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WebAssembly对设计模式的影响

WebAssembly 带来的性能突破

WebAssembly(Wasm)的出现改变了前端性能优化的游戏规则。这种二进制指令格式的执行效率接近原生代码,在计算密集型任务中比JavaScript快数倍。设计模式的应用场景因此扩展,原本因性能问题被回避的模式现在变得可行。

// 传统JS实现斐波那契数列
function fibonacciJS(n) {
  if (n <= 1) return n;
  return fibonacciJS(n - 1) + fibonacciJS(n - 2);
}

// WebAssembly实现(伪代码示意)
(module
  (func $fib (param $n i32) (result i32)
    (if (i32.lt_s (get_local $n) (i32.const 2))
      (return (get_local $n))
    )
    (i32.add
      (call $fib (i32.sub (get_local $n) (i32.const 1)))
      (call $fib (i32.sub (get_local $n) (i32.const 2)))
    )
  )
)

命令模式的新应用场景

命令模式在WebAssembly环境下获得新生。将复杂算法封装为可序列化的命令对象,通过Wasm执行,既保持了架构灵活性又获得性能提升。UI交互产生的命令可以批量发送到Wasm模块处理。

// 命令接口
class WasmCommand {
  constructor(wasmModule) {
    this.module = wasmModule;
  }
  
  execute() {
    throw new Error('必须实现execute方法');
  }
}

// 具体命令:图像处理
class ImageFilterCommand extends WasmCommand {
  constructor(module, imageData, filterType) {
    super(module);
    this.imageData = imageData;
    this.filterType = filterType;
  }
  
  execute() {
    const { width, height, data } = this.imageData;
    const ptr = this.module._malloc(data.length);
    this.module.HEAPU8.set(data, ptr);
    
    this.module._applyFilter(
      ptr,
      width,
      height,
      this.filterType
    );
    
    const result = new Uint8ClampedArray(
      this.module.HEAPU8.buffer,
      ptr,
      data.length
    );
    this.module._free(ptr);
    return new ImageData(result, width, height);
  }
}

策略模式的性能优化

策略模式中不同算法的实现可以委托给WebAssembly。特别是当策略涉及复杂数学运算时,Wasm版本比JS实现有显著优势。策略切换通过JS接口控制,实际运算在Wasm中完成。

// 策略上下文
class CompressionContext {
  constructor() {
    this.strategy = null;
  }
  
  setStrategy(wasmModule, strategyType) {
    this.strategy = {
      compress: (data) => wasmModule._compress(strategyType, data),
      decompress: (data) => wasmModule._decompress(strategyType, data)
    };
  }
  
  compress(data) {
    return this.strategy.compress(data);
  }
  
  decompress(data) {
    return this.strategy.decompress(data);
  }
}

// 使用示例
const context = new CompressionContext();
context.setStrategy(wasmModule, 'LZ4');  // 切换为LZ4压缩算法
const compressed = context.compress(largeData);

观察者模式的跨语言实现

观察者模式在Wasm环境中需要考虑内存隔离问题。JS与Wasm之间的观察者通信需要通过共享内存或回调函数实现,这带来了新的设计挑战和优化机会。

// Wasm观测JS事件
class WasmObserver {
  constructor(wasmModule) {
    this.module = wasmModule;
    this.eventHandlers = new Map();
    
    // 暴露给Wasm的回调函数
    this.handleEvent = this.handleEvent.bind(this);
    this.module._setJsEventHandler(this.handleEvent);
  }
  
  subscribe(eventType, wasmCallbackPtr) {
    if (!this.eventHandlers.has(eventType)) {
      const handler = (e) => {
        const dataPtr = this.module._malloc(e.data.length);
        this.module.HEAPU8.set(e.data, dataPtr);
        this.module._invokeWasmCallback(
          wasmCallbackPtr,
          dataPtr,
          e.data.length
        );
        this.module._free(dataPtr);
      };
      
      window.addEventListener(eventType, handler);
      this.eventHandlers.set(eventType, { handler, callbacks: new Set() });
    }
    this.eventHandlers.get(eventType).callbacks.add(wasmCallbackPtr);
  }
  
  handleEvent(eventType, dataPtr, length) {
    const eventData = new Uint8Array(
      this.module.HEAPU8.buffer,
      dataPtr,
      length
    );
    const event = new CustomEvent(eventType, { detail: eventData });
    window.dispatchEvent(event);
  }
}

工厂模式的Wasm模块管理

Wasm模块的加载和实例化过程复杂,适合用工厂模式封装。不同类型的Wasm模块可以通过抽象工厂统一管理,简化调用方的使用。

class WasmModuleFactory {
  static async createModule(moduleType, imports = {}) {
    const config = {
      'image-processing': {
        url: '/wasm/image-processor.wasm',
        memory: new WebAssembly.Memory({ initial: 10 }),
        imports: {
          env: {
            memoryBase: 0,
            tableBase: 0,
            memory: new WebAssembly.Memory({ initial: 10 }),
            table: new WebAssembly.Table({ initial: 0, element: 'anyfunc' }),
            abort: console.error
          }
        }
      },
      'physics-engine': {
        url: '/wasm/physics.wasm',
        memory: new WebAssembly.Memory({ initial: 20 }),
        imports: {
          env: {
            memory: new WebAssembly.Memory({ initial: 20 }),
            _log: (value) => console.log('Physics calc:', value)
          }
        }
      }
    };
    
    const { url, memory, imports: moduleImports } = config[moduleType];
    Object.assign(moduleImports.env, imports);
    
    const response = await fetch(url);
    const bytes = await response.arrayBuffer();
    const { instance } = await WebAssembly.instantiate(bytes, moduleImports);
    
    return {
      instance,
      memory,
      exports: new Proxy(instance.exports, {
        get(target, prop) {
          if (prop in target) return target[prop];
          throw new Error(`Wasm导出函数${prop}不存在`);
        }
      })
    };
  }
}

// 使用工厂创建模块
const imageProcessor = await WasmModuleFactory.createModule('image-processing', {
  env: { debug: console.debug }
});

装饰器模式的Wasm增强

装饰器模式可以用于增强Wasm模块功能而不修改原始模块。通过JS层包装Wasm导出函数,可以添加日志、缓存等横切关注点。

function withCache(wasmModule, exportName) {
  const originalFunc = wasmModule.exports[exportName];
  const cache = new Map();
  
  return function(...args) {
    const cacheKey = JSON.stringify(args);
    if (cache.has(cacheKey)) {
      console.log('Cache hit for', exportName);
      return cache.get(cacheKey);
    }
    
    console.log('Cache miss, calling Wasm function');
    const result = originalFunc(...args);
    cache.set(cacheKey, result);
    return result;
  };
}

function withLogging(wasmModule, exportName) {
  const originalFunc = wasmModule.exports[exportName];
  
  return function(...args) {
    console.time(`Wasm ${exportName} execution`);
    try {
      const result = originalFunc(...args);
      console.timeEnd(`Wasm ${exportName} execution`);
      return result;
    } catch (error) {
      console.error(`Wasm ${exportName} failed:`, error);
      throw error;
    }
  };
}

// 装饰Wasm模块
const decoratedModule = {
  exports: {
    ...wasmModule.exports,
    calculate: withCache(
      withLogging(wasmModule, 'calculate'),
      'calculate'
    )
  }
};

适配器模式的跨语言接口

JS与Wasm之间的数据类型差异需要通过适配器模式解决。特别是处理复杂数据结构时,适配器负责在JS对象和Wasm内存之间转换。

class WasmDataAdapter {
  constructor(wasmModule) {
    this.module = wasmModule;
  }
  
  // JS对象转Wasm内存
  serializeObject(obj) {
    const jsonStr = JSON.stringify(obj);
    const encoder = new TextEncoder();
    const encoded = encoder.encode(jsonStr);
    
    const ptr = this.module._malloc(encoded.length);
    this.module.HEAPU8.set(encoded, ptr);
    
    return {
      ptr,
      length: encoded.length
    };
  }
  
  // Wasm内存转JS对象
  deserializeObject(ptr, length) {
    const encoded = new Uint8Array(
      this.module.HEAPU8.buffer,
      ptr,
      length
    );
    const decoder = new TextDecoder();
    const jsonStr = decoder.decode(encoded);
    return JSON.parse(jsonStr);
  }
  
  // 处理Wasm返回的复杂结构
  processComplexResult(resultPtr) {
    const view = new DataView(this.module.HEAPU8.buffer);
    const type = view.getUint32(resultPtr, true);
    const dataPtr = view.getUint32(resultPtr + 4, true);
    const dataLength = view.getUint32(resultPtr + 8, true);
    
    switch (type) {
      case 0: // 字符串
        return this.deserializeObject(dataPtr, dataLength);
      case 1: // 二进制数据
        return new Uint8Array(
          this.module.HEAPU8.buffer,
          dataPtr,
          dataLength
        );
      default:
        throw new Error('未知的结果类型');
    }
  }
}

状态模式与Wasm内存管理

状态模式可用于管理Wasm模块的内存状态。不同状态处理不同的内存分配策略,优化Wasm内存使用效率。

class MemoryState {
  constructor(wasmModule) {
    this.module = wasmModule;
  }
  
  allocate(size) {
    throw new Error('必须实现allocate方法');
  }
  
  deallocate(ptr) {
    throw new Error('必须实现deallocate方法');
  }
}

class DefaultMemoryState extends MemoryState {
  allocate(size) {
    return this.module._malloc(size);
  }
  
  deallocate(ptr) {
    this.module._free(ptr);
  }
}

class PooledMemoryState extends MemoryState {
  constructor(wasmModule) {
    super(wasmModule);
    this.pool = new Map(); // size -> ptr[]
  }
  
  allocate(size) {
    // 尝试从内存池获取
    if (this.pool.has(size) {
      const ptrs = this.pool.get(size);
      if (ptrs.length > 0) {
        return ptrs.pop();
      }
    }
    
    // 池中无可用内存,新建
    return this.module._malloc(size);
  }
  
  deallocate(ptr) {
    // 获取内存块大小(需要Wasm模块支持)
    const size = this.module._getAllocationSize(ptr);
    
    if (!this.pool.has(size)) {
      this.pool.set(size, []);
    }
    
    // 放回内存池
    this.pool.get(size).push(ptr);
  }
}

class MemoryManager {
  constructor(wasmModule) {
    this.module = wasmModule;
    this.setState('default');
  }
  
  setState(stateType) {
    switch (stateType) {
      case 'default':
        this.state = new DefaultMemoryState(this.module);
        break;
      case 'pooled':
        this.state = new PooledMemoryState(this.module);
        break;
      default:
        throw new Error('未知的内存状态类型');
    }
  }
  
  allocate(size) {
    return this.state.allocate(size);
  }
  
  deallocate(ptr) {
    this.state.deallocate(ptr);
  }
}

代理模式的Wasm安全控制

代理模式可以控制对Wasm模块的访问,添加权限检查、参数验证等安全层。特别是当Wasm模块处理敏感数据时,代理成为必要的安全屏障。

class WasmModuleProxy {
  constructor(wasmModule, permissions) {
    this.module = wasmModule;
    this.permissions = permissions;
  }
  
  get exports() {
    return new Proxy(this.module.exports, {
      get(target, prop) {
        // 检查权限
        if (!this.permissions[prop]) {
          throw new Error(`无权访问Wasm函数${prop}`);
        }
        
        const originalFunc = target[prop];
        
        // 返回包装函数
        return function(...args) {
          // 参数验证
          if (prop === 'processPayment') {
            if (args.length !== 2 || typeof args[0] !== 'number' || typeof args[1] !== 'string') {
              throw new Error('无效的支付参数');
            }
          }
          
          // 执行原始函数
          const result = originalFunc.apply(target, args);
          
          // 结果过滤
          if (prop === 'getUserData') {
            return filterSensitiveData(result);
          }
          
          return result;
        };
      }
    });
  }
}

// 使用代理
const secureModule = new WasmModuleProxy(wasmModule, {
  calculate: true,
  getPublicData: true
  // processPayment和getUserData未授权
});

// 只能访问授权的导出函数
secureModule.exports.calculate(42); // 允许
secureModule.exports.processPayment(100, 'USD'); // 抛出权限错误

组合模式的Wasm模块组装

复杂Wasm应用可能由多个模块组成。组合模式可以统一管理这些模块,提供一致的调用接口,隐藏模块间的协作细节。

class WasmComponent {
  async load() {
    throw new Error('必须实现load方法');
  }
  
  execute(command, data) {
    throw new Error('必须实现execute方法');
  }
}

class ImageProcessorComponent extends WasmComponent {
  async load() {
    this.module = await WasmModuleFactory.createModule('image-processing');
    return this;
  }
  
  execute(command, imageData) {
    switch (command) {
      case 'filter':
        return this.applyFilter(imageData);
      case 'resize':
        return this.resizeImage(imageData);
      default:
        throw new Error('未知的图像处理命令');
    }
  }
  
  applyFilter(imageData) {
    // 具体实现...
  }
  
  resizeImage(imageData) {
    // 具体实现...
  }
}

class WasmComposite extends WasmComponent {
  constructor() {
    super();
    this.children = [];
  }
  
  add(component) {
    this.children.push(component);
  }
  
  async load() {
    await Promise.all(this.children.map(child => child.load()));
    return this;
  }
  
  execute(command, data) {
    // 路由命令到合适的子组件
    if (command.startsWith('image:')) {
      const actualCommand = command.split(':')[1];
      return this.children
        .find(c => c instanceof ImageProcessorComponent)
        ?.execute(actualCommand, data);
    }
    
    // 其他命令处理...
  }
}

// 组合使用
const app = new WasmComposite();
app.add(new ImageProcessorComponent());
app.add(new PhysicsEngineComponent());

await app.load();
const processedImage = await app.execute('image:filter', originalImage);

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