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

https://emsn.connpass.com/event/290430/

Transcript

1. RustでWasm Runtimeを書いた
   （株）テックリード ゴリラ
   

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

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3. Wasm Runtimeを書いたモチベ
   

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4. Wasm 面白そうだけど
   

   どう動いているのか
   

   よくわからん
   

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5. 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
   

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6. デモ
   

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7. あらためて...
   
   
   Wasm(WebAssembly)とは？
   

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

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9. 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
   

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10. 命令セットはCPU命令の集まり
    
    
    x86・ARMなどがある
    

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11. 仮想命令セットは
    
    
    CPUに依存しない命令セット
    

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12. 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
    

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13. Wasmの仮想命令セットは
    

    ただのバイトコード
    

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14. 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
    

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16. Wasm Runtimeは
    

    Ruby VMやJVMのような仮想マシン
    

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17. Wasm Runtimeは
    
    
    スタックベースの仮想マシン
    

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18. *.wasmが実行されるまでの流れ
    

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19. 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
    

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20. *.wasmのデータ構造
    

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21. 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
    

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22. 例)
    

    type_section
    
    
    関数シグネチャ情報
    
    
    code_section
    

    関数の命令群
    

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23. 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
    

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24. 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
    

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25. 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
    

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26. 実行時データ構造
    

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27. 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
    

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28. 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
    

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29. スタックマシン
    10 + 13 をスタックを使って計算する場合
    

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30. これをRustで表現する
    

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31. *OTUSVDUJPO
    

    8BTNͷ໋ྩ܈
    7BMVF
    

    8BTNͰѻ͑Δ஋
    

    J΍JɺGͳͲ
    3VOUJNFTUBDL
    

    ॲཧ࣌ͷ஋Λอ࣋
    3VOUJNFFYFDVUF
    

    ໋ྩΛॲཧ͢Δؔ਺
    QD
    

    ϓϩάϥϜΧ΢ϯλ
    

    ࣍ͷ໋ྩͷ൪஍ʢΠϯσοΫεʣ
    

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32. 'SBNF
    

    ؔ਺ͷݺͼग़͠ͷ౓ʹੜ੒͢Δ
    

    
    

    ྫ͑͹ɺ"
    #
    ͷΑ͏ͳؔ਺ݺͼग़͠
    

    ͕͋Δ৔߹ɺ"
    ͷॲཧதʹ#
    ͷ໋ྩΛ
    

    ॲཧ͠ɺͦΕ͕ऴΘͬͨΒ"
    ʹ໭Δࡍʹ
    

    "
    ͷQDʹ໭͢ඞཁ͕͋Δ
    

    ؔ਺͝ͱʹQDͱ໋ྩΛ·ͱΊͯ'SBNFͰ
    

    ؅ཧ͢Δ͜ͱͰɺݺͼग़͠ݩʹ໭Δͱ͖
    

    ͷॲཧ͸'SBNFΛ੾Γସ͑Δ͚ͩͰࡁΉ
    

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33. 最終的なFrame
    

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34. -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
    

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35. ͪͳΈʹ໋ྩͷ਺͸Ҏ্͋Δ
    

    ͷͰϚΫϩΛۦ࢖࣮ͯ͠૷ྔΛ཈͑ͨ
    3VTUͷϚΫϩ͸͜͏͍͏ͱ͖ʹศར
    

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36. 実はWasm Runtimeは
    

    数値の計算とメモリの操作
    

    しかできない
    

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37. ファイルといったOSのリソース
    
    
    の操作は仕様にない
    

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38. WebAssembly System Interface
    
    
    通称 WASI
    

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39. WASIは雑にいうと
    
    
    システムコールの仕様
    

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40. 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
    

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41. 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
    

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42. 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
    

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43. WASIはpreview 1と2がある
    

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44. preview 1の関数一覧
    
    
    

    https://github.com/WebAssembly/WASI/blob/main/legacy/preview1/docs.md
    

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

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

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47. ϝϞϦ͔ΒσʔλΛಡΈऔΔ
    ಡΈऔͬͨόΠτྻΛGEʹ
    ॻ͖ग़͢
    

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48. 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
    

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49. 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
    

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50. 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
    

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51. ありがとうございました
    

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