Build Node.js-WASM/WASI Tiny compiler with Node.js

Build Node.js – WASM/WASI tiny compiler
with Node.js
JSConf JP 2019 LT (2019.11.30)
@massie_g "Ma She[məʃ iː]"
Node.jsでつくる Node.js – WASM/WASI ミニミニコンパイラー
JSConf JP 2019 LT (2019.11.30)
@massie_g / がねこまさし

Are you interested in WASM ?
WASMに興味ありますよね？
• WASM = WebAssembly
• Then, how do you learn WASM?
• どうやって学びますか？

Learning WASM / WASMを学ぶ
• Read Spec. … I HATE BNF!
• 仕様を読む … BNFを読むと頭が痛くなる

• Read Spec … I HATE BNF!
• Read code
• Use emscripten: hello_wold.c  wasm/wat … So huge code to read
• コードを読む
• Emscripten で変換: hello_wold.c  wasm/wat … 超巨大で読むの辛い

• Read code
• Someone says, “You can write WASM by hand”
• … What are you talking about?
• 「手でWASM書けるよ」ていう人も
• … は？？何言ってんの？？

• Read code
• “You can write WASM by hand” … What !? Crazy !?
• My suggestion: Build compiler to learn WASM !
• そうだ、コンパイラーを作って覚えよう！

The story so far / これまでの経緯
• I read the great book “Build Ruby with Ruby”
• I built Node.js tiny interpreter with Node.js
• I built Node.js tiny compiler with Node.js, using LLVM
• I made a talk in Nodefest Tokyo 2018
• Today: Node.js – WASM tiny compiler
• RubyでつくるRubyを読んだ
• Node.jsでつくるNode.jsミニインタープリターを作った
• Node.jsでつくるNode.jsミニコンパイラーをLLVMを使って作った
• 東京Node学園祭2018のセッションで話した
• https://www.slideshare.net/mganeko/nodejsnodejs-123707037
• 本日：Node.js でつくるミニミニ Node.js-WASMコンパイラー

Structure of Node.js tiny compiler (2018)
Parser Simple AST
(abstract
syntax tree)
Code generator
Executable
binary
LLVM-IR
LLVM-IR
spec
esprima
Source
.js
Language spec:
Subset of JavaScript
llc
ld
Single Type:
32bit signed integer only

Structure of Node.js–WASM tiny compiler (2019)
Parser Simple AST
(abstract
syntax tree)
Code generator
WASM
spec
esprima
source
.js
Language spec:
wat2wasm
Re-use
.wat
(WebAssembly
Text format)
.wasm
(WebAssembly
binary format)
Web Browser
Node.js
read & execute
Just modify here

wat2wasm
• wat2wasm
• Convert WAT（text format） WASM（binary format）
• a tool of WebAssembly/wabt
• https://github.com/WebAssembly/wabt
• Install
• $ git clone --recursive https://github.com/WebAssembly/wabt
• $ cd wabt
• $ mkdir build
• $ cd build
• $ cmake ..
• $ cmake --build .
• Run
• $ wat2wasm src.wat -o dest.wasm
FYI/参考

Adapting to WASM is easy, (I thought)
WASM対応なんて楽勝！と思ってた
• … but, there are 2 big difference
• (1) machine architecture
• (2) Standard I/O Library
• … だがしかし、２つの大きな違い
• (1) レジスタマシン vs. スタックマシン
• (2) 標準ライブラリ

Difference (1): machine architecture
違い(1): レジスタマシンとスタックマシン
• LLVM … Register Machine /レジスタマシン
• Use register for data operation / データをレジスタに読み込んで処理
• LLVM, Lua VM, Erlang VM(BEAM), etc.
• WASM … Stack Machine / スタックマシン
• Use stack for data operation / データをスタックに積んで処理を行う
• WASM, Java VM(JVM), Ruby VM(YARV), etc.
Order of operation is different between LLVM  WASM

LLVM IR … Register Machine
CPU
register %r1
register %x
memory
load
point address
variable x
y = x + 1;
JavaScript
%r1 = load i32, i32* %x, align 4
%r2 = add i32 %r1, 1
store i32 %r2, i32* %y, align 4
LLVM-IR
FYI/参考

CPU
ALU
register %r2
register %r1
memory
add
y = x + 1;
JavaScript
%r2 = add i32 %r1, 1
LLVM-IR
1
FYI/参考

CPU
register %r2 memory
point address
register %y
variable y
store
y = x + 1;
JavaScript
%r2 = add i32 %r1, 1
LLVM-IR
FYI/参考

CPU
ALU
register %r2
register %r1
register %x
memory
load
point address
register %y
variable x
variable y
store
add
y = x + 1;
JavaScript
%r2 = add i32 %r1, 1
LLVM-IR
FYI/参考

WASM … Stack Machine
memory
variable x
y = x + 1;
JavaScript
get_local $x
i32.const 1
i32.add
set_local $y
WAT
value of x
1
1
ALU
FYI/参考

ALU
memory
y = x + 1;
JavaScript
get_local $x
i32.const 1
i32.add
set_local $y
WAT
1
value of x
result (x+1)
result (x+1)
value of x
1
FYI/参考

memory
variable y
y = x + 1;
JavaScript
get_local $x
i32.const 1
i32.add
set_local $y
WAT
result (x+1)
ALU
FYI/参考

1
memory
variable x
variable y
y = x + 1;
JavaScript
get_local $x
i32.const 1
i32.add
set_local $y
WAT
value of x
result (x+1)
1
ALU
1
value of x
result (x+1)
FYI/参考

Difference (2) : Standard I/O Library
違い(2): 標準ライブラリ
• LLVM
• Link standard C library by linker (ld)
• easy to call puts(), printf()
• リンカーで C言語用のライブラリを一緒にリンク
• puts(), printf() が使えた
• WASM
• WASM has no standard I/O API/library
• Have to provide functions at outside, and import from WASM
• WASMとしての標準ライブラリ/APIは無し
• 呼び出し元で、インポート用の関数を提供

Ex) preparing functions at caller side
呼び出し元でインポート用関数の準備（例）
const imports = {
// --- print signed 32bit integer / 符号付32ビット整数を出力する関数 ---
imported_putn: function(arg) {
console.log(arg);
},
// --- print static string / 文字列を出力する関数 ---
imported_puts: function(offset) {
let str = '';
let arr = new Uint8Array(exported_string.buffer);
for (let i = offset; arr[i]; i++) {
str += String.fromCharCode(arr[i]);
}
console.log(str);
}
};

Exec WASM in Node.js
Node.jsからWASMの実行
const source = fs.readFileSync(filename); // read WASM / WASMファイルを読み込む
const typedArray = new Uint8Array(source);
let ret = null;
let exported_string = null;
WebAssembly.instantiate(typedArray,
{ imports: imports } // pass prepared functions / 先ほど用意したインポート用関数を渡す
).then(result => {
exported_string = result.instance.exports.exported_string;
ret = result.instance.exports.exported_main(); // call main of WASM / WASMのメイン関数を呼び出す
process.exit(ret);
}).catch(e => {
console.log(e);
});

Inside of WASM / WASMの中身
(module
;; ---- import print functions / 出力用関数をインポート ---
(func $putn (import "imports" "imported_putn") (param i32))
(func $puts (import "imports" "imported_puts") (param i32))
;; ---- static string area for puts()/ 出力用文字列の領域 ---
(memory $string_area 1) ;; string_area 64KiB
(export "exported_string" (memory $string_area))
;; --- export main/メインをエクスポート ---
(export "exported_main" (func $main))
(func $main (result i32)
(local $x i32)
(local $y i32)
i32.const 1 ;; let x = 1;
set_local $x
get_local $x ;; let y = x +1;
i32.const 1
i32.add
set_local $y
get_local $y ;; putn(y);
call $putn
i32.const 99 ;; return 99; (dummy)
return
)
)

Done! / できた
• I built Node.js-WASM tiny compiler
• able to run FizzBuzz, Fibonacci sequence
• https://github.com/mganeko/mini_node_wasm
• Node.js-WASM ミニミニコンパイラーができた
• FizzBuzzやフィボナッチ数列が動く
• https://github.com/mganeko/mini_node_wasm

WASI: Beyond Web
WASI でWebの外へ
• My Node.js-WASM tiny compiler is fun, but useless
• Convert .js to WASM, which was running on Node.js
• and run in Node.js again
• NEXT: Use WASM outside of Browser/Node.js
•  try WASI (WebAssembly system interface)
• 今回やったことは、楽しいけど意味はない
• もともとNode.jsで実行していた .js ファイルを、WASMに変換して
• またNode.js から実行
• ブラウザやNode.js以外の環境でWASMを動かしたい
• それなら、WASI (WebAssembly system interface) でしょ

WASI: WebAssembly System Interface
• WASI … a system interface to run WASM across all different OSs.
• https://hacks.mozilla.org/2019/03/standardizing-wasi-a-webassembly-system-interface/
• POSIX like API … file, network, clock, random
• Example
• wasmtime ... WASI reference build with Rust
• https://wasmtime.dev/
• lucet ... Made by Fastly, aim to run on CDN edge server
• https://www.fastly.com/blog/announcing-lucet-fastly-native-webassembly-compiler-runtime
• WebAssembly Micro Runtime ... Lightweight runtime for embedded device
• No JIT, interpreter only
• https://github.com/bytecodealliance/wasm-micro-runtime
• WASI … WASMをいろんなOS上で動かすためのシステムインターフェイス
• ファイル、ネットワーク、クロック、乱数など
• 例
• Wasmtime … Rustで作られたリファレンス実装
• Lucet … Fastlyが作っている、CDNエッジサーバー上でWASMを動かすための環境
• WebAssembly Micro Runtime ... 組み込みデバイスで動かすための軽量ランタイム

WASI runtime functions / ランタイム関数
• WASI Core API System calls
• https://github.com/CraneStation/wasmtime/blob/master/docs/WASI-api.md
• provide primitive functions
• __wasi_fd_write()
• No printf()/puts()
• プリミティブな関数が提供される様子
• __wasi_fd_write() を使う必要がある
• 文字列出力puts()や、フォーマット付き出力のprintf()に相当するもはない

__wasi_fd_write(fd, *iovs, iovs_len, *nwritten)
arguments
• fd … file descriptor / ファイルデスクリプタ
• 0 … stdin / 標準入力
• 1 … stdout / 標準出力
• 2 … stderr / 標準エラー出力
• *iovs … start address of iov group
• iov->*buf … start address of byte array
• Iov->buf_len … length of byte array
• Iovs_len … size of iov group
• *nwritten … bytes written to file
• pointer of 32bit integer to output the value
*buf:
start address of
byte array
H i !
buf_len:
length of bye array
3
*buf
buf_len
Write multiple byte arrays
複数のバイト列を出力可能
”Hi!”

Implement built-in function
組み込み関数の実装
• putn() … prepare built-in function for print 32bit signed integer
• need to convert integer to byte string with WASM code
• Steps in putn()
• Check sign, Calculate length in string
• Take 1 digit  covert to ASCII code (1  81)
• store ASCII string in in memory
• call __wasi_fd_write()
• Writing WASM code for putn() by hand … quite tough work (for me)
• putn() … 32ビット符号付整数を出力するための組み込み関数を準備
• WASMで 32ビット符号つき整数 → 文字列（バイト列）に変換
• putn() のステップ
• 符号の有無を判定、長さの算出
• 1桁ずつASCIIコードのバイトに変換
• 文字列をメモリに書き込む
• __wasi_fd_write() を呼び出す
• この処理を行うWASMコードを手書きするのはシンドイ

Implement built-in function
組み込み関数の実装
• putn() … prepare built-in function for print 32bit signed integer
• need to convert integer to byte string with WASM code
• Steps in putn()
• Check sign, Calculate length in string
• Take 1 digit  covert to ASCII code (1  81)
• store ASCII string in in memory
• call __wasi_fd_write()
• Writing WASM code for putn() by hand … quite tough work (for me)
• putn() … 32ビット符号付整数を出力するための組み込み関数を準備
• WASMで 32ビット符号つき整数 → 文字列（バイト列）に変換
• putn() のステップ
• 符号の有無を判定、長さの算出
• 1桁ずつASCIIコードのバイトに変換
• 文字列をメモリに書き込む
• __wasi_fd_write() を呼び出す
• この処理を行うWASMコードを手書きするのはシンドイ
Use compiler to
generate WAT code!
今回作った
コンパイラーで生成

Example of compiled code:
_calcLength(n)
function _calcLength(n) { // n >= 0
let restValue = n;
let len = 1;
while (restValue >= 10) {
restValue = restValue / 10;
len = len + 1;
}
return len;
}
(func $_calcLength (param $n i32) (result i32)
(local $restValue i32)
(local $len i32)
get_local $n
set_local $restValue
i32.const 1
set_local $len
loop ;; --begin of while loop--
get_local $restValue
i32.const 10
i32.ge_s
if
get_local $restValue
i32.const 10
i32.div_s
set_local $restValue
get_local $len
i32.const 1
i32.add
set_local $len
br 1 ;; --jump to head of while loop--
end ;; end of if-then
end ;; --end of while loop--
get_local $len
return
)
Source .js
Compiled .wat
Node.js-
WASM
compiler

Structure of Node.js–WASM/WASI tiny compiler
Parser Simple AST
(abstract
syntax tree)
Code generator
WASM
spec
esprima
Source
.js
Language spec:
wat2wasm
Re-use
WASI ready .wat
(WebAssembly
Text format)
WASI ready .wasm
(WebAssembly
binary format)
read & execute
modify for WASI
wasmtime
prepared .wat
for built-in function

wasmtime : WASI runtime
• wasmtime
• WASI runtime built with Rust
• https://github.com/CraneStation/wasmtime
• Install
• Need Rust、Cargo
• $ git clone --recurse-submodules https://github.com/CraneStation/wasmtime.git
• $ cd wasmtime
• $ cargo build --release
• Run
• $ wasmtime wasi_ready.wasm
or
• $ wasmtime wasi_ready.wat
FYI/参考

Conclusion / まとめ
• I learned (a piece of) WASM by building tiny compiler
• I found some difference between WASM   LLVM
• I try WASI
• My tiny compiler helped me
• Exciting! Let’s try WASM/WASI
• コンパイラーを作ってWASM（の一部）を理解した
• 予想に反して、LLVMとは思想が違った
• WASIが気になってたけど、雰囲気分かった
• WASI用の組み込み関数を書くのに、初めてコンパイラーが役立った
• みなさんも、WASM/WASIに触れてみよう！

About me
• Masashi Ganeko / @massie_g
• Please pronounce "Ma She[məʃ iː]"
• Staff of WebRTC Meetup Tokyo
• がねこまさし / @massie_g （まっしー）
• WebRTC Meetup Tokyo のスタッフ
• インフォコム（株）の技術調査チームのマネージャー

Thank You!
Node.jsでつくるNode.jsミニコンパイラ - もくじ
https://qiita.com/massie_g/items/3ba1ba5d55499ee84b0b
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Node.jsでつくるNode.js-WASMコンパイラ - もくじ
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