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Scala meets WebAssembly Scala わいわい勉強会 #5

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こんにちは〜 tanishiking (谷口力斗) Scala Compiler Engineer @ VirtusLab (ポーランドのIT企業) 最近は主に Wasm backend の開発 Scalaわいわい勉強会主催の一人 大阪に住んでます

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WebAssembly (Wasm) とは ブラウザやサーバー上で高速に動作するバイナリフォー マット (Java bytecode と似た立ち位置) C, Rust, Go, Scala など様々な言語で書かれたコードを コンパイルし、Wasm VM上 で安全かつ効率的に実行 もともと Web の高速化 を目的に登場 Google meets の背景ぼかし・spreadsheet の計算ワーカーなど V8(Chrome) SpiderMonkey (firefox) WasmEdge (non-JS runtime)

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Wasm beyond the browser 最近はブラウザにとどまらずクラウド・エッジコンピューティングなど幅広い用途で活躍 ✔ 高速: ネイティブ並みの実行速度 ※ ✔ 起動早い: 従来のLinuxコンテナより高速に起動 ✔ 安全: サンドボックス化・ホスト環境への最小権限アクセス ✔ ポータブル : OS・アーキテクチャに非依存 Docker作者: 2008年にWasm+WASIがあった らDocker作ってなかった。 実際はコンテナのほうが優れているケースの方 が多いが、そう言わしめる程度のポテンシャル がある

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Language agnostic な言語仕様 Wasmは多言語対応を目指し、特定の言語設計やプログラミングモデルに依存し ないミニマルな言語設計 例えばWasmGCではGC-managedなstructとarrayが追加されるだけ、classやvtableなどは コンパイラが頑張って実装する。 non-GCな機能に影響を与えない JVM (Java bytecode) との対比 (In my opinion) Java BytecodeはJavaと同様のプログラミングモデルに最適化 /特化した設計(GC・クラス・オブ ジェクト・virtual dispatch…) コンパイラはVMの提供するリッチな機能を活用できるが、 “Java的でない”言語を Java bytecode にコンパイルするのは厳しい

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最近のWasm動向: Wasm Component Model 異なる言語で書かれたWasmコードを簡単かつ安全に協働させるための仕組 ● WIT (WebAssembly Interface Types): 高級なデータ型を使ったインタ フェースの記述ためのIDL ● Wasm Component: 従来のWasm moduleと異なりインターフェース情報 (WIT)を持ち、言語間での相互運用が可能な形式 ● CanonicalABI: Wasm コンポーネント間でデータを受渡すためのデータ表現 と変換ルール

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何故 Scala を Wasm にコンパイルするのか ? ● ブラウザ環境でのScala.jsのさらなる最適化 ● サーバーサイドWasmにコンパイルしクラウドエッジ環 境でScalaを動かしたい ● Component Model による他言語関数呼び出し

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Scala の Wasm サポートの現状 (1/2) 2024年10月リリースの Scala.js 1.17.0 から実験的な Wasm backend サポート WasmGC, Wasm Exception Handling を利用したJS依存なバイナリを生成 main.js と main.wasm を生成 JSにはwasmをinstantiateするのに 必要なコードが含まれる main.js を通してブラウザやnode.jsで 実行可能。 wasmtimeやwasmedgeは利用不可

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Scala の Wasm サポートの現状 (2/2) JS backend vs Wasm backend のベンチマーク比較 一部の(64bit)計算ヘビーなコードでは JS よりかなり高速 JS interop が遅く、現実的なほとんどのア プリケーションではJSの方が優位 Scala.js test-suite をビルドした コードサイズ 正直今のサポート状況では Wasmの 嬉しさはあまりない! 今後の開発への布石 size JS 14.5 MB JS + GCC 4.1 MB Wasm 6.5 MB wasm-optはGCコードのvalidationが まだうまく動かない...😭

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Scala+Wasmの今後: 最適化・JS機能追加 Wasmバックエンドはまだまだ最適化の余地あり -> コード生成の最適化・wasm-optによる最適化など JS 単体では実現できない・難しかった機能の追加 JavaScript-promise integration による async/await (将来)stack-switching (限定継続)による 効率的なgreen-threadsの実装

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Scala+Wasmの今後: Server Side Wasm 現状言語コア・標準ライブラリにJS依存が含まれる。クラウドエッジ環境でのWasm活 用のためにJS依存を取り除きwasmtimeなどのランタイムで実行できるようにしてい く。 string実装・boxing・closure・浮動小数点の文字列化 , Regex, Math, IO関連 ファイルシステムやネットワークなどのライブラリのためにはシステムコールへのアクセ スが必要 WASI (Wasm System Interface): ファイルシステムやネットワークなどのOS機能 へのアクセスを標準化するインターフェース WASI preview2 は Wasm Component Model proposal に依存

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Scala+Wasmの今後: Wasm Component Model Wasm Component Model をサポー トすることで簡単に他言語関数呼び出 しできるように WASI preview2 はこの Wasm Component Model に依存するので サーバーサイドWasmのためにはどの みち必要 ←開発中です!

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Demo (1/3) 実は Component Model サポートの PoC はできている! Scala から Rust のコードを実行してみよう #[allow(warnings)] mod bindings; use crate::bindings::exports::tanishiking::test::test::Guest; use ferris_says::say; struct Component; impl Guest for Component { fn ferris_say(content: String, width: u32) -> String { let mut buf = Vec::new(); say(content.as_str(), width.try_into().unwrap(), &mut buf).unwrap(); return String::from_utf8(buf).unwrap(); } } bindings::export!(Component with_types_in bindings); package tanishiking:test@0.0.1; world socket { // Scala import test; import wasi:cli/stdout@0.2.0; export wasi:cli/run@0.2.0; } world plug { // Rust export test; } interface test { ferris-say: func(content: string, width: u32) -> string; } WIT IDL 呼び出されるRust code (読まなくていいです)

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Demo (2/3) @ComponentExport("wasi:cli/run@0.2.0") object Run extends component.Interface: def run(): component.Result[Unit, Unit] = val out = Stdio.getStdout() val ferris = Test.ferrisSay("Hello Scala!", 80) out.blockingWriteAndFlush(ferris.getBytes()) component.Ok(()) @ComponentImport("tanishiking:test/test@0.0.1") object Test extends component.Interface: def ferrisSay(content: String, width: UInt): String = component.native wasi:cli/run interface を実装し てexportする (WASIp2 における start関数) 外部のcomponentで定義された ferris-say 関数を呼び出し ferris-say の facade

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Demo (3/3) $ wasm-tools component embed wit main.wasm -o main.wasm -w socket --encoding utf16 $ wasm-tools component new main.wasm -o main.wasm $ wac plug --plug plugin/target/wasm32-wasip1/release/plugin.wasm main.wasm -o out.wasm $ wasmtime -W function-references,gc out.wasm Scalaが生成したWasm moduleを component化 RustとScalaをcompose (link) wasmtime で実行

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Demo (3/3) $ wasm-tools component embed wit main.wasm -o main.wasm -w socket --encoding utf16 $ wasm-tools component new main.wasm -o main.wasm $ wac plug --plug plugin/target/wasm32-wasip1/release/plugin.wasm main.wasm -o out.wasm $ wasmtime -W function-references,gc out.wasm Scalaが生成したWasm moduleを component化 RustとScalaをcompose (link) wasmtime で実行 ______________ < Hello Scala! > -------------- \ \ _~^~^~_ \) / o o \ (/ '_ - _' / '-----' \

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足りていないもの WasmVMの実装 (WasmGC, Exception, ComponentModel) WasmGC Exception Component Model WasmEdge ✔ ✔ ✘ WAMR ✔ ✔ ✘ wasmtime ▲experimental ✘ ✔ ● Component Model サポートの安定化 ● 言語コア・JDK API を pure Scala + WASI で再実装 ● JUnit や sbt framework が wasmtime と一緒に動くように ● JS interopを利用しているライブラリも再実装が必要 無限にやることある!

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まとめ ● Wasmはクラウド・エッジでも活用できる ● Component Model による異言語間の関数呼び出し ● Scala の Wasm サポート ○ 現状はブラウザ・JSでのみ利用可能 ○ 今後は最適化・サーバーサイドWasm・Component Model サポートなどに注力

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宣伝 ScalaDays 2025 開催!!! Google Summer of Code 2025 今年は2019年以来初のScalaの生まれ故郷EPFL での開催 2019年も楽しかったので行きましょう Googleから給料もらいながら OSS開発できるプログラ ム。Scalaもやります! “gsoc scala 2025” Wasm開発手伝ってくれる人いたら相談ください (project list にはないけどなんとかなるかも ?) 4/8 締め切り