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移动端

【热点推荐】在JavaScript中使用C程序

每一门语言都有各自的优缺点。将不同语言的优势相互结合,可以程序变得更优雅、更完美。

作者:EtherDream来源:博客园|2016-01-25 15:09

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JavaScript 是个灵活的脚本语言,能方便的处理业务逻辑。当需要传输通信时,我们大多选择 JSON 或 XML 格式。

但在数据长度非常苛刻的情况下,文本协议的效率就非常低了,这时不得不使用二进制格式。

去年的今天,在折腾一个 前后端结合的 WAF 时,就遇到了这个麻烦。

因为前端脚本需要采集不少数据,而最终是隐写在某个 cookie 里的,因此可用的长度非常有限,只有几十个字节。

如果不假思索就用 JSON 的话,光一个标记字段 {"enableXX": true} 就占去了一半长度。然而在二进制里,标记 true 或 false 不过是 1 个比特的事,可以节省上百倍的空间。

同时,数据还要经过校验、加密等环节,只有使用二进制格式,才能方便的调用这些算法。

优雅实现

不过,JavaScript 并不支持二进制。

这里的「不支持」不是说「无法实现」,而是无法「优雅实现」。语言的发明,就是用来优雅解决问题的。即使没有语言,人类也可以用机器指令来编写程序。

如果非要用 JavaScript 操作二进制,最终就类似这样:

var flags = +enableXX1 << 16 | +enableXX2 << 15 | ...

虽然能实现,但很丑陋。各种硬编码、各种位运算。

然而,对于先天支持二进制的语言,看起来就十分优雅:

  1. union { 
  2.     struct { 
  3.         int enableXX1: 1
  4.         int enableXX2: 1
  5.         ... 
  6.     }; 
  7.     int16_t value; 
  8. } flags; 
  9.  
  10. flags.enableXX1 = enableXX1; 
  11. flags.enableXX2 = enableXX2; 

开发者只需定义一个描述即可。使用时,字段偏移多少、如何读写,这些细节完全不用关心。

为了能达到类似效果,起先封装了一个 JS 版的结构体:

  1. // 最初方案:封装一个 JS 结构体 
  2. var s = new Struct([ 
  3.     {name: 'month', bit: 4, signed: false}, 
  4.     ... 
  5. ]); 
  6. s.set('month'12); 
  7. s.get('month'); 

将细节进行了隐藏,看起来就优雅多了。

优雅但不完美

但是,这总感觉不是最完美的。结构体这种东西,本该由语言提供,如今却要用额外的代码实现,而且还是在运行期间。

另外,后端解码是用 C 实现的,所以得维护两套代码。一旦数据结构或者算法变了,得同时更新 JS 和 C,很麻烦。

于是琢磨,能否共用一套 C 代码,同时用于前端和后端?

也就是说,需要能将 C 编译成 JS 来运行。

认识 emscripten

能将 C 编译成 JS 的工具有不少,最专业的要数 emscripten

emscripten 的使用方式很简单,和传统 C 编译器差不多,只不过生成的是 JS 代码。

  1. ./emcc hello.c -o hello.html 
  2. // hello.c 
  3. #include <stdio.h> 
  4. #include <time.h>  
  5.  
  6. int main() { 
  7.     time_t now; 
  8.     time(&now); 
  9.     printf("Hello World: %s", ctime(&now)); return 0

编译之后即可运行:

很有趣吧~ 大家可以尝试下,这里就不多介绍了。

实用缺陷

然而我们关心的不是有趣,而是实用。

事实上,即使一个 Hello World 编译出来的 JS 也过万行,多达数百 KB。就算压缩再 GZIP,仍有几十 KB。

同时 emscripten 使用了 asm.js 规范,内存访问是通过 TypedArray 实现的。

这意味着 IE10 以下的用户都无法运行。这也是不可接受的。

因此,我们得做如下改进:

  • 减少体积

  • 增加兼容

首先寄托 emscripten 本身,看看能不能通过设置参数,来达到我们的目的。

不过一番尝试之后,并没有成功。那只能自己动手实现了。

减少体积

为什么最终脚本会那么大,里面都放了些什么?分析了下内容,大致有这几个部分:

  • 辅助功能

  • 接口模拟

  • 初始化操作

  • 运行时函数

  • 程序逻辑

辅助功能

比如字符串和二进制转换、提供回调包装等。这些基本都是用不着的,我们可以给自己写个特殊的回调函数。

接口模拟

提供文件、终端、网络、渲染等接口。之前见过用 emscripten 移植的客户端游戏,看来模拟了不少接口。

初始化操作

全局内存、运行时、各种模块的初始化。

运行时函数

纯粹的 C 只能做简单的计算,很多功能都依靠运行时函数。

不过,有些常用的函数,其背后的实现是及其复杂的。例如 malloc 和 free,对应的 JS 有近 2000 行!

程序逻辑

这才是 C 程序真正对应的 JS 代码。因为编译时经过 LLVM 的优化,逻辑可能变得面目全非了。

这部分代码量不大,是我们真正想要的。

事实上,如果程序没有用到一些特殊功能的话,把逻辑函数单独抠出来,仍然是可以运行的!

考虑到我们的 C 程序非常简单,所以简单粗暴的提取出来,也是没问题的。

C 程序对应的 JS 逻辑位于 // EMSCRIPTEN_START_FUNCS// EMSCRIPTEN_END_FUNCS 之间。过滤掉运行时函数,剩下的就是 100% 的逻辑代码了。

增加兼容

接着解决内存访问的兼容性问题。

首先了解下,为何要用 TypedArray。

emscripten 申请了一大块 ArrayBuffer 来模拟内存,然后关联了一些 HEAP 开头的变量。

这些不同类型的 HEAP 共享同一块内存,这样就能高效的指针操作。

然而不支持 TypedArray 的浏览器,显然无法运行。所以得提供个 polyfill 兼容下。

但经分析,这几乎不可能实现 —— 因为 TypedArray 和数组一样,是通过索引来访问的:

  1. var buf = new UInt8Array(100); 
  2. buf[0] = 123;     // set 
  3. alert(buf[0]);    // get 

然而 [] 操作符在 JS 里是无法重写的,因此难以将其变成 setter 和 getter。况且不支持 TypedArray 的都是低版本 IE,更不用考虑 ES6 的那些特征。

于是琢磨 IE 的私有接口。比如用 onpropertychange 事件来模拟 setter。不过这样做效率极低,而且 getter 仍不易实现。

经过一番考虑,决定不用钩子的方式,而是直接从源头上解决 —— 修改语法!

我们用正则,找出源码中的赋值操作:

  1. HEAP[index] = val; 

替换成:

  1. HEAP_SET(index, val); 

类似的,将读取操作:

  1. HEAP[index] 

替换成:

  1. HEAP_GET(index) 

这样,原先的索引操作,就变成函数调用了。我们就能接管内存的读写,并且没有任何兼容性问题!

然后实现 8、16、32 位有无符号的版本。通过 JS 的 Array 来模拟,非常简单。

麻烦的是模拟 Float32Float64 两个类型。不过本次 C 程序中并未用到浮点,所以就暂不实现了。

到此,兼容性问题就解决了。

大功告成

解决了这些缺陷,我们就可以愉快的在 JS 中使用 C 逻辑了。

作为脚本,只需关心采集哪些数据。这样 JS 代码就非常的优雅:

数据的储存、加密、编码,这些底层数据操作,则通过 C 实现。

编译时使用 -Os 参数优化体积。最终的 JS 混淆压缩之后,还不到 2 KB,十分小巧精炼。

更完美的是,我们只需维护一份代码,即可同时编译出前端和后端两个版本。

于是,这个「前后端 WAF」开发就容易多了。

所有的数据结构和算法,都由 C 实现。前端编译成 JS 代码,后端编译成 lua 模块,供 nginx-lua 使用。

前后端的脚本,都只需关注业务功能即可,完全不用涉及数据层面的细节。

测试版

事实上,还有第三个版本 —— 本地版。

因为所有的 C 代码都在一起,因此可以方便的编写测试程序。

这样就无需启动 WebServer、打开浏览器来测试了。只需模拟一些数据,直接运行程序即可测试,非常轻量。

同时借助 IDE,调试起来更容易。

小结

每一门语言都有各自的优缺点。将不同语言的优势相互结合,可以程序变得更优雅、更完美。

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