今年 WebAssembly でつくった3つのアプリ

WebAssembly Advent Calendar 2019 の 11日目の記事です。🦀

WebAssembly の登場で C/C++/Rust など JavaScript 以外の言語のエコシステムをウェブブラウザーに持ち込むことができるようになり嬉しいな〜ということで、どのくらい動くのかという検証もかねて、3つほどアプリをつくって動作させてみました。

Emscripten 編

C言語でかかれたゲーム機メガドライブのエミュレーター Genesis-Plus-GX に WebAssembly 用のインターフェースを追加し、Emscripten でコンパイルして動作させてみました。

かなり重めのサウンドコアエミュレーションを有効にしてコンパイルしているのですが、iOS Safari を含め非常に高速に動作しています。(ベアナックル2が最後までプレイできました 🙂

主に Firefox と iOS Safari で確認しています。 Firefox は7段キーボード世代の ThinkPad(いつのだ…)で動作させていますが 60 fps 維持できています。

ソースコードを以下で公開しています。cmake/make と webpack でビルドできるようになっています。

Genesis-Plus-GX WebAssembly porting

https://github.com/h1romas4/wasm-genplus

ROM を吸い出す環境がない方は、homebrew の ROM が動作するかもしれません。.wasm はコンパイル済みのバイナリをコミットしていますので node だけあれば遊べると思います。

ゲームパッドのアサインは手持ちの XBOX ONE 用になっていますので適当に修正ください。。ちなみに、iOS 13 から PS4/XBOX ONE コントローラーサポートが入りましたが、Safari の GamePad API からも接続できました。

Emscripten 環境で少し詰まったのは次のポイントでした。

Emscripten を webpack からモジュールとして import する方法:

リンカオプションで MODULARIZE=1 を指定。

add_compile_flags(LD
    "-s MODULARIZE=1"
)

JavaScirpt で import して module を取得

import wasm from './genplus.js';

wasm().then(function(module) {
    gens = module;
});

Wasm 側で malloc したメモリーポインタの取得する方法:

モジュールの module.HEAPU8.buffer など HEAP* ビューで取得。

wasm().then(function(module) {
    gens = module;
    // memory allocate
    gens._init();
    // load rom
    fetch(ROM_PATH).then(response => response.arrayBuffer())
    .then(bytes => {
        // create buffer from wasm
        romdata = new Uint8Array(gens.HEAPU8.buffer, gens._get_rom_buffer_ref(bytes.byteLength), bytes.byteLength);
        romdata.set(new Uint8Array(bytes));
        message("TOUCH HERE!");
        initialized = true;
    });
});

大きめの static のアロケートに失敗した場合:

リンカオプションで初期メモリーサイズを指定。

add_compile_flags(LD
    "-s ALLOW_MEMORY_GROWTH=1"
    "-s TOTAL_MEMORY=32MB"
)

Rust / wasm-pack 編 (1)

Rust/wasm-pack で最初につくったアプリです。

Wasm 側でアロケートしたメモリーを仮想 VRAM として、Rust で何も考えずにむちゃ描きしたらどれくらいの速度になるだろうということで試したものになります。

デモサイトから実際に動作するところが見れます。

https://github.com/h1romas4/wasm-canvas-bitblt

sin/cos で画像回転させながらラスタースクロール的な動きをさせていますが、思うままにプログラムをかいているため RGBA の 4Byte 転送を全画素で何度も回していたりします。

ちょっと興味があったのが、速くなるかなと Rust の unsafe のブロック転送を使い、

unsafe {
    ptr::copy_nonoverlapping(
        [color.0, color.1, color.2, 0xff].as_ptr(),
        self.vram.as_mut_ptr().offset(pos),
        4,
    );
}

のようにしてみたのですが、これは Wasm 的には単純なループで展開されてコンパイルされていました。これは今後 Bulk memory operations が入りコンパイラが対応することで改善するかもしれません。

WebAssembly/bulk-memory-operations

Some people have mentioned that memcpy and memmove functions are hot when profiling some WebAssembly benchmarks.

なお、このプログラムは前述の古い ThinkPad T420s では 45fps そこそこでしたが、iPhone X では余裕で 60fps でていました。速い。。

Rust / wasm-pack 編 (2)

最初の Emscripten メガドライブエミュレーターから、ゲーム機の音源部分(FM音源・PSG)を取り出しプログラムを C言語から Rust に移植したものです。

エミュレーターから音源 LSI に発行するコマンドを横取りして保存した、ゲームミュージックを楽しむ VGM という形式のファイルがありますが、それを再生するプレイヤーになっています。

YM2612/SN76489 VGM player by Rust

こちらもデモサイトから動作を見ることができます。自分がつくったサンプル VGM をひとつ入れています。しょぼいですがクリックで鳴ります。本当はもっとすごい楽曲が再生できます。。

.vgm を準備できる方はドラッグアンドドロップしてみてください。(なお全て WebAssembly で処理してますので、サーバーにファイルアップロードはされません。安心してお試しください)

ソースは以下から参照できます。

https://github.com/h1romas4/rust-synth-emulation

デバッグ手法:

プロジェクトを pure Rust 部分と、Wasm 部分に分けて構成しています。現在 WebAssemby のデバッグ環境はまだ整っていませんので、複雑な処理はネイティブで実行できる環境で行うと良さそうです。

Wasm のデバッグ環境については Chrome が DRAWF に対応しつつあるとのことで(まだステップ実行のみ)、今後整っていくのではないかと思います。

Improved WebAssembly debugging in Chrome DevTools

As a first step, DevTools now supports native source mapping using this information, so you can start debugging Wasm modules produced by any of these compilers without resorting to the disassembled format or having to use any custom scripts.

ライブラリの活用:

本プレイヤーアプリですが、.vgz と呼ばれる .gz 圧縮された .vgm ファイルの再生にも対応させています。

WebAssembly/Rust は stdlib でコンパイルできますので、pure Rust の Gzip, and Zlib ライブラリーである flate2 を dependencies に追加してコンパイルして、ファイル展開させてみたところ問題なく動作しました。

[dependencies]
flate2 = "1.0"

この辺は各言語のエコシステムを活用できる Wasm の強みだなと感じます。

Runtime Error: Index out of bounds.:

移植中 Rust のオブジェクトを JavaScript から new した際に、Index out of bounds. が発生してオブジェクトがつくられない事象が発生しました。ぱっと原因が分からなかったため、ソースを削る方向で試していくと、[0; 50000] ほどの配列の初期化の部分で発生していました。

Make stack size configurable

Currently the stack-size for local variables of the generated wasm code is preconfigured to be 1048576 bytes. It is easy to reach this limit,

どうやら stack-size の初期値が小さいということで、.cargo/config に次の記述をして回避しています。

[target.wasm32-unknown-unknown]
rustflags = [
  "-C", "link-args=-z stack-size=32000000",
]

WebAssembly 登場にてウェブブラウザーで好きな言語で、好きなプログラムを動かせるようになって嬉しいです。

今後も継続してウォッチしていきたいと思います。

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