Стекова машина WebAssembly і структура текстового формату .wat

WebAssembly як стекова віртуальна машина

На відміну від x86-64 чи ARM (регістрових архітектур, де операнди зберігаються в іменованих регістрах, а інструкція явно вказує, з якими регістрами працює), WebAssembly визначає стекову машину (stack machine) — модель, у якій усі значення лежать на спільній «стопці» (стеку): кожна інструкція бере операнди виключно з вершини операційного стека і кладе результат туди ж. Інструкція не має власного «імені регістру», з яким працює, — весь потік даних неявно проходить через стек. Це не деталь реалізації, а частина формальної специфікації: валідатор WASM статично перевіряє, що для кожної точки виконання типи значень на стеці відповідають тому, чого очікує наступна інструкція — саме тому WASM можна перевірити на коректність типів ще до виконання, за лінійний прохід по байткоду, без символьного виконання.

Текстовий формат .wat (WebAssembly Text Format) — людяне, S-виразне (у стилі Lisp) представлення того самого байткоду, що компілюється в бінарний .wasm інструментом wat2wasm (пакет WABT — WebAssembly Binary Toolkit) і назад декомпілюється через wasm2wat. Модуль оголошується як (module ...), а функція — як (func $ім'я (param $x i32) (result i32) ...) з тілом із послідовності інструкцій. Приклад обчислення (2 + 3) * 4:

(module
  (func $calc (result i32)
    i32.const 2
    i32.const 3
    i32.add       ;; стек: [5]
    i32.const 4
    i32.mul))     ;; стек: [20]
  (export "calc" (func $calc)))

Простежмо стан стека покроково: i32.const 2 кладе значення 2 (стек: [2]); i32.const 3 кладе 3 (стек: [2, 3]); i32.add знімає два верхні значення (3 і 2), додає їх і кладе результат назад (стек: [5]); i32.const 4 кладе 4 (стек: [5, 4]); i32.mul знову знімає два верхні значення (4 і 5), перемножує й кладе результат (стек: [20]). Функція з (result i32) повинна залишити на стеці рівно одне значення відповідного типу в момент виходу — валідатор відхилить модуль, якщо на стеці лишиться забагато значень, замало, або невідповідного типу.

WASM визначає чотири базові числові типи: i32, i64 (цілі, без розрізнення знаковості на рівні типу — знаковість визначає сама інструкція, наприклад i32.div_s проти i32.div_u), f32, f64 (з плаваючою точкою за IEC 60559). Кожна арифметична інструкція строго типізована суфіксом (i32.add працює лише з парою i32 на стеці) — спроба виконати i32.add, коли на стеці лежить f64, провалить валідацію модуля ще до завантаження в рушій, а не викличе помилку рантайму.

Керування потоком виконання (умовні переходи, цикли) у WASM теж побудоване навколо структурованих блоків (block, loop, if/else) зі своєю власною «сигнатурою стека» для кожного блоку — на відміну від довільних goto/jmp у традиційному асемблері, WASM свідомо забороняє довільні переходи всередину/назовні довільних точок коду, що спрощує і статичну верифікацію, і компіляцію в машинний код браузерним JIT-компілятором.