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在 JavaScript 中使用 C 程序

日期:2017/3/1 9:19:07      编辑:Linux編程

JavaScript 是個靈活的腳本語言,能方便的處理業務邏輯。當需要傳輸通信時,我們大多選擇 JSON 或 XML 格式。

但在數據長度非常苛刻的情況下,文本協議的效率就非常低了,這時不得不使用二進制格式。

去年的今天,在折騰一個 前後端結合的 WAF 時,就遇到了這個麻煩。

因為前端腳本需要采集不少數據,而最終是隱寫在某個 cookie 裡的,因此可用的長度非常有限,只有幾十個字節。

如果不假思索就用 JSON 的話,光一個標記字段 {"enableXX": true} 就占去了一半長度。然而在二進制裡,標記 true 或 false 不過是 1 個比特的事,可以節省上百倍的空間。

同時,數據還要經過校驗、加密等環節,只有使用二進制格式,才能方便的調用這些算法。

優雅實現

不過,JavaScript 並不支持二進制。

這裡的「不支持」不是說「無法實現」,而是無法「優雅實現」。語言的發明,就是用來優雅解決問題的。即使沒有語言,人類也可以用機器指令來編寫程序。

如果非要用 JavaScript 操作二進制,最終就類似這樣:

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

雖然能實現,但很丑陋。各種硬編碼、各種位運算。

然而,對於先天支持的語言,就十分優雅:

union {
    struct {
        int enableXX1: 1;
        int enableXX2: 1;
        ...
    };
    int16_t value;
} flags;

flags.enableXX1 = enableXX1;
flags.enableXX2 = enableXX2;

只需定義一個描述即可。使用時,字段偏移多少、如何讀寫,這些細節完全不用關心。

為了能達到類似效果,起先封裝了一個 JS 版的結構體:

// 最初方案:封裝一個 JS 結構體
var s = new Struct([
    {name: 'month', bit: 4, signed: false},
    ...
]);

s.set('month', 12);
s.get('month');

將細節進行了隱藏,看起來就優雅多了。

優雅但不完美

但是,這總感覺不是最完美的。結構體這種東西,本該由語言提供,如今卻要用額外的代碼實現,而且還是在運行期間。

另外,後端解碼是用 C 實現的,所以得維護兩套代碼。一旦數據結構或者算法變了,得同時更新 JS 和 C,很麻煩。

於是琢磨,能否共用一套 C 代碼,同時用於前端和後端?

也就是說,需要能將 C 編譯成 JS 來運行。

認識 emscripten

能將 C 編譯成 JS 的工具有不少,最專業的要數 emscripten。

emscripten 的使用方式很簡單,和傳統 C 編譯器差不多,只不過生成的是 JS 代碼。

./emcc hello.c -o hello.html

// hello.c
#include <stdio.h>
#include <time.h>  

int main() {
    time_t now;
    time(&now);
    printf("Hello World: %s", ctime(&now));
    return 0;
}

編譯之後即可運行:

很有趣吧~ 大家可以嘗試下,這裡就不多介紹了。

實用缺陷

然而我們關心的不是有趣,而是實用。

事實上,即使一個 Hello World 編譯出來的 JS 也過萬行,多達數百 KB。就算壓縮再 GZIP,仍有幾十 KB。

同時 emscripten 使用了 asm.js 規范,內存訪問是通過 TypedArray 實現的。

這意味著 IE10 以下的用戶都無法運行。這也是不可接受的。

因此,我們得做如下改進:

  • 減少體積

  • 增加兼容

改造

首先寄托 emscripten 本身,看看能不能通過設置參數,來達到我們的目的。

不過一番嘗試之後,並沒有成功。那只能自己動手實現了。

減少體積

為什麼最終腳本會那麼大,裡面都放了些什麼?分析了下內容,大致有這幾個部分:

  • 輔助功能

  • 接口模擬

  • 初始化操作

  • 運行時函數

  • 程序邏輯

輔助功能

比如字符串和二進制轉換、提供回調包裝等。這些基本都是用不著的,我們可以給自己寫個特殊的回調函數。

接口模擬

提供文件、終端、網絡、渲染等接口。之前見過用 emscripten 移植的客戶端游戲,看來模擬了不少接口。

初始化操作

全局內存、運行時、各種模塊的初始化。

運行時函數

純粹的 C 只能做簡單的計算,很多功能都依靠運行時函數。

不過,有些常用的函數,其背後的實現是及其復雜的。例如 malloc 和 free,對應的 JS 有近 2000 行!

程序邏輯

這才是 C 程序真正對應的 JS 代碼。因為編譯時經過 LLVM 的優化,邏輯可能變得面目全非了。

這部分代碼量不大,是我們真正想要的。

事實上,如果程序沒有用到一些特殊功能的話,把邏輯函數單獨摳出來,仍然是可以運行的!

考慮到我們的 C 程序非常簡單,所以簡單粗暴的提取出來,也是沒問題的。

C 程序對應的 JS 邏輯位於 // EMSCRIPTEN_START_FUNCS// EMSCRIPTEN_END_FUNCS 之間。過濾掉運行時函數,剩下的就是 100% 的邏輯代碼了。

增加兼容

接著解決內存訪問的兼容性問題。

首先了解下,為何要用 TypedArray。

emscripten 申請了一大塊 ArrayBuffer 來模擬內存,然後關聯了一些 HEAP 開頭的變量。

這些不同類型的 HEAP 共享同一塊內存,這樣就能高效的模擬指針操作。

然而不支持 TypedArray 的浏覽器,顯然無法運行。所以得提供個 polyfill 兼容下。

但經分析,這幾乎不可能實現 —— 因為 TypedArray 和數組一樣,是通過索引來訪問的:

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

然而 [] 操作符在 JS 裡是無法重寫的,因此難以將其變成 setter 和 getter。況且不支持 TypedArray 的都是低版本 IE,更不用考慮 ES6 的那些特征。

於是琢磨 IE 的私有接口。比如用 onpropertychange 事件來模擬 setter。不過這樣做效率極低,而且 getter 仍不易實現。

經過一番考慮,決定不用鉤子的方式,而是直接從源頭上解決:修改語法!

我們用正則,找出源碼中的賦值操作:

HEAP[index] = val;

替換成:

HEAP_SET(index, val);

類似的,將讀取操作:

HEAP[index]

替換成:

HEAP_GET(index)

這樣,原先的索引操作,就變成函數調用了。我們就能接管內存的讀寫,並且沒有任何兼容性問題!

然後實現 8、16、32 位有無符號的讀寫。通過 JS 的 Array 來模擬,非常簡單。

麻煩的是模擬 Float32Float64 兩個類型。不過本次 C 程序中並未用到浮點,所以就暫不實現了。

到此,兼容性問題就解決了。

大功告成

解決了這些缺陷,我們就可以愉快的在 JS 中使用 C 邏輯了。

作為腳本,只關心采集哪些數據。這樣 JS 代碼就非常的優雅:

數據的儲存、加密、編碼,這些底層數據操作,則通過 C 實現。

編譯時使用 -Os 優化體積。最終的 JS 混淆壓縮之後,還不到 2 KB,十分小巧精煉。

更完美的是,我們只需維護一份代碼,即可同時編譯出前端和後端的版本。

於是,這個「前後端 WAF」開發就容易多了。

所有的編碼/解碼算法,都由 C 實現。然後分別編譯成前端運行的 JS 代碼,和後端 lua 模塊,供 nginx-lua 使用。

測試版

事實上,還有第三個版本 —— 本地版,用來測試算法邏輯。

這樣就無需啟動 WebServer、打開浏覽器來調試了。只需模擬一些數據,運行程序即可測試,非常輕量。

同時借助 IDE,調試起來更容易。

小結

每一門語言都有各自的優缺點。將不同語言的優勢相互結合,可以程序變得更優雅、更完美。

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