Der Go-WASM-Spicker

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Inhaltsverzeichnis

Was ist WebAssembly?

Java-Entwickler programmieren hardwareunabhängig für die Java Virtual Machine JVM - eine virtuelle Maschine, die einheitlichen Byte-Code verarbeitet. Die Anpassung an die jeweilige Hardware-Architektur geschieht durch die JVM, der Entwickler braucht sich darum (fast) keine Gedanken machen. Einen ähnlichen Ansatz verfolgt Python mit der Just-in-time-Kompilierung von Objekt-Code. Perfektioniert wird diese Idee gar mit der LLVM – der Low Level Virtual Machine – die eine softwarebasierte Maschine simuliert und bemerkenswert viele Hardware-Architekturen unterstützt.[1] Für den Byte-Code der LLVM gibt es Compiler aus nahezu allen modernen Sprachen - auch Java!

Stellen wir uns vor, der Webbrowser sei eine solche virtuelle Maschine - dann haben wir verstanden, was WebAssembly, kurz WASM, ist.

WebAssembly ist ein Byte-Code-Standard zur Steuerung von Browser-Funktionen. Auch wenn die Browser-Funktionalität gegenwärtig noch immer auf JavaScript basiert, so ist die langfristige Richtung und das damit verbundene Potential vorgegeben: Mit WebAssembly werden die Browser langfristig unabhängig von den Skriptsprachen. Webprojekte werden frei von für jedermann transparenten Codes. Und damit wird auch die Performance der Webprojekte zunehmen - deutlich. Wird WebAssembly-Byte-Code mit Go generiert, wird beispielsweise auch die concurrency, also die nebenläufige Ausführung von Subroutinen, erheblich vereinfacht.

WebAssembly ist das lange herbeigesehnte und zuvor nur durch sperrige und speicherhungrige JavaScript-Frameworks simulierte missing link zwischen Internetseite und Desktop-App. Mit WebAssembly geht beides in einem!

Seit Ende 2019 ist WebAssembly ein offizieller Webstandard. In den kommenden Jahren wird Webassembly massiv an Bedeutung gewinnen, viele Webprojekte werden mit neuer Technologie neu implementiert werden müssen. Die Browserhersteller werden mit ihren Softwareprodukten in einen virtuellen Hardware-Markt einsteigen und in einen Wettlauf um die performanteste Plattform und die interessantesten Features treten! Längst gibt es beispielsweise auch Qt für WebAssembly. In naher Zukunft macht WebAssembly den Browser zum Desktop!

Go und WebAssembly

Es gibt sehr viele Wege zu WebAssembly. Wir müssen nicht in virtuellem Assembler programmieren[2], für sehr viele Programmiersprachen gibt es bereits WebAssembly-Kompiler. Go unterstützt WASM seit Version 1.11, also seit Sommer 2018.

Ein paar einfache Beispiele vom Text bis zur Leinwand

Für die Beispiele benötigen wir immer zwei Projekte:

  • simpleWASMserver
  • simpleWASMapp

Beispiel 1: "Hallo Welt"

Schritt 1 [simpleWASMserver]: Erzeuge einen funktionierenden Webserver in Datei "main.go"

package main

import (
	"log"
	"net/http"
)

const (
	addr = "localhost:8008"
	dir  = ""
)

func main() {
	log.Fatal(http.ListenAndServe(addr, http.FileServer(http.Dir(dir))))
}

Schritt 2 [simpleWASMserver]: Erzeuge eine Datei "index.html"

<html>
	<head>
		<meta charset="utf-8"/>
	</head>
	<body>It works!</body>
</html>

Schritt 3: Teste den Webserver

go build -i -o simpleWASMserver main.go
./simpleWASMserver

Im Browser nun die URL http://localhost:8008/ aufrufen. Es sollte "It works!" angezeigt werden.

Schritt 4 [simpleWASMserver]: Ändere die Datei "index.html" und bereite den Aufruf von WebAssembly-Code ("app.wasm") vor

Variante a: Für neuere Browser, die bereits WebAssembly unterstützen
<html>
  <head>
    <meta charset="utf-8" />
    <title>Go wasm</title>
    <script src="https://golang.org/misc/wasm/wasm_exec.js"></script>
    <script>
      const go = new Go();
      WebAssembly.instantiateStreaming(fetch("app.wasm"), go.importObject)
        .then((result) => {
          go.run(result.instance);
        })
        .catch((err) => {
          console.error(err);
        });
    </script>
  </head>
  <body></body>
</html>
Variante b: Mit Kompatibilität für ältere Browser, die noch kein WebAssembly-Streaming unterstützen
<html>
  <head>
    <meta charset="utf-8" />
    <title>Go wasm</title>
    <script src="https://golang.org/misc/wasm/wasm_exec.js"></script>
    <script>
      if (!WebAssembly.instantiateStreaming) {
        // polyfill
        WebAssembly.instantiateStreaming = async (resp, importObject) => {
          const source = await (await resp).arrayBuffer();
          return await WebAssembly.instantiate(source, importObject);
        };
      }

      const go = new Go();
      let mod, inst;
      WebAssembly.instantiateStreaming(fetch("app.wasm"), go.importObject)
        .then((result) => {
          go.run(result.instance);
        })
        .catch((err) => {
          console.error(err);
        });
    </script>
  </head>
  <body></body>
</html>

Schritt 5 [simpleWASMapp]: Erzeuge unseren WebAssembly-Code in Datei "main.go"

package main

import "fmt"

func main() {
	fmt.Println("Hello, WebAssembly!")
}


Schritt 6 [simpleWASMapp]: Kompiliere unseren WebAssembly-Code

Achtung!
Für WebAssembly benötigen wir veränderte Umgebungsvariablen
GOOS=js
GOARCH=wasm
GOOS=js GOARCH=wasm go build -o app.wasm
Achtung!
Anschließend ist der WebAssembly-ByteCode in Datei "app.wasm" in den Ordner des Webservers zu kopieren oder zu verlinken!

Schritt 7: Teste den Webserver erneut

Im Console-Log des Webservers wird nun der Schriftzug "Hello, WebAssembly!" zu lesen sein.


Beispiel 2: Kommunikation mit dem Document Object Model (DOM) des HTML-Documents

Datei "index.html" [simpleWASMserver]

Identisch mit Variante a oder b aus Beispiel 1!

Datei "main.go" [simpleWASMapp]

package main

import "fmt"

func main() {
	fmt.Println("Hello, WebAssembly!")

	js.Global().Get("console").Call("log", "Just another way to send a string to console-log!")
	js.Global().Get("document").Call("getElementsByTagName", "body").Index(0).Set("innerText", time.Now().String())
}


Beispiel 3: Dynamische Inhalte

Datei "index.html" [simpleWASMserver]

https://golang.org/misc/wasm/wasm_exec.html bzw. https://github.com/golang/go/blob/master/misc/wasm/wasm_exec.html dienen als Vorlage!

<html>
  <head>
    <meta charset="utf-8" />
    <title>Go wasm</title>
    <script src="https://golang.org/misc/wasm/wasm_exec.js"></script>
    <script>
      if (!WebAssembly.instantiateStreaming) {
        // polyfill
        WebAssembly.instantiateStreaming = async (resp, importObject) => {
          const source = await (await resp).arrayBuffer();
          return await WebAssembly.instantiate(source, importObject);
        };
      }

      const go = new Go();
      let mod, inst;
      WebAssembly.instantiateStreaming(fetch("app.wasm"), go.importObject)
        .then((result) => {
          mod = result.module;
          inst = result.instance;
          document.getElementById("convertButton").disabled = false;
        })
        .catch((err) => {
          console.error(err);
        });

      async function run() {
        console.clear();
        await go.run(inst);
        inst = await WebAssembly.instantiate(mod, go.importObject); // reset instance
      }
    </script>
  </head>
  <body>
    <input
      type="number"
      min="0"
      max="255"
      placeholder="0…255"
      size="5"
      id="decimal"
    />

    <button onClick="run();" id="convertButton" disabled>Convert</button><br />
    <div id="bin"></div>
    <div id="oct"></div>
    <div id="hex"></div>
  </body>
</html>

Datei "main.go" [simpleWASMapp]

package main

import (
	"fmt"
	"strconv"
	"syscall/js"
)

func main() {
	var (
		inputString string
		inputInt    int
		err         error
	)

	inputString = js.Global().Get("document").Call("getElementById", "decimal").Get("value").String()
	if inputInt, err = strconv.Atoi(inputString); err != nil || inputInt < 0 || inputInt > 255 {
		inputInt = 0
	}

	js.Global().Get("document").Call("getElementById", "bin").Set("innerText", fmt.Sprintf("BIN: %08b\n", inputInt))
	time.Sleep(1 * time.Second) // Völlig Unnötig! Zeitverzögerung dient nur der Veranschaulichung!
	js.Global().Get("document").Call("getElementById", "oct").Set("innerText", fmt.Sprintf("OCT: %04o\n", inputInt))
	time.Sleep(1 * time.Second) // Völlig Unnötig! Zeitverzögerung dient nur der Veranschaulichung!
	js.Global().Get("document").Call("getElementById", "hex").Set("innerText", fmt.Sprintf("HEX: %02x\n", inputInt))
}

Teste den Webserver erneut

Die Input-Maske wird nun eine Zahl von 0-255 aufnehmen und in Binär-, Oktal- und Hexadezimal-Code konvertieren.

Hinweis
Die Zeitverzögerung zwischen den Eingriffen in das DOM des HTML-Documents ist natürlich vollkommen unnötig. Sie dient nur zur Veranschaulichung. Man bedenke, um wievieles umständlicher eine einfache Sleep-Funktion in JavaScript zu realisieren ist!


Beispiel 4: Auf einer HTML5-Canvas malen

Siehe https://www.w3schools.com/graphics/canvas_drawing.asp für die HTML5-Syntax.

Diesmal werden zusätzlich Elemente im Go-Code generiert und gelöscht. Vom ursprünglichen HTML5-Code bleibt nur noch der <header>…</header> und ein leerer <body></body> übrig.

Datei "index.html" [simpleWASMserver]

<html>
  <head>
    <meta charset="utf-8" />
    <title>Go wasm</title>
    <script src="https://golang.org/misc/wasm/wasm_exec.js"></script>
    <script>
      if (!WebAssembly.instantiateStreaming) {
        // polyfill
        WebAssembly.instantiateStreaming = async (resp, importObject) => {
          const source = await (await resp).arrayBuffer();
          return await WebAssembly.instantiate(source, importObject);
        };
      }

      const go = new Go();
      let mod, inst;
      WebAssembly.instantiateStreaming(fetch("app.wasm"), go.importObject)
        .then((result) => {
          mod = result.module;
          inst = result.instance;
          document.getElementById("runButton").disabled = false;
        })
        .catch((err) => {
          console.error(err);
        });

      async function run() {
        console.clear();
        await go.run(inst);
        inst = await WebAssembly.instantiate(mod, go.importObject); // reset instance
      }
    </script>
  </head>
  <body>
    <button onClick="run();" id="runButton" disabled>run</button><br />
  </body>
</html>

Datei "main.go" [simpleWASMapp]

package main

import (
	"math/rand"
	"syscall/js"
	"time"
)

func main() {
	var (
		dombase, canvas, button, ctx, grd js.Value
	)
	dombase = js.Global().Get("document")

	button = dombase.Call("getElementById", "runButton")

	canvas = dombase.Call("createElement", "canvas")
	canvas.Set("width", 800)
	canvas.Set("height", 600)

	dombase.Call("getElementsByTagName", "body").Index(0).Call("insertBefore", canvas, button)

	dombase.Call("getElementsByTagName", "body").Index(0).Call("removeChild", button)

	ctx = canvas.Call("getContext", "2d")
	grd = ctx.Call("createLinearGradient", 0, 0, 800, 0)
	grd.Call("addColorStop", 0, "red")
	grd.Call("addColorStop", 1, "white")
	ctx.Set("fillStyle", grd)
	ctx.Call("fillRect", 0, 0, 800, 600)

	ctx.Call("moveTo", 0, 0)
	for i := 0; i < 799; i++ {
		x := rand.Intn(100)
		y := rand.Intn(100)

		ctx.Call("lineTo", i+x, (i*2/3)+y)
		ctx.Call("stroke")
		time.Sleep(50 * time.Millisecond)
	}
}

Teste den Webserver erneut

Das Ergebnis sollte ungefähr folgendermaßen aussehen: ArchiumWASM Demo Canvas.png


Beispiel 5: Große Mengen HTML/CSS/JS-Code injizieren

Datei "index.html" [simpleWASMserver]

Identisch mit Variante a oder b aus Beispiel 1!

Datei "main.go" [simpleWASMapp]

package main

import (
	"syscall/js"
)

func main() {
	var (
		dombase, body js.Value
	)
	dombase = js.Global().Get("document")
	body = dombase.Call("getElementsByTagName", "body").Index(0)

	body.Set("innerHTML", `
	<table style="text-align:center;">
	<tr><td colspan="2">SVG</td></tr>
	<tr><td>Polygon</td><td>Path</td>
	<tr><td><svg height="210" width="500">
  	<polygon points="200,10 250,190 160,210" style="fill:lime;stroke:purple;stroke-width:1" />
	</svg></td><td>
	 <svg height="400" width="450">
  <path id="lineAB" d="M 100 350 l 150 -300" stroke="red"
  stroke-width="3" fill="none" />
  <path id="lineBC" d="M 250 50 l 150 300" stroke="red"
  stroke-width="3" fill="none" />
  <path d="M 175 200 l 150 0" stroke="green" stroke-width="3"
  fill="none" />
  <path d="M 100 350 q 150 -300 300 0" stroke="blue"
  stroke-width="5" fill="none" />
  <!-- Mark relevant points -->
  <g stroke="black" stroke-width="3" fill="black">
    <circle id="pointA" cx="100" cy="350" r="3" />
    <circle id="pointB" cx="250" cy="50" r="3" />
    <circle id="pointC" cx="400" cy="350" r="3" />
  </g>
  <!-- Label the points -->
  <g font-size="30" font-family="sans-serif" fill="black" stroke="none"
  text-anchor="middle">
    <text x="100" y="350" dx="-30">A</text>
    <text x="250" y="50" dy="-10">B</text>
    <text x="400" y="350" dx="30">C</text>
  </g>
</svg></td></tr>
	</table>`) //https://www.w3schools.com/graphics/svg_polygon.asp & https://www.w3schools.com/graphics/svg_path.asp
}

Beispiel 6: Images aus dem Go-Code laden

Datei "index.html" [simpleWASMserver]

Identisch mit Variante a oder b aus Beispiel 1!

Datei "main.go" [simpleWASMapp]

package main

import (
	"syscall/js"
)

func main() {
	const imageByteArrayAsBase64 = `
iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAJgAAAC0CAMAAABfch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n7/fr8//sGU4jmAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAAFiS0dEAIgFHUgAAAAJcEhZcwAACx
MAAAsTAQCanBgAAAAHdElNRQfUChwRIgJBXOpUAAAcEUlEQVR42u2cfVzT953A2y
SQEDUqoCCxKMV0zmlKc7ZXDV2t1IezUjkfxs2paFtYW1ao6bAPyFhpx0grtoWu0h
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ESye+dz/Pn8/3+uOmm79Z368ZfYv91Y1LdOHDiUdYNihVstLG4JEFEGxVKJBHBQ9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bgcNj7370NBQxRpDZlfZxsWkIGuhwG6znzzhP7MnOBqCBPl5Gh+/WbH/TAszb7kN
vjcQ6k4lmjSBYVJZuWIIuvFplt/aKvp+fc718BtMzMjIxHHnnmzXfOAFffFw43w3
Ic46y/LTApiUMkUw4WEp0/MGgD3wO0X/3yiSeeeOaX73xw5lxPp7VvwOFieLQYR9
rwcb9kqrnEYSn9TsdAnxWtznNnPv74DESInnNW6xdeLp5n+5XDwEJCp3r3Ia4ejM
hOwITVg7zR7nB5OArGu9NnS4Zt/0qnDEyO9kJmpzk5Fsy7z9rjR9bXP+hwun1cPE
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yZMy17hOSdF1ZSv2PdQwM2hNaDxcWw/PDFNA+PZVNCRo+iZA95JcK4nfbBQWTzDM
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R9U22nx19rHDOKEunLgw9IppiMvuWsdIeHDQAbk4t1ps2Z2u17IQ2rK4cCwMYk4x
iPuzh8Sg8WeI8UpXQOA+NH1yXj8bjd1hjJFJJ5U0pkWieUW34yQVf/pk+yHMswHp
fT5XI6/PamJ53Ml+uis5sHnB4a4uHqIBO4vIeBZ6A4RH9YQIKn0fNDDodjaChJLp
l6MMniwnqr3QnXZdDyuJ1DaDldEDPQU/DoBinBs1D12wcHBiCx50RIpkpkfmc91G
WVzX0DhASBubBU4FuGxaiQChwA1N/fb7N9Yeu7BIVj3wOyqTpZ43urSG1lZX2nzY
7qLqQ8hnE50NcMg8wNbIvxOB2OQegr8erpuXRpwNG5AuVLUXjYZIP5lcbKJMSFCx
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WJCZN2e2VCwt2JeN29MmHZ9677x5ctT0gEwW/cuGnd2vtWLb9pUlcCXsuXfbufXg
Y/u3LlqpXw103fre/WjbD+HzRGTE72Fay5AAAAAElFTkSuQmCC
`
	var (
		dombase, body js.Value
	)

	dombase = js.Global().Get("document")
	body = dombase.Call("getElementsByTagName", "body").Index(0)

	image := dombase.Call("createElement", "img")
	image.Set("src", "data:image/png;base64,"+imageByteArrayAsBase64)
	body.Call("appendChild", image)
}

Teste den Webserver erneut

Das Ergebnis sollte folgendermaßen aussehen:
ArchiumWASM Demo Tux.png

Tipp: Code komplett aus Go erzeugen

Die Verwendung der Datei "index.html" diente in den Beispielen der Vereinfachung. Der HTML-Code kann natürlich auch komplett aus Go heraus erzeugt werden.
Die Datei "https://golang.org/misc/files/wasm_exec.js" wird ebenfalls lokal abgelegt:

[simpleWASMserver]: Datei "main.go" ohne "index.html"

package main

import (
	"fmt"
	"log"
	"net/http"
)

const (
	addr = "localhost:8008"
	dir  = ""
)

func myDefaultHandlerFunc(w http.ResponseWriter, r *http.Request, dirpath string) {
	fmt.Fprintf(w, `<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <meta charset="utf-8" />
    <title>Go wasm</title>
    <script src="/files/wasm_exec.js"></script>
    <script>
      if (!WebAssembly.instantiateStreaming) {
        // polyfill
        WebAssembly.instantiateStreaming = async (resp, importObject) => {
          const source = await (await resp).arrayBuffer();
          return await WebAssembly.instantiate(source, importObject);
        };
      }

      const go = new Go();
      let mod, inst;
      WebAssembly.instantiateStreaming(fetch("/files/app.wasm"), go.importObject)
        .then((result) => {
          go.run(result.instance);
        })
        .catch((err) => {
          console.error(err);
        });
    </script>
</head>
<body></body>
</html>`)
}

func main() {
	http.Handle("/files/", http.StripPrefix("/files/", http.FileServer(http.Dir(dir))))
	http.HandleFunc("/", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) { myDefaultHandlerFunc(w, r, dir) })

	log.Fatal(http.ListenAndServe(addr, nil))
}

Links

Anmerkungen

  1. Siehe LLVM bei Wikipedia
  2. Das wäre aber sehr wohl möglich, siehe hierzu das anschauliche Beispiel in der englischsprachigen Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/WebAssembly