Wasm介绍之3:内存

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上一篇文章介绍了WebAssembly(简称Wasm)指令集以及指令的操作码(Opcode)、立即数(Immediate Arguments)、操作数(Operands)、操作数栈(Operand Stack,简称栈)等概念,并且详细介绍了参数指令数值指令。这篇文章将介绍Wasm内存和相关指令。

内存

每个Wasm模块都可以定义或者导入一个内存,内存大小以页为单位,每一页是64K。定义内存时,需要指定内存的页数下限。页数上限可选,可以指定也可以不指定。内存的初始数据则可以在数据段中指定。下面是一个WAT例子,展示了内存和数据段的定义:

(module
  (memory 1 8) ;; { min: 1, max: 8 }
  (data 0 (offset (i32.const 100)) "hello")
  ;; ...
)

和内存相关的指令共有25条,下面分别介绍。

memory.size

memory.size 指令(操作码0x3F)把内存的当前页数按i32类型推入栈顶。memory.size 指令带有一个1字节立即数,可以指定操作的是哪个内存。由于Wasm1.0规范规定最多只能有一个内存,所以目前这个立即数只能是0。下面是memory.size 指令的示意图:

bytecode:
...][ memory.size ][ 0 ][...

stack:
|           |          |           | 
|           |         ➘|   p(i32)  | # page count
|     d     |          |     d     |
|     c     |          |     c     | 
|     b     |          |     b     |  
|     a     |          |     a     | 
└───────────┘          └───────────┘

memory.grow

memory.grow 指令(操作码0x40)将内存增长n页,其中n是一个i32类型的整数,从栈顶弹出。如果操作成功,将增长前的页数按i32类型推入栈顶,否则将-1推入栈顶。和memory.size指令一样,memory.grow指令也带有一个1字节立即数,且取值必须为0。下面是memory.grow 指令的示意图:

bytecode:
...][ memory.grow ][ 0 ][...

stack:
|           |          |           | 
|   n(i32)  |➚        ➘|   p(i32)  | # grow n pages
|     d     |          |     d     |
|     c     |          |     c     | 
|     b     |          |     b     |  
|     a     |          |     a     | 
└───────────┘          └───────────┘

load

load指令从内存读取数据,然后推入栈顶。具体读取多少字节的数据,以及将数据解释为何种类型的数,因指令而异。Wasm采用了“立即数+操作数”的内存寻址方式,所有load指令都带有两个u32类型(LEB28编码的32位无符号整数)的立即数,一个表示对齐方式,另一个表示内存偏移量。load指令还需要从栈顶弹出一个i32类型的操作数,立即数和操作数相加即可得到实际要读取的内存起始地址。对齐方式仅起提示作用,不影响实际操作,本文不做介绍,具体请参考Wasm规范。以i64.load指令(操作码0x29)为例,下面是它的示意图:

bytecode:
...][ i64.load ][ align ][ offset ][...

stack:
|           |          |           | 
|           |          |           | 
|   d(i32)  |➚        ➘|m[offset+d]| # i64
|     c     |          |     c     | 
|     b     |          |     b     |  
|     a     |          |     a     | 
└───────────┘          └───────────┘

load指令一共有14条,为了统一说明这些指令,我们假设指令执行时计算出的内存地址是a,此处存放的数据是0xABCDEF1234567890。由于Wasm使用小端在前的方式存放数据,因此内存数据看起来是下面这样:

mem:
...[ 0x90 ][ 0x78 ][ 0x56 ][ 0x34 ][ 0x12 ][ 0xEF ][ 0xCD ][ 0xAB ]...

下表给出这14条load指令的操作码、实际读取到的字节,以及如何解释这些字节:

Instruction Opcode Read Interpreted As
i32.load 0x28 0x34567890 int32
i64.load 0x29 0xABCDEF1234567890 int64
f32.load 0x2A 0x34567890 float32
f64.load 0x2B 0xABCDEF1234567890 float64
i32.load8_s 0x2C 0x90 int8
i32.load8_u 0x2D 0x90 uint8
i32.load16_s 0x2E 0x7890 int16
i32.load16_u 0x2F 0x7890 uint16
i64.load8_s 0x30 0x90 int8
i64.load8_u 0x31 0x90 uint8
i64.load16_s 0x32 0x7890 int16
i64.load16_u 0x33 0x7890 uint16
i64.load32_s 0x34 0x34567890 int32
i64.load32_u 0x35 0x34567890 uint32

store

store 指令从栈顶弹出操作数,然后写入内存。具体如何解释操作数,以及写入多少字节,因指令而异。所有的store指令也都带有两个立即数,含义和 load指令一样。和load指令不同的是,store指令要从栈顶弹出两个操作数,一个用于计算内存地址,另一个是要写入的数据。以i64.store 指令(操作码0x37)为例,下面是它的示意图:

bytecode:
...][ i64.store ][ align ][ offset ][...

stack:
|           |          |           | 
|   e(i64)  |➚         |           | 
|   d(i32)  |➚         |           | # m[offset+d]=e
|     c     |          |     c     | 
|     b     |          |     b     |  
|     a     |          |     a     | 
└───────────┘          └───────────┘

store指令一共有9条,为了统一说明这些指令,我们也假设指令执行时计算出的内存地址是a。下表给出这9条指令的操作码、栈顶操作数以及实际执行效果(Go伪代码,mem表示内存,LE表示小端编码后的字节数组):

Instruction Opcode Top Operand Effect
i32.store 0x36 0x34567890 mem[a: a+4] = LE(0x34567890)
i64.store 0x37 0xABCDEF1234567890 mem[a: a+8] = LE(0xABCDEF1234567890)
f32.store 0x38 0x34567890 mem[a: a+4] = LE(0x34567890)
f64.store 0x39 0xABCDEF1234567890 mem[a: a+8] = LE(0xABCDEF1234567890)
i32.store8 0x3A 0x34567890 mem[a: a+1] = LE(0x90)
i32.store16 0x3B 0x34567890 mem[a: a+2] = LE(0x7890)
i64.store8 0x3C 0xABCDEF1234567890 mem[a: a+1] = LE(0x90)
i64.store16 0x3D 0xABCDEF1234567890 mem[a: a+2] = LE(0x7890)
i64.store32 0x3E 0xABCDEF1234567890 mem[a: a+4] = LE(0x34567890)

*本文由CoinEx Chain开发团队成员Chase撰写。CoinEx Chain是全球首条基于Tendermint共识协议和Cosmos SDK开发的DEX专用公链,借助IBC来实现DEX公链、智能合约链、隐私链三条链合一的方式去解决可扩展性(Scalability)、去中心化(Decentralization)、安全性(security)区块链不可能三角的问题,能够高性能的支持数字资产的交易以及基于智能合约的Defi应用。

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