凹语言

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凹语言Native后端达到C语言性能

凹语言是国内首个面向WebAssembly设计工业级通用编程语言，也是目前被 CNCF基金会wasm全景图 收录的的唯一一个来自中国的开源编程语言项目。凹语言项目开发组最近针对用户反馈开始支持到Native的编译，这是wat2c翻译wat代码到C代码的最新进展。

凹语言最初立项时有一个凹语言直接到C语言的后端，但是后来因为开发资源等诸多限制并没有继续推进。这里采用的是凹语言先到wasm后端的文本格式，然后再翻译到C语言，是采用wa wat2c命令实现。wasm后端部分的wat文本解析，wasm模块的优化和到C语言的翻译全部自研。

1. fib测试样例

先构造C语言版本fib例子：

c
int64_t fn_fib(int64_t n) {
  if (n <= 2) { return 1; }
  return fn_fib(n - 1) + fn_fib(n - 2);
}

int main() {
  int64_t v = fn_fib(46);
  printf("fib(%d) = %lld\n", 46, v);
  return 0;
}

然后是Go语言的fib例子：

go
package main

func main() {
	println(fib(46))
}
func fib(n int) int {
	if n <= 2 { return 1 }
	return fib(n-1) + fib(n-2)
}

再构造wat版本的fib等价实现：

wasm
(module
  (func $fib (export "fib") (param $n i64) (result i64)
    local.get $n
    i64.const 2
    i64.le_u
    if
      i64.const 1
      return
    end
    local.get $n
    i64.const 1
    i64.sub
    call $fib
    local.get $n
    i64.const 2
    i64.sub
    call $fib
    i64.add
  )
)

2. 性能对比

wat实现的fib纯函数，需要配置一个C语言的main:

c
int main() {
  val_t $args[1];
  $args[0].i64 = 46;
  fn_fib_ret_t $result = fn_fib($args[0]);
  printf("fib(%d) = %lld\n", 46, $result.$R0.i64);
  return 0;
}

所有的测试数据在主仓库的tests/bench/wat2c目录下。测试结果如下：

$ make wat2c
go build -o fib_go_native.exe fib_go_native.go
clang -O1 -o fib_c_native.exe _fib_c_native.c
wa wat2c -o fib_wat2c_native.c fib_wat.txt && clang -O1 -o fib_wat2c_native.exe fib_wat2c_main.c

time ./fib_go_native.exe
1836311903
    8.81 real         8.00 user         0.06 sys

time ./fib_c_native.exe
fib(46) = 1836311903
    6.50 real         5.24 user         0.05 sys

time ./fib_wat2c_native.exe
fib(46) = 1836311903
    6.79 real         5.11 user         0.05 sys

可以发现，在-O1优化下wat2c输出的C代码最终性能和本地C代码实现持平，比Go语言的Native快20-30%。

3. wat2c的输出结果

可以看下 wat2c 输出的 C 代码：

c
typedef union val_t {
  i64_t i64;
  f64_t f64;
  i32_t i32;
  f32_t f32;
} val_t;

// func $fib (param $n i64) (result i64)
typedef struct { val_t $R0; } fn_fib_ret_t;

// func fib (param $n i64) (result i64)
static fn_fib_ret_t fn_fib(val_t n) {
  fn_fib_ret_t $result;
  u32_t $R_u32;
  u16_t $R_u16;
  u8_t  $R_u8;
  val_t $R0, $R1, $R2;

  $R0 = n;
  $R1.i64 = 2;
  $R0.i32 = ((u64_t)($R0.i64)<=(u64_t)($R1.i64))? 1: 0;
  if($R0.i32) {
    $R0.i64 = 1;
    $result.$R0 = $R0;
    return $result;
  }
  $R0 = n;
  $R1.i64 = 1;
  $R0.i64 -= $R1.i64;
  {
    fn_fib_ret_t $ret = fn_fib($R0);
    $R0 = $ret.$R0;
  }
  $R1 = n;
  $R2.i64 = 2;
  $R1.i64 -= $R2.i64;
  {
    fn_fib_ret_t $ret = fn_fib($R1);
    $R1 = $ret.$R0;
  }
  $R0.i64 += $R1.i64;
  $result.$R0 = $R0;
  return $result;
}

目前的实现基本是朴实的直译处理，每个wasm指令均通过C语言代码模拟。

4. 小结

wat2c 的真正工作从10.1国庆节开始，大约一周的时间实现的wat版本的fib到C的翻译，并且做到了和C在-O1相同的性能。这是一个很不错的结果，后续计划将C语言作为凹语言一个新的目标平台支持Native的编译需求。也欢迎对该技术方向感兴趣的同学一起共建。

版权 ©️ 凹语言开发组 2018，保留权利