入門 WebAssembly Binary Format Mitsuru Takigahira : @MysticDoll

発表者 • Mitsuru Takigahira @MysticDoll • 低レイヤは初心者です • 社会人2年目になり、住民税の責め苦を受けている • 会社ではRust書いたりSCMの運用する妖精とかやってる

WebAssembly • ブラウザ上で高速に動くアセンブリではないコードフォーマット • WebAssembly (abbreviated Wasm [1]) is a safe, portable, low- level code format designed for efficient execution and compact representation. Its main goal is to enable high performance applications on the Web, but it does not make any Web-specific assumptions or provide Web-specific features, so it can be employed in other environments as well. (https://webassembly.github.io/spec/intro/introduction.html) • 安全でポータブルで低レベルなコードフォーマット 効率良い実行・小さい表現でデザインされているらしい

参考にした文献 • https://webassembly.github.io/spec/core/index.html • 発表2日前とかに仕様がW3Cの勧告候補になったらしくキレた • どうなるかわからんけどW3Cの方の仕様の方が見た目が綺麗 https://www.w3.org/TR/wasm-core-1/ • この発表ではBinary Formatがどうなっているかのみ扱います

じゃあ実際どうなっとんねん

WebAssembly Binary Magic • wasmバイナリの開始4バイトは固定で 0x00 0x61 0x73 0x6d • 次4バイトはwasmバイナリのバージョンを書く • 現在は 0x01 0x00 0x00 0x00 固定

Sections • WebAssemblyには以下11種のセクションがある • Custom Section • Type Section • Import Section • Function Section • Table Section • Memory Section • Global Section • Export Section • Element Section • Code Section • Data Section

Section Format • 各Sectionには対応するIDがある • Sectionは以下のように表現する • ≔ : , ≔ : 32 , ≔ (はSectionに依存)とすると の様に表現する • 書かれていないSectionは空のSectionとみなされる • Custom Sectionを除き、SectionはIDの若い順で記述する (Section間の依存関係の問題で)

基本的な数値表現 • 関数に利用可能な数値型はi32, i64, f32, f64の4種

整数の表現 • 仕様上は主にビット長Nに対しuN, iNが定義されている • 基本的にはsigned LEB128 • LEB128はDwarfなどで用いられている整数表現 • 数値が小さいほど短い表現で済む • LEB128を知らないと初見でなんで固定長じゃないの？となる • この会場にいる人は概ねそうではなさそう… • このスライドで数値が使われていたら → 実際はLEB128で表現してると思ってください

浮動小数点数の表現 • ビット長Nに対し fN が定義されている • 表現はIEEE754-2008 • たぶんこれはECMA262に合わせたんじゃないかと勝手に思っています

ベクトルの表現 • 構造体に対しベクトル()の表現は ℎ = ∶ u32とし て … ( ) • 結構読みやすい、素直に最初の数値を読んでその数繰り返し読むだけ • 仕様上vectorと書いてあるけどBによってはvectorじゃないよね

名称の表現 • UTF-8で書く • で表現する。 このとき長さはUTF-8で表現したときのバイト数 • otakuだったら 0x6f 0x74 0x61 0x6b 0x75 で5バイトなので 0x05 0x6f 0x74 0x61 0x6b 0x75 となる

ここまで • WebAssemblyには11のSectionがある • Section IDの小さい順で書く • 数値はLEB128, IEEE754-2008で表現 • Vectorは長さを先頭に、実物をその後ろに並べる • 名称は で表現

関数を定義する

関数の表現 • wasm上の関数の表現は以下の2つの部分から構成される 1. 関数のプロトタイプ宣言 (i32, i32) -> i32 的な 2. 実際の関数の命令列 • 関数に用いられる命令は基本1byteで表現される(今のところ) • 静的なオプションが必要な命令は1byte + option という風に表現 • 1がType SectionとFunction Section、2がCode Sectionに対応

• i32 := 0x7F • i64 := 0x7E • f32 := 0x7D • f64 := 0x7C • にそれぞれ対応、以下に用いられる • 関数のプロトタイプ定義 • global/local varの定義 • 関数内のブロックが返却する型の宣言

• 関数のシグネチャの表現 • 0x60 • 引数の型のvectorと返却する型のvectorを書く • vectorとなっているがまだwasmはタプルなどを返せないので お飾り

Type Section • Section ID 1 • Wasm内で利用される関数(importも含む)のシグネチャを書く • = として 1 () • 関数のシグネチャは定義した順にインデックスが振られる

Function Section • 定義する関数がどのシグネチャなのかを宣言するSection • この時点では関数本体の定義は行わない • = として 3 () • Code Sectionで書く関数本体それぞれのシグネチャと このvectorの要素が上から順に対応する

Code Section • 関数そのものの定義を書く • = として10 () • ≔ : 32 : • が関数の実体

• 関数本体 • 終端を00とした命令列を • 個数と型()の組をとして • f ≔ • ()は32 32 64 64とかなら2 2 07 2 07

実際のwasmを書く

Type Sectionまで

Type Sectionまで

Function Sectionまで

Code Sectionまで

wasmで関数の定義、できた

Export Section • お察しの通りExport SectionがないとJS側にwasm関数をexport できない • wasmでexportできるのはfunc memory table globalsの4つ • globalsはimmutableでないとexportできない

Export Section • Export Sectionは以下のように記述する • 7 • ≔ • : = 000 001 002 003 • インデックスが0,1の関数をa,bとしてexportする場合 • 7 2 001 061 000 000 001 062 000 001

じゃあさっきの関数もexportする

JSや他のwasmから関数を使いたい • →Import Sectionがあるじゃろ

Import Section • 2階層の名前空間で指定したインスタンスをimportできる • Export同様のインスタンスがexportできる • wasm全体の関数Indexはimportされた関数から振られる • memory, table, globalも同様にindexはimportの方が先 • といってもmemoryとtableは現状ユニークでなければならない • JSからimportするときは { hoge: {fuga: some_func } } みたいなオブジェクトを渡す

Import Section • 2 • ≔ • はimportする種別と開始1バイトが対応し 続く部分がそれぞれ異なる • ≔ 000 001 002 003

Import Section (import functions) • 関数をimportする場合は ≔ 000 • importする関数のシグネチャのインデックスを指定する

Import Section(table) • ≔ • つまり ≔ 001 • は現在070(anyfunc) のみ可能 • ≔ ቊ 000 001 min • はtableの最小サイズと最大サイズを定義する • tableの中身は(現在は)関数のみ Element Sectionで関数indexを指定して突っ込む

Import Section(memory) • ≔ • ≔ 003 • tableと似ていて、elementの種別を宣言せずlimitsだけ書く • memoryはpage size 64KiB • memoryはmemory.size命令で現在のサイズを得られ memory.grow命令で1ページ分サイズを増やす (返り値は増加前のサイズ)

Import Section (globals) • グローバル変数のimport • ≔ • は真偽値で、mutableなら1 • (mut i32) なら 07 1とか

じゃあとりあえずimportしてみる • console.logとかimportしてみる

した

ここまで • 関数のシグネチャ・本体・Exportした • Importもした • もうこれでバイナリエディタで簡単なwasmが書けるはず

線型メモリやテーブル • Memory SectionやTable Sectionでmemtype/tabletypeを宣言 • TableはElement Section, Memory は Data Sectionで初期化 • wasmのcompile時にexportした関数やテーブルやメモリなどは 再インポートして別wasmのcompileに利用できる • メモリ • コード中でtN.store/load で読み書き可能 • テーブル • call_indirectでtableから指定したindexの関数を呼び出せる

Memory Section/ Table Section • Table Section 4 () • Memory Section 5

Element Section • 9 • ≔ • はconstant expressionで以下の命令のみ可 • get_global m • *.const m • で評価された値がオフセットになり その位置に指定したインデックスの関数が追加される

Data Section • Element Sectionと似ている • 11 • ≔ • Element Section同様オフセットを指定し、データを格納する • 格納するデータはバイト列となる

No content

Text Formatにするとこんなん

いかがでしたか • コンパクトというのは本当っぽい • バイナリフォーマットとしては結構簡単な方に見える • wasmのinstructionについては触れなかったが、 どこまで何ができるのか知る一助になれば嬉しいです