作者：Asen Alexandrov，Wasm Labs 工程師

文中的我們均指作者或 Wasm Labs。由于文章內(nèi)容翔實(shí)、篇幅較長我們將分成上下兩篇分享，上篇將注重在概念闡釋，如 Wasm 是什么，Wasm 與 Docker 的關(guān)系是什么。下篇文章將更具實(shí)踐性，將以 PHP 為例帶領(lǐng)大家實(shí)踐 Docker + Wasm。

最近，Docker 宣布與 WasmEdge[3] 合作支持 WebAssembly[4]。

本文將解釋什么是 WebAssembly（Wasm），為什么它與 Docker 生態(tài)相關(guān)，并提供一些實(shí)踐示例供大家嘗試。我們假設(shè)你已經(jīng)熟悉 Docker 工具。我們將使用我們?cè)?PHP 的 WebAssembly 端口[5]上做的工作來演示如何構(gòu)建 PHP 解釋器，將其打包為 OCI 鏡像的一部分，并使用 Docker 運(yùn)行它。

請(qǐng)注意，本文專注動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)，而不是討論技術(shù)細(xì)節(jié)。

WebAssembly ?是什么？為什么選它？

本節(jié)是對(duì) WebAssembly 的基本介紹。已經(jīng)熟悉 Wasm 的小伙伴，可以快速重溫一下，下篇文章將介紹更多實(shí)踐。

什么是 WebAssembly?

WebAssembly 是一種定義二進(jìn)制指令格式的開放標(biāo)準(zhǔn)，它支持從不同的源語言創(chuàng)建可移植的二進(jìn)制可執(zhí)行文件。這些二進(jìn)制文件可以在各種環(huán)境中運(yùn)行。它起源于 Web，并得到各大主流瀏覽器的支持。

Wasm 如何在瀏覽器中工作？

瀏覽器引擎集成了一個(gè) Wasm 虛擬機(jī)，通常稱為 Wasm 運(yùn)行時(shí)，可以運(yùn)行 Wasm 二進(jìn)制指令。編譯器工具鏈（如 Emscripten）可以將源代碼編譯為 Wasm 目標(biāo)。這允許將現(xiàn)有的應(yīng)用程序移植到瀏覽器，并直接與在客戶端 Web 應(yīng)用程序中運(yùn)行的 JS 代碼通信。

這些技術(shù)能讓傳統(tǒng)的桌面應(yīng)用程序在瀏覽器中運(yùn)行。現(xiàn)在它們可以在任何裝了瀏覽器的設(shè)備上運(yùn)行。一些著名的例子包括 Google Earth[6] 和用于計(jì)算機(jī)視覺的 Open CV[7]庫。

Wasm 如何在服務(wù)器上運(yùn)行？

除了瀏覽器，也有可以在瀏覽器之外運(yùn)行的 Wasm 運(yùn)行時(shí)，包括 Linux、Windows 和 macOS 等傳統(tǒng)操作系統(tǒng)。因?yàn)闊o法依賴可用的 JavaScript 引擎，所以他們使用不同的接口與外界通信，例如 WASI（WebAssembly 系統(tǒng)接口[8]）。這些運(yùn)行時(shí)允許 Wasm 應(yīng)用程序以與 POSIX 類似（但不完全相同）的方式與其 host 系統(tǒng)交互。WASI SDK 和 wasi-libc 等項(xiàng)目幫助人們將現(xiàn)有的兼容 POSIX 的應(yīng)用程序編譯為 WebAssembly。

你只需將應(yīng)用程序編譯成 Wasm 模塊一次，然后這個(gè)同樣的二進(jìn)制文件就可以在任何地方運(yùn)行。

Wasm 有什么了不起的地方？

下面這些特性讓 Wasm 在瀏覽器大放異彩，也使得它用在服務(wù)端開發(fā)頗具優(yōu)勢(shì)：

開放——它是業(yè)界廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)。與過去的瀏覽器爭奪戰(zhàn)相反，各大公司正積極合作，實(shí)現(xiàn) WASI 和 WebAssembly 應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)化。

快速——它可以通過大多數(shù)運(yùn)行時(shí)的 JIT/AOT 能力提供類似原生的速度。與啟動(dòng) VM 或啟動(dòng)容器不同的是，它沒有冷啟動(dòng)。

安全——默認(rèn)情況下，Wasm 運(yùn)行時(shí)是沙箱化的，允許安全訪問內(nèi)存。基于能力的模型確保 Wasm 應(yīng)用程序只能訪問得到明確允許的內(nèi)容。軟件供應(yīng)鏈更加安全。

可移植——幾個(gè)主要的 Wasm 運(yùn)行時(shí)支持大多數(shù) CPU（x86、ARM、RISC-V）和大多數(shù)操作系統(tǒng)，包括 Linux、Windows、macOS、Android、ESXi，甚至非 Posix 操作系統(tǒng)。

高效——最小的內(nèi)存占用和最低的 CPU 門檻就能運(yùn)行 Wasm 應(yīng)用程序。

支持多語言——40 多種編程語言可以編譯成 Wasm，有現(xiàn)代的、不斷改進(jìn)的工具鏈。

服務(wù)器平臺(tái)發(fā)展的下一步是什么？

也許你已經(jīng)看過 Solomon Hykes (Docker的創(chuàng)始人之一)這句話[9]：

如果在2008年已經(jīng)有了 WASM + WASI，我們根本不需要?jiǎng)?chuàng)建 Docker。Wasm 就有這么重要。服務(wù)端的 WebAssembly 是計(jì)算的未來。

事實(shí)上，WASM+WASI 似乎的確是服務(wù)端軟件基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的下一步。

最早，我們有物理硬件可以使用。我們會(huì)給機(jī)房里每個(gè)服務(wù)器精心安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，并一一維護(hù)。

然后隨著 VMware 開創(chuàng)的 VM 的采用，一切變得更容易了。人們可以跨硬件機(jī)器復(fù)制、克隆和移動(dòng)虛擬機(jī)。但這仍然需要在 VM 中安裝操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

隨后出現(xiàn)了由 Docker 推廣的容器，這使得在最小打包的上下文下運(yùn)行應(yīng)用程序配置變得更加容易，而不會(huì)影響主機(jī)操作系統(tǒng)上的任何其他應(yīng)用程序。但是，仍然需要分發(fā)與其運(yùn)行時(shí)和必要的庫捆綁在一起的應(yīng)用程序。安全邊界由 Linux 內(nèi)核提供。

現(xiàn)在有了 WebAssembly。它的技術(shù)特性和可移植性使得分發(fā)應(yīng)用程序成為可能，無需 ship 操作系統(tǒng)級(jí)別的依賴項(xiàng)，并且可以在嚴(yán)格的安全約束下運(yùn)行。

鑒于所有這些，開發(fā)者通常將 WebAssembly 視為容器的“繼承者”，以及基礎(chǔ)設(shè)施部署的自然而然的下一步。

然而，另一種看待 WebAssembly 的方式是將其作為 Docker 工具的另一個(gè)“后端”選擇。可以使用相同的命令行工具和工作流，替代 Linux 容器，使用基于 WebAssembly 的容器等同等的東西來實(shí)現(xiàn)。本文的其余部分探討了這個(gè)概念，這就是標(biāo)題所說的“沒有容器的 Docker”。

Wasm 如何結(jié)合 Docker 運(yùn)行？

Docker Desktop 現(xiàn)在加入了對(duì) WebAssembly 的支持。它是通過 containerd shim 實(shí)現(xiàn)的，該 shim 可以使用名為 WasmEdge[10] ?的 Wasm 運(yùn)行時(shí)來運(yùn)行 Wasm 應(yīng)用程序。這意味著，現(xiàn)在可以在 WasmEdge 運(yùn)行時(shí)（模擬容器）中運(yùn)行 Wasm 應(yīng)用程序，而不是用典型的 Windows 或 Linux 容器運(yùn)行容器鏡像中二進(jìn)制文件的單獨(dú)進(jìn)程。

因此，容器鏡像不需要包含正在運(yùn)行的應(yīng)用程序的操作系統(tǒng)或運(yùn)行時(shí)上下文——單個(gè) Wasm 二進(jìn)制文件就足夠了。

這在 Docker 的 Wasm 技術(shù)預(yù)覽文章[11]中有詳細(xì)解釋。

WasmEdge 是什么?

WasmEdge[12] 是一個(gè)高性能的 WebAssembly 運(yùn)行時(shí)：

是開源的，屬于 CNCF[13]。

支持所有主要的 CPU 架構(gòu)（x86、ARM、RISC-V）。

支持所有主要操作系統(tǒng)（Linux、Windows、macOS）以及其他操作系統(tǒng)，例如 seL4 RTOS、Android。

針對(duì)云原生和邊緣應(yīng)用程序進(jìn)行了優(yōu)化。

可擴(kuò)展并支持標(biāo)準(zhǔn)和新興技術(shù)

使用 Tensorflow、OpenVINO、PyTorch 進(jìn)行人工智能推理

Tokio 的異步網(wǎng)絡(luò)。支持微服務(wù)、數(shù)據(jù)庫客戶端、消息隊(duì)列等。

與容器生態(tài)、Docker 和 Kubernetes 無縫集成（如本文所示！）

解釋型語言呢？

到目前為止，我們只提到了 C 和 Rust 等編譯語言可以編譯為 WebAssembly。對(duì)于 Python、Ruby 和 PHP 等解釋型語言，方法有所不同：它們的解釋器是用 C 語言編寫的，可以編譯為 WebAssembly。然后這個(gè)解釋器編譯成的 Wasm 可以用來執(zhí)行源代碼文件，通常以 .py、.rb、.php 等結(jié)尾。一旦編譯為 Wasm，任何帶有 Wasm 運(yùn)行時(shí)的平臺(tái)都將能夠運(yùn)行這些解釋型語言，即使實(shí)際的解釋器從未為該平臺(tái)原生編譯過。

明天我們將介紹，如何將 PHP 解釋器編譯 Wasm ，并打包成 OCI 鏡像，并使用內(nèi)置了 WasmEdge 的 Docker Desktop 運(yùn)行這個(gè) OCI 鏡像，我們也將介紹傳統(tǒng)容器與 Wasm 容器的不同之處。

參考資料

[1]

Wasm Labs @ VMware OCTO: https://wasmlabs.dev/

[2]

Docker+WebAssembly 的演講: https://youtu.be/yo30oF1Gflo?t=7361

[3]

WasmEdge: https://wasmedge.org/

[4]

WebAssembly: https://docs.docker.com/desktop/wasm/

[5]

WebAssembly 端口: https://wasmlabs.dev/articles/php-wasm32-wasi-port/

[6]

Google Earth: https://earth.google.com/

[7]

Open CV: https://opencv.org/

[8]

WebAssembly 系統(tǒng)接口: https://wasi.dev/

[9]

這句話: https://twitter.com/solomonstre/status/1111004913222324225

[10]

WasmEdge: https://github.com/WasmEdge/Wasmedge

[11]

Wasm 技術(shù)預(yù)覽文章: https://www.docker.com/blog/docker-wasm-technical-preview/

[12]

WasmEdge: https://github.com/WasmEdge/Wasmedge

[13]

CNCF: https://cncf.io/

編輯：黃飛

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