------模块验证
      +-----test-----------------------单元测试
wat------------------------------------测试的wat格式文件

注意:

  1. 将src和develop_code设置成sources Root,可避免代码的引包报错。
  2. 可通过使用wat2wasm指令将wat文件编译成wasm格式文件
wat2wasm xxx.wat

代码编写与运行结果

项目的所有运行都是采用直接运行cmd/main.py的方式,请读者运行时注意。

第2章-二进制格式

  完成了模块解码器和dump程序。 传入参数:

-d "wasm-python-book\js\ch01_hw.wasm"

  1. 采用unittest进行单元测试
  2. 由于使用小端格式读取数值,python可采用byteorder的little入参
    int.from_bytes(self.data[:8], byteorder='little')
  3. 如果该结构体是数组,由于Python无法表示结构数组,故类初始化的时候初始一个数组。

第3章-指令集

  完成了指令的解码。

第5章-操作数栈

  实现了操作栈和虚拟机框架,然后实现了参数和数值指令。

  1. 针对大整数除法,python需要引入decimal包的Decimal类。
    from decimal import Decimal
    v1 = Decimal(18446744073709551608)
    v2 = 2
    result = int(v1 / v2)
    assert result * v2 == v1
  2. 由于python没有uint32和int32等类,故在interpreter/__init__.py代码中实现了相关的类(int8、int16、int32、int64、uint32、uint64、float32、float64)
  3. 在操作数栈中,float32和float64存储的是编码之后的整数,pop均需要进行对应的解码:
    def push_f32(self, val):
        val = struct.unpack('>l', struct.pack('>f', val))[0]
        self.push_u64(val)
    
    def pop_f32(self):
        val = self.pop_u64()
        val = struct.unpack('>f', struct.pack('>l', val))[0]
        return float32(val)

第6章-内存

  实现了Wasm内存和相关指令,Wasm内存是一块抽象的RAM(本质上就是个线性的字节数组),并且可以在限制范围内按页动态增长。Wasm提供了丰富的内存指令,用于读写各种基本类型的数值,这些数值在Wasm内存中按小端方式存储。简而言之,Wasm内存和真实内存非常接近,只具备最基本的读写能力,像内存管理、垃圾回收这些高级功能都要靠高级语言自己去解决。也正是因为贴近底层,Wasm程序才能够以接近本地程序的速度被执行。

第7章-函数调用(上)

  实现了直接函数调用指令、局部变量和全局变量指令。

第8章-控制指令

  传统的goto/jump指令被Wasm摒弃,取而代之的是结构化控制指令(block、loop、if)和受限的分支指令(br等)。

新增"--verbose"命令,调用如下:

--verbose "wasm-python-book\wat\ch08_fac.wasm"

第9章-函数调用(下)

  设计了本地函数调用接口,并且实现了本地函数调用,然后实现了表和间接函数调用指令。

  1. 执行HelloWorld程序,得到打印结果为"Hello, World!"

  2. 执行ch09_calc程序,得到加法、减法和乘法的验证结果

第10章-链接和实例化

  块从二进制格式到函数执行分为3个语义阶段:解码、验证、执行(实例化、函数调用)。模块可以导出或导入4种成员:函数、表、内存、全局变量,多个模块实例链接在一起,共享这4种成员,本章实现模块的链接和实例化。

第11章-错误处理和验证

  Wasm采用类型安全的操作数栈以及结构化控制指令和受限的跳转指令,这使得函数的字节码很容易被验证,而且可以在线性时间内完成。

总结

  历时7天(2020年08月18日——2020年8月24日)完成1-11章的代码,基本实现了一个Wasm解析器,提供如下命令:

-v, --version : 版本号
-d, --dump : 打印模块信息

  由于之前有JVMByPython项目的代码实现基础,目前已完成的功能有Wasm的二进制格式解码、指令集、操作数栈和虚拟机、内存及内存指令、函数调用(本地方法和外部方法调用)、实例化模块、模块错误处理和验证等。
  另:挺感谢作者在我实现代码期间给予的指导和帮助,目前该项目还需要完成spec的wast格式解析和测试、AOT和JIT的实现等。

Spec Test

未测试通过的文件:

  • br_table.wast:运行时间太长
  • const.wast:float的精度问题超过小数点后面7位就不精确了
  • conversions.wast:float的精度问题
  • f32.wast
  • f32_bitwise.wast
  • f64.wast
  • f64_bitwise.wast
  • float_exprs.wast
  • float_literals.wast
  • float_memory.wast
  • float_misc.wast
  • i64.wast:如果数值超过了uint64表示的最大数值,应显示为1的问题

已测试通过的文件:

  • address.wast
  • align.wast
  • binary.wast
  • binary-leb128.wast
  • block.wast
  • br.wast
  • br_if.wast
  • call.wast
  • call_indirect.wast
  • comments.wast
  • custom.wast
  • data.wast
  • elem.wast
  • endianness.wast
  • exports.wast
  • f32_cmp.wast
  • f64_cmp.wast
  • fac.wast
  • forward.wast
  • func.wast
  • func_ptrs.wast
  • global.wast
  • i32.wast
  • if.wast
  • imports.wast
  • inline-module.wast
  • table.wast

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