Rust编译为WebAssembly在前端项目中的使用

前言

最近，加大了对Rust相关文章的输出。在评论区或者私信区有一些不同的声音说：“Rust没有前途，然后...."。其实呢，看一个技术是否有需要学习的动力。想必大家的底层理由都是「一切都是向钱看」，毕竟在国内大家都是业务为主，想自己纯手搞一套符合自己的技术框架和范式，这是不切实际的。（当然也不能一杆子打死，还是有很多技术大牛的）现在大家纠结或者对这个技术属于观望态度，无非就是在平时开发工作中没有涉及到的点。

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同时，由于国内技术的「滞后性」，有一些应用场景其实还是处于蛮荒的状态。（不是崇洋媚外，事实确实如此）。所以，在一些可以用到新的技术点的方向上，国内还是处于蓝海阶段。

所以，本着对该技术的独有关注度，我还是选择义无反顾的投身到学习和实际中。「冲破黎明之前的黑暗，你会拥有太阳，而晨曦中第一缕阳光也是为你而耀眼」。

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而具体，Rust到底能给你带来点啥，我们之前有文章讲过，这里就不在赘述了。

Last but not leaset，由于现在本人暂时专注于前端领域居多，所以我更多关注Rust能为前端带来点啥。而说到Rust和前端，第一点的联想就是：WebAssembly。（如果，不了解何为WebAssembly，可以参考我们之前的文章浏览器第四种语言-WebAssembly,里面的例子是用Emscripten写的）

其实，我们之前写过如何用C写wasm，也写过WebAssembly-C与JS互相操作等文章。但是，由于一些不可言喻的原因搁置了。

我们今天将使用Rust创建一个WebAssembly Hello World程序。我们将深入了解由wasm-bindgen生成的代码，以及它们如何共同协作来帮助我们进行开发。我们还将使用wabt来探索生成的wasm代码。这将使我们更好地理解Rust WebAssembly，并为我们的开发奠定良好的基础。

好了，天不早了，干点正事哇。

我们能所学到的知识点

1. 前置知识点
2. 项目搭建
3. 原理探析
4. 内容拓展

1. 前置知识点

「前置知识点」，只是做一个概念的介绍，不会做深度解释。因为，这些概念在下面文章中会有出现，为了让行文更加的顺畅，所以将本该在文内的概念解释放到前面来。「如果大家对这些概念熟悉，可以直接忽略」同时，由于阅读我文章的群体有很多，所以有些知识点可能「我视之若珍宝，尔视只如草芥，弃之如敝履」。以下知识点，请「酌情使用」。

安装Rust

如果是你一个Rust萌新，我们也给你提供Rust环境配置和入门指南。

如果，想独立完成安装，可以到Rust 安装页面跟着教程安装。

在安装成功Rust后，它会安装一个名为rustup的工具，这个工具能让我们管理多个不同版本的 Rust。默认情况下，它会安装用于惯常 Rust 开发的 stable 版本 Rust Release。

Rustup 会安装

• Rust 的编译器 rustc
• Rust 的包管理工具 cargo
• Rust 的标准库 rust-std
• 以及一些有用的文档 rust-docs

因为，我本机已经安装好了Rust。我们可以通过rustup --version来查看rustup的版本。以下是我本机的rustup版本信息。下文中所有的代码，都基于该版本。

rustup --version
rustup 1.26.0 (5af9b9484 2023-04-05)

安装WebAssembly二进制工具包（wabt）

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这些工具旨在用于开发工具链或其他系统，这些系统希望「操作WebAssembly文件」。与WebAssembly规范解释器不同（该解释器旨在尽可能简单、声明性和“规范性”），这些工具是用C/C++编写的，并设计成更容易集成到其他系统中。这些工具不旨在提供优化平台或更高级的编译目标；相反，它们旨在实现与规范的完全适应和遵从。

我们可以利用brew来在Mac环境下安装。

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2. 项目搭建

2.1 安装wasm-bindgen

我们可以通过cargo install --list来查看在$HOME/.cargo/bin位置安装过的Rust二进制文件。

在一些其他的教程中可以不使用wasm-bindgen构建Hello World程序，但是在本文中，我们将使用它，因为它在Rust WebAssembly开发中是必不可少的。

cargo install wasm-bindgen-cli

Rust WebAssembly允许我们将WebAssembly模块有针对性地插入到现有的JavaScript应用程序中，尤其是在「性能关键的代码路径」中。我们可以将wasm-bindgen视为一种工具，它通过生成用于JavaScript和WebAssembly之间高效交互的「粘合代码」和绑定来帮助我们实现丝滑的交互体验。

2.2 创建Rust WebAssembly项目

巴拉拉小魔仙，念诵如下咒语，构建一个Rust WebAssembly项目。

cargo new hello_world --lib

上面的代码是使用Cargo工具创建一个新的Rust项目，项目的名称是hello_world，并且指定它是一个库（--lib）。这将创建一个包含基本项目结构的文件夹，其中包括一个Cargo.toml文件和一个src文件夹。

+-- Cargo.toml
+-- src
    +-- lib.rs

• Cargo.toml文件用于管理项目的依赖和配置
• src文件夹包含项目的Rust源代码文件
• 项目名称hello_world是一个示例名称，我们可以根据自己的需求为项目指定不同的名称。

2.3 修改Cargo.toml配置项

使用宇宙最强IDE -VScode，打开Cargo.toml文件。我们应该会看到以下内容。

[package]
name = "hello_world"
version = "0.1.0"
authors = ["789"]
edition = "2021"

[dependencies]

将其修改成下面的内容

[package]
name = "hello_world"
version = "0.1.0"
authors = ["789"]
edition = "2021"

[lib]
crate-type = ["cdylib"]

[dependencies]
wasm-bindgen = "0.2"

上面的大部分字段大家都能看懂，其中lib项的配置，这里稍微解释一下：

crate-type = ["cdylib"]: 这一行「指定了生成的库的类型」。在这里，crate-type 设置为["cdylib"]，这表示我们正在创建一个动态链接库（C-compatible dynamic library）。这用于编译一个供其他编程语言加载的动态库。此输出类型将在Linux上创建*.so文件，在macOS上创建*.dylib文件，在Windows上创建*.dll文件。

这种类型的库可以被其他编程语言调用，因为它们与C语言兼容。这对于与WebAssembly（Wasm）互操作性很重要，因为Wasm通常需要与C语言接口进行交互。因此，cdylib 表示该库是一个可供其他语言使用的动态链接库。

2.4 编辑lib.rs

打开src/lib.rs文件。将其更改为以下内容：

extern crate wasm_bindgen;
use wasm_bindgen::prelude::*;

// 导入 'window.alert'
#[wasm_bindgen]
extern "C" {
    fn alert(s: &str);
}

// 导出一个 'helloworld' 函数
#[wasm_bindgen]
pub fn helloworld(name: &str) {
    alert(&format!("Hello World : {}!", name));
}

我们简单解释一下核心代码:

1. extern crate wasm_bindgen;: 这一行声明了对wasm_bindgen库的依赖。wasm_bindgen是一个Rust库，用于构建Wasm模块并提供与JavaScript的互操作性。在 Rust 当中，库被称为crates，因为我们使用的是一个外部库，所以有 extern。
2. use wasm_bindgen::prelude::*;: 这一行导入了wasm_bindgen库的预导出（prelude）模块中的所有内容，以便在后续代码中使用。

在 Rust 中调用来自 JavaScript 的外部函数

#[wasm_bindgen]
extern "C" {
    fn alert(s: &str);
}

#[wasm_bindgen]: 在 #[] 中的内容叫做 "属性"，并以某种方式改变下面的语句。#[wasm_bindgen]是一个「属性标记」，用于指定与WebAssembly互操作相关的特性。

extern "C" { fn alert(s: &str); }: 这里声明了一个「外部函数」alert，它使用extern "C" 指定了C ABI（应用二进制接口），这意味着它「可以与C语言进行交互」。「这个alert函数没有在Rust中实现，而是在JavaScript中实现，用于在浏览器中显示警告框」。

在 JavaScript 中调用的 Rust 函数

#[wasm_bindgen]
pub fn helloworld(name: &str) {
    alert(&format!("Hello World : {}!", name));
}

#[wasm_bindgen] pub fn helloworld(name: &str): 这是一个Rust函数helloworld，它被标记为wasm_bindgen，这意味着它「可以被JavaScript调用」。这个函数接受一个「字符串参数」name，然后调用「之前声明」的alert函数，以显示带有Hello World消息的弹框，并在消息中包括name参数的内容。

2.5 编译代码

在命令行中输入以下命令：

cargo build --target wasm32-unknown-unknown

如果未安装对应的库，控制台会给出提示。

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那我们就照猫画虎的操作一下：

rustup target add wasm32-unknown-unknown

1. cargo build: 这是 Cargo 工具的命令，用于构建 Rust 项目。它会编译项目的源代码并生成可执行文件或库文件，具体取决于项目的类型。
2. --target wasm32-unknown-unknown: 这部分是构建的目标参数。--target 标志用于指定要构建的目标平台。在这里，wasm32-unknown-unknown 是指定了 WebAssembly 目标平台。这告诉 Cargo 生成「适用于 WebAssembly 的二进制文件」，而不是生成本地平台的二进制文件。

当运行这个命令后，Cargo 会使用 Rust 编译器（Rustc）以及与 WebAssembly 相关的工具链，将 Rust 代码编译为 WebAssembly 格式的二进制文件。这个生成的 Wasm 文件可以在浏览器中运行，或与其他支持 WebAssembly 的环境一起使用。

运行结果如下：

cargo build --target wasm32-unknown-unknown 命令的「默认输出位置」是在项目的 target 目录下，具体位置是：

target/wasm32-unknown-unknown/debug/

在这个目录下，我们会找到生成的 WebAssembly 文件（通常是一个 .wasm 文件），以及其他与编译过程相关的文件。

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2.6 构建 Web服务器

既然，我们通过上述的魔法，将Rust程序编译为了可以在浏览器环境下引用执行的格式。「为了这口醋，我们还专门包顿饺子」。

我们需要一个Web服务器来测试我们的WebAssembly程序。我们将使用Webpack，我们需要创建三个文件：index.js、package.json和webpack.config.js。

下面的代码，我们最熟悉不过了，就不解释了。

index.js

// 直接引入了，刚才编译后的文件
const rust = import('./pkg/hello_world.js');

rust
  .then(m => m.helloworld('World!'))
  .catch(console.error);

package.json

{
  "scripts": {
    "build": "webpack",
    "serve": "webpack-dev-server"
  },

  "devDependencies": {
    "@wasm-tool/wasm-pack-plugin": "0.4.2",
    "text-encoding": "^0.7.0",
    "html-webpack-plugin": "^3.2.0",
    "webpack": "^4.29.4",
    "webpack-cli": "^3.1.1",
    "webpack-dev-server": "^3.1.0"
  }
}

webpack.config.js

const path = require('path');
const HtmlWebpackPlugin = require('html-webpack-plugin');
const webpack = require('webpack');
const WasmPackPlugin = require("@wasm-tool/wasm-pack-plugin");

module.exports = {
    entry: './index.js',
    output: {
        path: path.resolve(__dirname, 'dist'),
        filename: 'index.js',
    },
    plugins: [
        new HtmlWebpackPlugin(),
        new WasmPackPlugin({
            crateDirectory: path.resolve(__dirname, ".")
        }),
        // 让这个示例在不包含`TextEncoder`或`TextDecoder`的Edge浏览器中正常工作。
        new webpack.ProvidePlugin({
            TextDecoder: ['text-encoding', 'TextDecoder'],
            TextEncoder: ['text-encoding', 'TextEncoder']
        })
    ],
    mode: 'development'
};

安装指定的依赖。

npm install webpack --save-dev
npm install webpack-cli --save-dev
npm install webpack-dev-server --save-dev
npm install html-webpack-plugin --save-dev
npm install @wasm-tool/wasm-pack-plugin --save-dev
npm install text-encoding --save-dev

2.7 构建&运行程序

使用npm run build构建程序。

使用npm run serve运行Hello World程序

在浏览器中打开localhost:8080,我们将看到一个显示 Hello World! 的弹窗。

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到目前为止，我们已经构建了一个wasm并且能够和js实现功能交互的项目。其实，到这里已经完成了，我们这篇文章的使命。但是，在这里戛然而止，感觉缺失点啥。所以，我们继续深挖上面的项目的实现原理。

3. 原理探析

在使用cargo和wasm_bindgen编译源代码时，会在pkg文件中「自动生成」以下文件：

• "hello_world_bg.wasm"
• "hello_world.js"
• "hello_world.d.ts"
• "package.json"

这些文件也可以通过使用以下wasm-bindgen命令手动生成：

wasm-bindgen target/wasm32-unknown-unknown/debug/hello_world.wasm --out-dir ./pkg

浏览器调用顺序

以下显示了当我们在浏览器中访问localhost:8080时发生的函数调用序列。

1. index.js
2. hello_world.js (调用hello_world_bg.js)
3. helloworld_bg.wasm

index.js

const rust = import('./pkg/hello_world.js');

rust
  .then(m => m.helloworld('World!'))
  .catch(console.error);

index.js 导入了 hello_world.js 并调用其中的 helloworld 函数。

hello_world.js

下面是hello_world.js的内容，在其中它调用了helloworld_bg.wasm

import * as wasm from "./hello_world_bg.wasm";
import { __wbg_set_wasm } from "./hello_world_bg.js";
__wbg_set_wasm(wasm);
export * from "./hello_world_bg.js";

hello_world_bg.js

// ...省去了部分代码
export function helloworld(name) {
    const ptr0 = passStringToWasm0(name, wasm.__wbindgen_malloc, wasm.__wbindgen_realloc);
    const len0 = WASM_VECTOR_LEN;
    wasm.helloworld(ptr0, len0);
}

hello_world_bg.js 文件是由wasm-bindgen自动生成的，它包含了用于将DOM和JavaScript函数导入到Rust中的JavaScript粘合代码。它还在生成的WebAssembly函数上向JavaScript公开了API。

Rust WebAssembly专注于将WebAssembly与现有的JavaScript应用程序集成在一起。为了实现这一目标，我们需要在JavaScript和WebAssembly函数之间「传递不同的值、对象或结构。这并不容易，因为需要协调两个不同系统的不同对象类型」。

更糟糕的是，当前WebAssembly仅支持「整数」和「浮点数」，不支持字符串。这意味着我们不能简单地将字符串传递给WebAssembly函数。

要将字符串传递给WebAssembly，我们需要「将字符串转换为数字」（请注意在webpack.config.js中指定的TextEncoderAPI），将这些数字放入WebAssembly的内存空间中，最后「返回一个指向字符串的指针」给WebAssembly函数，以便在JavaScript中使用它。在最后，我们需要释放WebAssembly使用的字符串内存空间。

如果我们查看上面的JavaScript代码，这正是自动执行的操作。helloworld函数首先调用passStringToWasm。

• 这个函数在WebAssembly中「创建一些内存空间」，将我们的字符串转换为数字，将数字写入内存空间，并返回一个指向字符串的指针。

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• 然后将指针传递给wasm.helloworld来执行JavaScript的alert。最后，wasm.__wbindgen_free释放了内存。

如果只是传递一个简单的字符串，我们可能可以自己处理，但考虑到当涉及到更复杂的对象和结构时，这个工作会很快变得非常复杂。这说明了wasm-bindgen在Rust WebAssembly开发中的重要性。

反编译wasm到txt

在前面的步骤中，我们注意到wasm-bindgen生成了一个hello_world.js文件，其中的函数调用到我们生成的hello_world_bg.wasm中的WebAssembly代码。

基本上，hello_world.js充当其他JavaScript（如index.js）与生成的WebAssembly的helloworld_bg.wasm之间的桥梁。

我们可以通过输入以下命令进一步探索helloworld_bg.wasm：

wasm2wat hello_world_bg.wasm > hello_world.txt

这个命令使用wabt将WebAssembly转换为WebAssembly文本格式，并将其保存到一个hello_world.txt文件中。打开helloworld.txt文件，然后查找$helloworld函数。这是我们在src/lib.rs中定义的helloworld函数的生成WebAssembly函数。

$helloworld函数

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在helloworld.txt中查找以下行：

(export "helloworld" (func $helloworld))

这一行导出了wasm.helloworld供宿主调用的WebAssembly函数。我们通过hello_world_bg.js中的wasm.helloworld来调用这个WebAssembly函数。

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接下来，查找以下行：

(import "./hello_world_bg.js" "__wbg_alert_9ea5a791b0d4c7a3" (func $hello_world::alert::__wbg_alert_9ea5a791b0d4c7a3::h93c656ecd0e94e40 (type 4)))

这对应于在hello_world_bg.js中生成的以下JavaScript函数：

export function __wbg_alert_9ea5a791b0d4c7a3() { return logError(function (arg0, arg1) {
    alert(getStringFromWasm0(arg0, arg1));
}, arguments) };

这是wasm-bindgen提供的「粘合部分」，帮助我们在WebAssembly中使用JavaScript函数或DOM。

最后，让我们看看wasm-bindgen生成的其他文件。

hello_world.d.ts

这个.d.ts文件包含JavaScript粘合的TypeScript类型声明，如果我们的现有JavaScript应用程序正在使用TypeScript，它会很有用。我们可以对调用WebAssembly函数进行「类型检查」，或者让我们的IDE提供自动完成。如果我们不使用TypeScript，可以安全地忽略这个文件。

package.json

package.json文件包含有关生成的JavaScript和WebAssembly包的元数据。它会自动从我们的Rust代码中填充所有npm依赖项，并使我们能够发布到npm。

4. 内容拓展

再次看一下以下代码：

hello_world_bg.js

function helloworld(name) {
    const ptr0 = passStringToWasm0(name, wasm.__wbindgen_malloc, wasm.__wbindgen_realloc);
    const len0 = WASM_VECTOR_LEN;
    wasm.helloworld(ptr0, len0);
}

该代码用于分配和释放内存，这一切都是「由程序自动处理」的。不需要垃圾回收器或完整的框架引擎，使得使用Rust编写的WebAssembly应用程序或模块变得小巧且优化。其他需要垃圾回收器的语言将需要包含用于其底层框架引擎的wasm代码。因此，无论它们有多么优化，其大小都不会小于Rust提供的大小。这使得Rust WebAssembly成为一个不错的选择，如果我们需要将小型WebAssembly模块集成或注入到JavaScript Web应用程序中。

除了Hello World之外，还有一些其他需要注意的事项：

web-sys

使用wasm-bindgen，我们可以通过使用extern在Rust WebAssembly中调用JavaScript函数。请记住src/lib.rs中的以下代码：

#[wasm_bindgen]
extern "C" {
    fn alert(s: &str);
}

Web具有大量API，从DOM操作到WebGL再到Web Audio等等。因此，如果我们的Rust WebAssembly程序增长，并且我们需要对Web API进行多次不同的调用，我们将需要花时间编写大量的extern代码。

web-sys充当wasm-bindgen的前端，为所有Web API提供原始绑定。

这意味着如果我们使用web-sys，可以节省时间，而不必编写extern代码。

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引入web-sys

将web-sys添加为Cargo.toml的依赖项：

[dependencies]
wasm-bindgen = "0.2"

[dependencies.web-sys]
version = "0.3"
features = [
]

为了保持构建速度非常快，web-sys将每个Web接口都封装在一个Cargo特性后面。在API文档中找到我们要使用的类型或方法；它将列出必须启用的特性才能访问该API。

例如，如果我们要查找window.resizeTo函数，我们会在API文档中搜索resizeTo。我们将找到web_sys::Window::resize_to函数，它需要启用Window特性。要访问该函数，我们在Cargo.toml中启用Window特性：

[dependencies.web-sys]
version = "0.3"
features = [
  "Window"
]

调用这个方法：

use wasm_bindgen::prelude::*;
use web_sys::Window;

#[wasm_bindgen]
pub fn make_the_window_small() {
    // 调整窗口大小为500px x 500px。
    let window = web_sys::window().unwrap();
    window.resize_to(500, 500)
        .expect("无法调整窗口大小");
}

这段代码的目的是调整浏览器窗口的大小为500x500像素，并演示了如何使用web-sys和启用的Cargo特性来调用Web API。

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