现在，Chrome 会默认启用 WebAssembly 垃圾回收 (WasmGC)

Thomas Steiner

编程语言分为两类：具有垃圾收集功能的编程语言和需要手动管理内存的编程语言。前者有很多，例如 Kotlin、PHP 或 Java。后者的示例包括 C、C++ 或 Rust。一般来说，更高级别的编程语言更有可能将垃圾回收作为标准功能。这篇博文重点介绍了此类具有垃圾回收功能的编程语言，以及如何将它们编译为 WebAssembly (Wasm)。但首先，什么是垃圾收集（通常称为 GC）？

垃圾回收

简单来说，垃圾回收是指尝试回收程序已分配但不再引用的内存。此类内存称为垃圾。实现垃圾收集的策略有很多。其中一种是引用计数，其目的是统计内存中对象的引用数量。当不再有对某个对象的引用时，该对象可以标记为不再使用，从而准备好进行垃圾回收。PHP 的垃圾收集器使用引用计数，而使用 Xdebug 扩展程序的 xdebug_debug_zval() 函数可让您了解其内部运作方式。请考虑以下 PHP 程序。

<?php
  $a= (string) rand();
  $c = $b = $a;
  $b = 42;
  unset($c);
  $a = null;
?>

该程序会将强制转换为字符串的随机数分配给一个名为 a 的新变量。然后，它会创建两个新变量 b 和 c，并为其分配 a 的值。之后，它会将 b 重新分配给数字 42，然后取消设置 c。最后，它将 a 的值设置为 null。使用 xdebug_debug_zval() 注释程序的每个步骤，您就可以看到垃圾收集器的引用计数器在工作。

<?php
  $a= (string) rand();
  $c = $b = $a;
  xdebug_debug_zval('a');
  $b = 42;
  xdebug_debug_zval('a');
  unset($c);
  xdebug_debug_zval('a');
  $a = null;
  xdebug_debug_zval('a');
?>

上述示例将输出以下日志，您可以看到变量 a 的值在每个步骤后引用次数是如何减少的，这对于给定的代码序列来说是有意义的。（当然，您的随机数会有所不同。）

a:
(refcount=3, is_ref=0)string '419796578' (length=9)
a:
(refcount=2, is_ref=0)string '419796578' (length=9)
a:
(refcount=1, is_ref=0)string '419796578' (length=9)
a:
(refcount=0, is_ref=0)null

垃圾回收还存在其他挑战，例如检测循环，但对于本文而言，对引用计数有基本的了解就足够了。

编程语言以其他编程语言实现

这可能有点像盗梦空间，但编程语言是用其他编程语言实现的。例如，PHP 运行时主要在 C 中实现。您可以在 GitHub 上查看 PHP 源代码。PHP 的垃圾收集代码主要位于 zend_gc.c 文件中。大多数开发者都会通过操作系统的软件包管理器安装 PHP。不过，开发者也可以从源代码构建 PHP。例如，在 Linux 环境中，步骤 ./buildconf && ./configure && make 会为 Linux 运行时构建 PHP。但这同时也意味着，PHP 运行时可以针对其他运行时进行编译，例如，您可能已经猜到，Wasm。

将语言移植到 Wasm 运行时的传统方法

无论 PHP 在哪个平台上运行，PHP 脚本都会被编译为相同的字节码，并由 Zend Engine 运行。Zend Engine 是 PHP 脚本语言的编译器和运行时环境。它由 Zend 虚拟机 (VM) 组成，而 Zend 虚拟机又由 Zend 编译器和 Zend 执行器组成。以其他高级语言（如 C）实现的语言（如 PHP）通常具有针对特定架构（如 Intel 或 ARM）的优化，并且每种架构都需要不同的后端。在此背景下，Wasm 代表一种新的架构。如果虚拟机具有特定于架构的代码（例如即时 [JIT] 或预先 [AOT] 编译），那么开发者还需要为新架构实现 JIT/AOT 后端。这种方法非常合理，因为通常情况下，代码库的主要部分只需针对每种新架构重新编译即可。

鉴于 Wasm 的低级特性，很自然地会尝试在其中采用相同的方法：将主虚拟机代码及其解析器、库支持、垃圾收集和优化器重新编译为 Wasm，并根据需要为 Wasm 实现 JIT 或 AOT 后端。自 Wasm MVP 以来，这已成为可能，并且在许多情况下，这种方法在实践中效果良好。事实上，编译为 Wasm 的 PHP 为 WordPress Playground 提供支持。如需详细了解该项目，请参阅文章使用 WordPress Playground 和 WebAssembly 构建浏览器内 WordPress 体验。

不过，PHP Wasm 在浏览器中运行，并以宿主语言 JavaScript 为上下文。在 Chrome 中，JavaScript 和 Wasm 在 V8 中运行，V8 是 Google 的开源 JavaScript 引擎，可实现 ECMA-262 中指定的 ECMAScript。此外，V8 已经有垃圾收集器。这意味着，使用编译为 Wasm 的 PHP 等语言的开发者最终会向已经有垃圾回收器的浏览器提供移植语言 (PHP) 的垃圾回收器实现，这非常浪费资源。这就是 WasmGC 的用武之地。

旧方法（让 Wasm 模块在 Wasm 的线性内存之上构建自己的垃圾收集器）的另一个问题是，Wasm 自身的垃圾收集器与编译为 Wasm 的语言的顶层垃圾收集器之间没有互动，这往往会导致内存泄漏和低效的收集尝试等问题。让 Wasm 模块重用现有的内置 GC 可避免这些问题。

使用 WasmGC 将编程语言移植到新的运行时

WasmGC 是 WebAssembly 社区组的一项提案。当前的 Wasm MVP 实现只能处理线性内存中的数字（即整数和浮点数），而随着引用类型提案的发布，Wasm 还可以保存外部引用。WasmGC 现在添加了结构和数组堆类型，这意味着支持非线性内存分配。每个 WasmGC 对象都具有固定的类型和结构，这使得虚拟机可以轻松生成高效的代码来访问其字段，而不会像 JavaScript 等动态语言那样存在反优化的风险。此提案通过结构体和数组堆类型为 WebAssembly 添加了对高级别托管语言的高效支持，从而使以 Wasm 为目标的语言编译器能够与宿主虚拟机中的垃圾回收器集成。简单来说，这意味着使用 WasmGC 时，将编程语言移植到 Wasm 意味着编程语言的垃圾回收器不再需要成为移植的一部分，而是可以使用现有的垃圾回收器。

为了验证此改进的实际效果，Chrome 的 Wasm 团队已从 C、Rust 和 Java 编译了 Fannkuch 基准（在工作时分配数据结构）的版本。C 和 Rust 二进制文件的大小可能介于 6.1 K 到 9.6 K 之间，具体取决于各种编译器标志，而 Java 版本的大小仅为 2.3 K，小得多！C 和 Rust 不包含垃圾收集器，但它们仍然捆绑了 malloc/free 来管理内存，而 Java 在这里之所以更小，是因为它根本不需要捆绑任何内存管理代码。这只是一个具体的示例，但它表明 WasmGC 二进制文件有可能非常小，而这甚至是在针对大小进行任何重大优化之前。

了解 WasmGC 移植的编程语言的实际应用

Kotlin Wasm

得益于 WasmGC，Kotlin 是首批移植到 Wasm 的编程语言之一，以 Kotlin/Wasm 的形式呈现。以下清单中显示了由 Kotlin 团队提供的源代码演示。

import kotlinx.browser.document
import kotlinx.dom.appendText
import org.w3c.dom.HTMLDivElement

fun main() {
    (document.getElementById("warning") as HTMLDivElement).style.display = "none"
    document.body?.appendText("Hello, ${greet()}!")
}

fun greet() = "world"

现在，您可能想知道这样做的意义何在，因为上面的 Kotlin 代码基本上是由转换为 Kotlin 的 JavaScript OM API 组成。与 Compose Multiplatform 结合使用时，它的优势会更加明显，开发者可以基于他们可能已经为 Android Kotlin 应用创建的界面进行构建。您可以查看 Kotlin/Wasm 图片查看器，初步了解这方面的探索，该查看器同样由 Kotlin 团队提供。

Dart 和 Flutter

Google 的 Dart 和 Flutter 团队也在准备对 WasmGC 的支持。Dart 到 Wasm 的编译工作已接近完成，团队正在努力开发工具支持，以便交付编译为 WebAssembly 的 Flutter Web 应用。您可以在 Flutter 文档中了解该工作的当前状态。以下演示是 Flutter WasmGC 预览版。

详细了解 WasmGC

这篇博文只是浅尝辄止，主要简要介绍了 WasmGC。如需详细了解此功能，请访问以下链接：

• 一种将垃圾回收型编程语言高效引入 WebAssembly 的新方法
• WasmGC 概览
• WasmGC MVP
• WasmGC post-MVP

致谢

本文由 Matthias Liedtke、Adam Klein、Joshua Bell、Alon Zakai、Jakob Kummerow、Clemens Backes、Emanuel Ziegler 和 Rachel Andrew 审阅。