RustでWasm Runtimeを書いた in WebAssembly night #11

RustでWasm Runtimeを書いた（株）テックリードゴリラ

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MJLFT< 3VTU (P 5ZQF4DSJQU %FOP 7JN 8BTN %PDLFS LT > TOT< 9 5XJUUFS IUUQTUXJUUFSDPNHPSJMMB (JU)VCIUUQTHJUIVCDPNTLBOFIJSB [FOOIUUQT[FOOEFWTLBOFIJSB > >

Wasm Runtimeを書いたモチベ

Wasm 面白そうだけど   どう動いているのか   よくわからん

実装して完全理解するしかない ↓ 実装してみた https://github.com/skanehira/chibiwasm ※https://www.w3.org/TR/wasm-core-1/ の仕様まで

デモ

あらためて... Wasm(WebAssembly)とは？

https://developer.mozilla.org/ja/docs/WebAssembly より

狭義的にWasmはブラウザでも動く仮想命令セット ※文脈によってエコシステム周辺も含めてwasmと呼ぶこともある

命令セットはCPU命令の集まり x86・ARMなどがある

仮想命令セットは CPUに依存しない命令セット

RubyやJVMといった仮想マシンで動作する言語はそれぞれが定義した仮想命令セットで動いている

Wasmの仮想命令セットは   ただのバイトコード

00000000: 0061 736d 0100 0000 0107 0160 027f 7f01 .asm.......`....
00000010: 7f03 0201 000a 0901 0700 2000 2001 6a0b .......... . .j. 00000020: 0a . WATからWasmバイナリを生成

Wasm Runtimeは   Ruby VMやJVMのような仮想マシン

Wasm Runtimeはスタックベースの仮想マシン

*.wasmが実行されるまでの流れ

1. *.wasmからRustのデータ構造に落とし込む   2. 1のデータ構造から実行用のデータ構造を生成する   3. Wasm Runtimeのメモリの確保や命令処理などを行う

*.wasmのデータ構造

先頭8バイトがmagic number とversion情報   残りが各種セクション情報   各種セクションは実行時に必要な情報を持つ 8BTNNPEVMF E
NBHJDOVNCFS aBTN WFSTJPO TFDUJPODPEF TFDUJPOTJ[F BYY TFDUJPOEBUB TFDUJPODPEF TFDUJPOTJ[F YY TFDUJPOEBUB EYY

例)   type_section 関数シグネチャ情報 code_section   関数の命令群

TFDUJPO5ZQF TFDUJPODPEF TFDUJPOTJ[F B OVNUZQFT C GVOD
D OVNQBSBNT EG J FG J G OVNSFTVMUT G J TFDUJPO$PEF B TFDUJPODPEF TFDUJPOTJ[F OVNGVODUJPOT GVODCPEZTJ[F MPDBMEFDMDPVOU B MPDBMHFU C MPDBMJOEFY D MPDBMHFU E MPDBMJOEFY FB JBEE GC FOE

例)   type_section 関数シグネチャ情報 code_section   関数の命令群 import_section 他モジュールからインポートする関数やメモリなどの情報

code section をデコード処理する例 TFDUJPO$PEF B TFDUJPODPEF TFDUJPOTJ[F
OVNGVODUJPOT GVODCPEZTJ[F MPDBMEFDMDPVOU B MPDBMHFU C MPDBMJOEFY D MPDBMHFU E MPDBMJOEFY FB JBEE GC FOE

実行時データ構造

Store 実行時に必要なインスタンス達を持つ   例）関数やメモリのインスタンス Runtime VMそのものと思ってOK Runtime::stack 処理時の値を保持する Runtime::call_stack 関数呼び出しのフレームを保持する
フレームごとに命令などの情報をもつ

命令処理の実装を説明する前にスタックマシンについて復習

スタックマシン 10 + 13 をスタックを使って計算する場合

これをRustで表現する

*OTUSVDUJPO   8BTNͷ໋ྩ܈ 7BMVF   8BTNͰѻ͑Δ஋   J΍JɺGͳͲ 3VOUJNFTUBDL  
ॲཧ࣌ͷ஋Λอ࣋ 3VOUJNFFYFDVUF   ໋ྩΛॲཧ͢Δؔ਺ QD   ϓϩάϥϜΧ΢ϯλ   ࣍ͷ໋ྩͷ൪஍ʢΠϯσοΫεʣ

'SBNF   ؔ਺ͷݺͼग़͠ͷ౓ʹੜ੒͢Δ     ྫ͑͹ɺ" # ͷΑ͏ͳؔ਺ݺͼग़͠  
͕͋Δ৔߹ɺ" ͷॲཧதʹ# ͷ໋ྩΛ   ॲཧ͠ɺͦΕ͕ऴΘͬͨΒ" ʹ໭Δࡍʹ   " ͷQDʹ໭͢ඞཁ͕͋Δ   ؔ਺͝ͱʹQDͱ໋ྩΛ·ͱΊͯ'SBNFͰ   ؅ཧ͢Δ͜ͱͰɺݺͼग़͠ݩʹ໭Δͱ͖   ͷॲཧ͸'SBNFΛ੾Γସ͑Δ͚ͩͰࡁΉ

最終的なFrame

-BCFM   JG΍MPPQͱ͍ͬͨͷ੍ޚߏจΛॲཧ͢ΔͨΊͷ৘ใ   ྫ͑͹ελοΫΛר͖໭ͨ͢ΊͷελοΫϙΠϯλ   ͳͲΛ࣋ͭ BSJUZ   ໭Γ஋ͷ਺
  MPPQ΋໭Γ஋Λฦ͢͜ͱ͕Ͱ͖ΔͨΊɺ   -BCFM΋BSJUZΛ࣋ͭ MPDBMT   ؔ਺ͷҾ਺΍ϩʔΧϧม਺ͷ஋ ͦͷଞɺॾʑͷ࣮૷ͷৄࡉ͸ˣͷهࣄΛࢀর   IUUQT[FOOEFWTLBOFIJSBBSUJDMFT SVTUXBTNSVOUJNF

ͪͳΈʹ໋ྩͷ਺͸Ҏ্͋Δ   ͷͰϚΫϩΛۦ࢖࣮ͯ͠૷ྔΛ཈͑ͨ 3VTUͷϚΫϩ͸͜͏͍͏ͱ͖ʹศར

実はWasm Runtimeは   数値の計算とメモリの操作   しかできない

ファイルといったOSのリソースの操作は仕様にない

WebAssembly System Interface 通称 WASI

WASIは雑にいうとシステムコールの仕様

POSIX Likeな関数の集まり例） sock_accept(fd, flags) : ソケット新規接続受け入れ fd_write(fd, iovec_array): fdにデータを書き込む
fd_read(fd, iovec_array) : fdからデータを読み取る

WASIを使えば、ファイルといった OSのリソースを扱えるようになる

つまり... WASIをRuntimeに実装することでファイルIOの処理が可能になる

WASIはpreview 1と2がある

preview 1の関数一覧   https://github.com/WebAssembly/WASI/blob/main/legacy/preview1/docs.md

文字を出力するにはpreview 1の fd_write()を実装する必要がある

fd_write()はWasm Runtimeが持つメモリ上のデータをfdに書き込む

ϝϞϦ͔ΒσʔλΛಡΈऔΔ ಡΈऔͬͨόΠτྻΛGEʹ ॻ͖ग़͢

Wasmから見てWASIは wasi_snapshot_preview1というモジュールそのモジュールが持っている fd_write()関数を使う fd_write()を使うとき

ドキュメントを読んでもどう実装したら良いのかさっぱり分からなかった WASIの実装の余談なので↓のdenoのwasiモジュールを見ながらRustで実装した   https://deno.land/std/wasi/snapshot_preview1.ts 今なら、GoのWASI実装を参考にできるかも？   https://github.com/golang/go/blob/master/src/net/fd_wasip1.go

宣伝同人誌「作って理解 Wasm Runtimeのしくみ」を執筆中です Rustで"Hello World"を出力できるWasm RuntimeをRustで実装していく本になります来年のどこかの技術書典などに出せたらと思っています

ありがとうございました

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