WebAssembly 组件模型 — 原因、方法和内容（第 1 部分）

如果您有兴趣开始使用 WebAssembly 组件模型，但面对庞大的生态系统不知从何处着手吗？如果是，那么本文正适合您！

在本文中，我们将分享一些经验和心得，它们是我们在向 NGINX Unit 中添加对 WebAssembly 组件模型的支持时所获得的——感谢我们强大而活跃的社区。

如果您已经熟悉 Wasm 生态系统，或者只是想了解如何编写代码，请直接跳转到本系列博文的第二篇 。

WebAssembly 组件模型和 NGINX Unit

在推出第一版 Unit Wasm 语言模块之后，我们做了许多工作。在 2023 年 9 月，我们说过：

我们将 WebAssembly 支持作为技术预览版推出，希望尽快代之以 WASI-HTTP 支持。

我们在 Unit 1.32.0 中做到了这一点。该版本支持将 WASI 0.2 API 和 wasi:http/proxy world 用作其主接口的 Wasm 组件。

此处注意，如果前面有你不熟悉的词汇，也不要担心。本文将介绍 WebAssembly (Wasm) 组件模型的概念，以及 WebAssembly 系统接口 (WASI) 在其中所扮演的角色，还将探讨“WebAssembly 接口类型”的意义。

正如第一篇 Wasm 博文中所述，Wasm 运行时与 Wasm 模块通过共享内存以原始字节的形式共享数据。要理解此字节流，主机和 Wasm 模块必须如出一口，或者从技术上说，实现相同接口。NGINX Unit 的核心概念是创建一个与特定应用相关的 HTTP 请求的上下文，并与运行时共享内存中的这组字节。

这正是我们在 unit-wasm 中所做的。虽然学习如何向 Unit 添加 Wasm 支持既有趣也很有必要，然而这与实现或采用某一标准相去甚远，因此就需要 Wasm 组件模型上场了。

WebAssembly (Wasm) 组件模型明确了不同的 Wasm 模块或组件之间及其与运行时环境之间的通信方式。它建立了必须满足的特定契约，以确保编译到 Wasm 组件中的代码可以托管在兼容的运行时上，并在运行期间与其他 Wasm 组件无缝交换数据。

如需获取这一理论框架的应用示例，请查看 NGINX Unit 中的实现，它是典型的 Wasm 组件模型实例。

Wasm 组件模型的两个重要组成部分是 WebAssembly 系统接口 (WASI) 和 WebAssembly 接口类型 (WIT)。下面我们来详细了解一下这两个标准。

WASI 和 WIT

WASI 是“WebAssembly System Interface（WebAssembly 系统接口）”的缩写，由 Wasmtime 项目推出，专为 Wasm 而设计。它是 Wasm 的可移植系统接口，支持访问多项操作系统的功能，包括文件和文件系统、套接字、时钟、随机数等。为什么需要它？

因为我们现在创建的 Wasm 组件是针对服务器端运行时而非基于浏览器的 Wasm 运行时（使用 Web API 或 JavaScript）。浏览器之外的代码需要一种方式来与底层系统通信。为了更好地理解 WASI 的作用，我们用 Rust 编写了一个非常简单的程序，它会输出“Hello World”。

我们编写的代码可以编译成一个可执行的二进制文件。程序启动后，我们会看到命令行上输出“Hello World”。这背后其实是 POSIX 标准在发挥作用，它定义了系统调用。系统调用在不同操作系统上的工作方式不同。

WASI 为这些系统调用提供了一个抽象层，可供编译到 Wasm 的代码使用。兼容 WASI 的运行时能够处理该代码的执行。我们将在本系列博文第二篇的 Rust 教程中进一步介绍其实际应用。自 WASI 提案的 Preview2 开始，WASI-API 在 WIT 文件中进行定义。

WIT（Wasm 接口类型）是一种用于定义接口的描述性接口描述语言 (IDL)，而非一种通用编码语言。编写的 WIT 文件不包含任何业务逻辑，只是纯粹的契约定义。多个接口可以进一步组合为 ”world”。虽然深入了解如何创建自己的 WIT 文件不是必需的，但有助于在构建组件时查找问题或排除故障。如欲了解有关 WIT 编程语言的更多信息，请参阅官方文档。

Wasm 组件模型和 wasi:http/proxy world 使用的 WIT 文件由字节码联盟 (Bytecode Alliance) 创建和维护。截至本文撰写之时，使用它们的最佳方式是通过 Wasmtime 项目的 GitHub 代码库，以及进行手动拉取。

WIT 文件的一个有趣之处在于其版本控制系统。由于实现 Wasm 运行时的主机以及我们将要构建的组件都在为 WIT 文件定义的契约创建绑定，因此我们必须指向这些契约的同一版本，或者选择支持多个 WIT 文件版本的运行时。这值得再写一篇博文。现在，我们只考虑最新的稳定版本，它发布于 2024 年 2 月，标记为 WASI 0.2。该版本包括 wasi:cli world 和 wasi:http world。

在 WebAssembly 生态系统中，这些契约被称为“world”，下文将使用这一术语。就 NGINX Unit 用例而言，我们的目标非常明确，那就是 wasi:http/proxy world。您可以将 wasi:http/proxy world 视为一组描述 HTTP 请求和响应的接口，包括所有数据（HTTP 方法、请求头、正文等）。如果您是老 Web 开发人员，这可能会让您想起 CGI。

NGINX Unit、Wasmtime 和 Rust — 运行时实现

经过上面的介绍，我们现在知道 WASI/WIT 在支持组件模型方面扮演重要角色。作为站点，Unit 必须实现 WIT 文件定义的 WASI HTTP 代理接口才能履行契约。对此我们早已知晓。那既然使用 Wasmtime 作为 Wasm 运行时，我们何不将此任务委托给运行时呢？当然，完全可以！不过，有一个虽不起眼但很重要的细节：我们当时的实现完全是用 C 语言编写的，使用的是 Wasmtime C-API。遗憾的是，这些 API 缺乏支持组件模型的必要功能。

正如本文开头所述，只要找到对的人，心往一处想，再复杂的挑战均可迎刃而解。无论过去还是现在，Fermyon 都是我们极具价值的重要合作伙伴。经过一场 Slack 和 Zoom 深夜会议后，我们发现在 Wasmtime C-API 中添加对组件模型的原生支持过于复杂。此外，没有 bindgen 等自动化工具的帮助，使用 WIT 文件手动实现接口将需要大量维护工作。

在向 Fermyon 解释 NGINX Unit 的内部结件和当前基于 C 语言的语言模块的工作原理后，他们分享了一个支持 Wasmtime 的 Rust API 的基于 Rust 的 Unit 语言模块原型。再没有 C-API 的什么事了。

现在，我们准备好开始写代码了。

后续

在下一篇中，我们将介绍使用 Rust 和 WASI 0.2 API 创建 Wasm 组件的流程。

第 2 部分