WebAssembly 二进制格式分析

2024-05-03 18:38

本文主要是介绍WebAssembly 二进制格式分析,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

前言

WebAssembly 是一种新兴的网页虚拟机标准,它的设计目标包括:高可移植性、高安全性、高效率、尽可能小的程序体积。

本文主要是通过分析wasm文件的结构来说明WebAssembly为什么会有更小的程序体积。

  1. WebAssembly与html/CSS/JavaScript最不一样的特点: WebAssembly采用二进制的方式存储程序代码与数据,可以尽最大努力使得文件特别的小。

  2. WebAssembly采用LEB128编码来存储程序数据,LEB128是一种压缩算法,可以大大缩小WebAssembly对数据存储的空间

  3. WebAssembly采用数据段的方式分别存储不同作用的数据,使二进制数据更加紧密


WebAssembly 二进制格式

1. LEB128编码

LEB128编码是一种使用广泛的可变长度编码格式,在DWARF调试格式信息、Android 的Dalvik虚拟机、xz压缩文件等诸多领域中都有广泛的使用,WebAssembly二进制文件中也使用LEB128编码表示整数与字符串长度等信息。

1.1 LEB128编码原理

LEB128编码的核心思想主要有两点:

  1. 采用小端序表示编码数据
  2. 采用128进制编码数据

主流编程语言中,一个整形数一般采用本地序表示,同时每个字节8位(bit)用于表达256进制的一个数位。如果每个字节只用于表达LEB128的128进制的一个数位,那么将只需要7位。LEB128将每个字节剩余的1位用于表达是否终结的标志位,如果标志位是1表示编码数据还没有结束,如果标志位位0则表示编码已经结束。

对于一个32位的整数,LEB128编码后的数据长度最小为一个字节(小于128的数),最多为5字节(大于2^28的数)。

2. WebAssembly的头部与段数据

2.1 头部

WebAssembly的头部是一个四字节的魔数: [0x00, 0x61, 0x73, 0x6d],对应"\0asm"字符串。魔数后面的四字节是当前WebAssembly文件的版本,目前是有版本1。

  empty.wat

(module)
wat2wasm.exe empty.wat -v
0000000: 0061 736d                                 ; WASM_BINARY_MAGIC
0000004: 0100 0000                                 ; WASM_BINARY_VERSION

2.2 段类型列表

模块主体主要是由多个段组成,段数据包含了模块段全部信息,每个段都对应一个ID。

ID说明
0自定义段(Custom)主要用于存储调试信息等数据
1类型段(Type)存储导入函数、模块内部函数的函数参数列表
2导入段(Import)用于存储导入函数的函数名称、函数参数索引
3函数段(Function)用于存储函数索引值
4表格段(Table)用于存储对象引用,通过表格段可以实现函数指针的功能(call_indirect指令),可以从外部宿主导入,同时也可以导出到外部宿主环境
5内存段(Memory)用于存储程序的运行时动态数据,可以从外部宿主导入,同时也可以导出到外部宿主环境
6全局段(Global)用于存储全部变量值
7导出段(Export)用于存储导出函数的函数名称、函数参数索引
8开始段(Start)用于指定模块初始化时的函数索引值
9元素段(Elem)表格段并没有显式地初始化,元素段用于存储函数的索引值
10代码段(Code)用于存储函数的指令代码
11数据段(Data)用于存储初始化内存的静态数据

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 自定义段(Custom)

(暂未写)

2.4 类型段(Type)

; section "Type" (1) 
0000008: 01Type段ID
0000009: 07段大小
000000a: 01一共有多少个类型
; type 0类型0
000000b: 6060为函数,目前只有函数类型
000000c: 02有两个参数
000000d: 7f第一参数: i32
000000e: 7f第二参数: i32
000000f: 01一个函数返回值,目前只支持一个返回值
0000010: 7f返回值: i32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.5 导入段(Import)

(暂未写)

2.6 函数段(Function)

; section "Function" (3) 
0000011: 03函数段ID
0000012: 03段大小
0000013: 02函数数量
0000014: 00函数0的签名索引(函数类型索引)
0000015: 00函数1的签名索引(函数类型索引)

 

 

 

 

 

 

 

2.7 表格段(Table)

(暂未写)

2.8 内存段(Memory)

(暂未写)

2.9 全局段(Global)

(暂未写)

2.10 导出段(Export)

; section "Export" (7) 
0000016: 07导出段的大小
0000017: 0c段大小
0000018: 02一共有几个符号导出
0000019: 02第一个符号长度
000001a: 6162第一个导出名称("ab")
000001c: 00符号对象的类型,0x00为函数
000001d: 00导出符号对应的函数索引
000001e: 03第二个符号长度
000001f: 6162 63第二个导出名称("abc")
0000022: 00符号对象的类型,0x00为函数
0000023: 01导出符号对应的函数索引

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.11 开始段(Start)

(暂未写)

2.12 元素段(Elem)

(暂未写)

2.13 代码段(Code)

; section "Code" (10) 
0000024: 0a代码段ID
0000025: 1d段大小
0000026: 02有两个函数的代码
; function body 0 
0000027: 0d函数0的大小
0000028: 03参数总数
0000029: 01一个参数(类型看下个字节)
000002a: 7f一个i32类型的参数
000002b: 01一个参数(类型看下个字节)
000002c: 7e一个i64类型的参数
000002d: 01一个参数(类型看下个字节)
000002e: 7f一个i32类型的参数(三个参数结束)
000002f: 20代码指令:local.get
0000030: 00local index
0000031: 20代码指令:local.get
0000032: 01local index
0000033: 6a代码指令:i32.add
0000034: 0b代码指令:end (结束函数体)
; function body 1 
0000035: 00函数0的大小
0000036: 03参数总数
0000037: 01一个参数(类型看下个字节)
0000038: 7f一个i32类型的参数
0000039: 01一个参数(类型看下个字节)
000003a: 7e一个i64类型的参数
000003b: 01一个参数(类型看下个字节)
000003c: 7f一个i32类型的参数(三个参数结束)
000003d: 20代码指令:local.get
000003e: 00local index
000003f: 20代码指令:local.get
0000040: 01local index
0000041: 6a代码指令:i32.add
0000042: 0b代码指令:end (结束函数体)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.14 数据段(Data)

(暂未写)

这篇关于WebAssembly 二进制格式分析的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!


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