WebAssembly内存管理机制

WebAssembly的**线性内存（Linear Memory）**是WebAssembly和JS数据交互的重要桥梁

其采用页式内存管理（Page-based memory management）

1、核心概念：什么是“页”？

在 Wasm 中，内存被划分为固定大小的连续单元，称为“页”。

  • 页的大小是固定的：每页的大小为 64 KiB（即 65,536 字节）。这个值是由 WebAssembly 规范明确定义的，不可更改
  • 线性内存模型：Wasm 使用一个单一的、线性的地址空间（称为“线性内存”）来存储所有数据。你可以把它想象成一个非常长的、从 0 开始编号的字节数组
  • 内存的增长以页为单位：当 Wasm 模块需要更多内存时，它不能一次只申请一个字节，而是必须至少申请一页

不同于现代 OS 的虚拟内存空间，Wasm 的线性内存从设计上就是单线程、线性的，这使得其模型更适合嵌入式、高性能或安全受限环境

2、页式内存管理的关键机制

当一个 Wasm 模块被实例化时，它的内存可以指定两个属性：

  • initial：初始页数。内存一开始就会分配这么多页
  • maximum（可选）：最大页数。内存允许增长到的页数上限。这是一个安全边界，防止模块无限制地消耗宿主（如浏览器）的内存

内存增长：Wasm 提供了一个内置指令 memory.grow。当模块需要更多内存时（例如，在 JavaScript 中执行 new ArrayBuffer 或类似需要动态分配内存的操作时），它可以调用这个指令

1
memory.grow(2); // 增长 2 页，总计 +128KiB

tips：增长操作可能会导致整个线性内存被重新分配和复制到一个新的、更大的内存区域。这意味着之前指向内存内部数据的指针（内存地址）可能会失效。然而，在 WebAssembly 的设计中，内存地址是“偏移量”而不是绝对指针。因为内存是线性且由虚拟机管理的，即使底层缓冲区被移动，Wasm 模块看到的地址空间仍然是连续和一致的，模块本身无需关心物理地址的变化，这个重定位过程由宿主环境（如浏览器）透明地处理

3、实例

从 JS 向 Wasm 写入字符串，再由 Wasm 读取并转换大小写

C++代码：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
#define EMSCRIPTEN_KEEPALIVE __attribute__((used))

// 导出一个函数，接收字符串指针和长度
void EMSCRIPTEN_KEEPALIVE convertCaseInMemory(char* strPtr, int length) {
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        char c = strPtr[i];
        if (c == '\0') break;

        if (c >= 'a' && c <= 'z') {
            strPtr[i] = c - 32; // 转换为大写
        } else if (c >= 'A' && c <= 'Z') {
            strPtr[i] = c + 32; // 转换为小写
        }
    }
}

int main() { return 0; }

JS代码：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Module = {};
Module.onRuntimeInitialized = function() {
    console.log('Wasm 模块加载完毕！');

    // 使用cwrap来包装C函数，使其更易于调用
    // 参数：函数名, 返回值类型, 参数类型数组
    const convertCaseInMemory = Module.cwrap('convertCaseInMemory', null, ['number', 'number']);

    // 1. 准备一个字符串
    const originalString = "Hello, WebAssembly! 123";
    console.log("原始字符串:", originalString);

    // 2. 分配内存：计算字符串所需的字节数（UTF-8编码）
    // length + 1 是为了存放字符串结束符 '\0'
    const lengthBytes = Module.lengthBytesUTF8(originalString) + 1;
    // 在Wasm内存中分配空间
    const ptr = Module._malloc(lengthBytes);

    // 3. 将JavaScript字符串写入分配好的Wasm内存
    Module.stringToUTF8(originalString, ptr, lengthBytes);

    // 4. 调用Wasm函数来处理内存中的字符串
    // 注意：函数需要长度，减去1是为了排除结束符，或者直接传lengthBytes
    convertCaseInMemory(ptr, lengthBytes - 1); 

    // 5. 从Wasm内存中读取处理后的字符串
    const resultString = Module.UTF8ToString(ptr);
    console.log("转换后字符串:", resultString);

    // 6. 非常重要：释放内存！
    Module._free(ptr);
};