如何实现前端高性能计算？

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2017-11-22 11:09 by 副主编 jihong10102006 评论(0) 有21121人浏览

高性能前端

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引用

来源：Gitbook
作者：GitBook-谦谦君子

最近做一个项目，里面涉及到在前端做大量计算，直接用js跑了一下，大概需要15s的时间，也就是用户的浏览器会卡死15s，这个完全接受不了。

虽说有V8这样牛逼的引擎，但大家知道js并不适合做CPU密集型的计算，一是因为单线程，二是因为动态语言。我们就从这两个突破口入手，首先搞定“单线程”的限制，尝试用WebWorkers来加速计算。

前端高性能计算之一：WebWorkers

什么是WebWorkers

简单说，WebWorkers是一个HTML5的新API，web开发者可以通过此API在后台运行一个脚本而不阻塞UI，可以用来做需要大量计算的事情，充分利用CPU多核。

大家可以看看这篇文章介绍https://www.html5rocks.com/en/tutorials/workers/basics/，或者对应的中文版。

引用

The Web Workers specification defines an API for spawning background scripts in your web application. Web Workers allow you to do things like fire up long-running scripts to handle computationally intensive tasks, but without blocking the UI or other scripts to handle user interactions.

可以打开这个链接自己体验一下WebWorkers的加速效果。

现在浏览器基本都支持WebWorkers了。

Parallel.js

直接使用WebWorkers接口还是太繁琐，好在有人已经对此作了封装：Parallel.js。

注意Parallel.js可以通过node安装：

$ npm install paralleljs

不过这个是在node.js下用的，用的node的cluster模块。如果要在浏览器里使用的话，需要直接应用js:

<script src="parallel.js"></script>

然后可以得到一个全局变量，Parallel。Parallel提供了map和reduce两个函数式编程的接口，可以非常方便的进行并发操作。

我们先来定义一下我们的问题，由于业务比较复杂，我这里把问题简化成求1-1,0000,0000的和，然后在依次减去1-1,0000,0000，答案显而易见： 0！这样做是因为数字太大的话会有数据精度的问题，两种方法的结果会有一些差异，会让人觉得并行的方法不可靠。此问题在我的mac pro chrome61下直接简单地跑js运行的话大概是1.5s（我们实际业务问题需要15s，这里为了避免用户测试的时候把浏览器搞死，我们简化了问题）。

const N = 100000000;// 总次数1亿

// 更新自2017-10-24 16：47：00
// 代码没有任何含义，纯粹是为了模拟一个耗时计算，直接用
//   for (let i = start; i <= end; i += 1) total += i;
// 有几个问题，一是代码太简单没有任何稍微复杂一点的操作，后面用C代码优化的时候会优化得很夸张，没法对比。
// 二是数据溢出问题， 我懒得处理这个问题，下面代码简单地先加起来，然后再减掉，答案显而易见为0，便于测试。
function sum(start, end) {
  let total = 0;
  for (let i = start; i <= end; i += 1) {
    if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {
      total += i;
    } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {
      total += i / 2;
    }
  }
  for (let i = start; i <= end; i += 1) {
    if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {
      total -= i;
    } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {
      total -= i / 2;
    }
  }

  return total;
}

function paraSum(N) {
  const N1 = N / 10;//我们分成10分，没分分别交给一个web worker，parallel.js会根据电脑的CPU核数建立适量的workers
  let p = new Parallel([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10])
    .require(sum);
  return p.map(n => sum((n - 1) * 10000000 + 1, n * 10000000))// 在parallel.js里面没法直接应用外部变量N1
    .reduce(data => {
      const acc = data[0];
      const e = data[1];
      return acc + e;
    });
}

export { N, sum, paraSum }

代码比较简单，我这里说几个刚用的时候遇到的坑。

require所有需要的函数

比如在上诉代码中用到了sum，你需要提前require(sum)，如果sum中由用到了另一个函数f，你还需要require(f)，同样如果f中用到了g，则还需要require(g)，直到你require了所有用到的定义的函数。。。。

没法require变量

我们上诉代码我本来定义了N1，但是没法用

ES6编译成ES5之后的问题以及Chrome没报错

实际项目中一开始我们用到了ES6的特性：数组解构。本来这是很简单的特性，现在大部分浏览器都已经支持了，不过我当时配置的babel会编译成ES5，所以会生成代码_slicedToArray，大家可以在线上Babel测试，然后Chrome下面始终不work，也没有任何报错信息，查了很久，后来在Firefox下打开，有报错信息：

ReferenceError: _slicedToArray is not defined

看来Chrome也不是万能的啊。。。

大家可以在此Demo页面测试，提速大概在4倍左右，当然还是得看自己电脑CPU的核数。另外我后来在同样的电脑上Firefox55.0.3（64位）测试，上诉代码居然只要190ms！！！在Safari9.1.1下也是190ms左右。。。

Refers

前端高性能计算之二：asm.js & webassembly

前面我们说了要解决高性能计算的两个方法，一个是并发用WebWorkers，另一个就是用更底层的静态语言。

2012年，Mozilla的工程师Alon Zakai在研究LLVM编译器时突发奇想：能不能把C/C++编译成Javascript，并且尽量达到Native代码的速度呢？于是他开发了Emscripten编译器，用于将C/C++代码编译成Javascript的一个子集asm.js，性能差不多是原生代码的50%。大家可以看看这个PPT。

之后Google开发了[Portable Native Client][PNaCI]，也是一种能让浏览器运行C/C++代码的技术。后来估计大家都觉得各搞各的不行啊，居然Google, Microsoft, Mozilla, Apple等几家大公司一起合作开发了一个面向Web的通用二进制和文本格式的项目，那就是WebAssembly，官网上的介绍是：

引用

WebAssembly or wasm is a new portable, size- and load-time-efficient format suitable for compilation to the web.

WebAssembly is currently being designed as an open standard by a W3C Community Group that includes representatives from all major browsers.

所以，WebAssembly应该是一个前景很好的项目。我们可以看一下目前浏览器的支持情况：

安装Emscripten

访问https://kripken.github.io/emscripten-site/docs/getting_started/downloads.html

1. 下载对应平台版本的SDK

2. 通过emsdk获取最新版工具

 bash
  # Fetch the latest registry of available tools.
  ./emsdk update

  # Download and install the latest SDK tools.
  ./emsdk install latest

  # Make the "latest" SDK "active" for the current user. (writes ~/.emscripten file)
  ./emsdk activate latest

  # Activate PATH and other environment variables in the current terminal
  source ./emsdk_env.sh

3. 将下列添加到环境变量PATH中

~/emsdk-portable
~/emsdk-portable/clang/fastcomp/build_incoming_64/bin
~/emsdk-portable/emscripten/incoming

4. 其他

我在执行的时候碰到报错说LLVM版本不对，后来参考文档配置了LLVM_ROOT变量就好了，如果你没有遇到问题，可以忽略。

LLVM_ROOT = os.path.expanduser(os.getenv('LLVM', '/home/ubuntu/a-path/emscripten-fastcomp/build/bin'))

5. 验证是否安装好

执行emcc -v，如果安装好会出现如下信息：

emcc (Emscripten gcc/clang-like replacement + linker emulating GNU ld) 1.37.21
clang version 4.0.0 (https://github.com/kripken/emscripten-fastcomp-clang.git 974b55fd84ca447c4297fc3b00cefb6394571d18) (https://github.com/kripken/emscripten-fastcomp.git 9e4ee9a67c3b67239bd1438e31263e2e86653db5) (emscripten 1.37.21 : 1.37.21)
Target: x86_64-apple-darwin15.5.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Users/magicly/emsdk-portable/clang/fastcomp/build_incoming_64/bin
INFO:root:(Emscripten: Running sanity checks)

Hello, WebAssembly!

创建一个文件hello.c：

#include <stdio.h>
int main() {
  printf("Hello, WebAssembly!\n");
  return 0;
}

编译C/C++代码：

emcc hello.c

上述命令会生成一个a.out.js文件，我们可以直接用Node.js执行：

node a.out.js

输出：

Hello, WebAssembly!

为了让代码运行在网页里面，执行下面命令会生成hello.html和hello.js两个文件，其中hello.js和a.out.js内容是完全一样的。

emcc hello.c -o hello.html

➜  webasm-study md5 a.out.js
MD5 (a.out.js) = d7397f44f817526a4d0f94bc85e46429
➜  webasm-study md5 hello.js
MD5 (hello.js) = d7397f44f817526a4d0f94bc85e46429

然后在浏览器打开hello.html，可以看到页面：；；

前面生成的代码都是asm.js，毕竟Emscripten是人家作者Alon Zakai最早用来生成asm.js的，默认输出asm.js也就不足为奇了。当然，可以通过option生成wasm，会生成三个文件：hello-wasm.html, hello-wasm.js, hello-wasm.wasm。

emcc hello.c -s WASM=1 -o hello-wasm.html

然后浏览器打开hello-wasm.html，发现报错TypeError: Failed to fetch。原因是wasm文件是通过XHR异步加载的，用file:////访问会报错，所以我们需要启一个服务器。

npm install -g serve
serve .

然后访问http://localhost:5000/hello-wasm.html，就可以看到正常结果了。

调用C/C++函数

前面的Hello, WebAssembly!都是main函数直接打出来的，而我们使用WebAssembly的目的是为了高性能计算，做法多半是用C/C++实现某个函数进行耗时的计算，然后编译成wasm，暴露给js去调用。

在文件add.c中写如下代码：

#include <stdio.h>
int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

int main() {
  printf("a + b: %d", add(1, 2));
  return 0;
}

有两种方法可以把add方法暴露出来给js调用。

通过命令行参数暴露API

emcc -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" add.c -o add.js

注意方法名add前必须加_。然后我们可以在Node.js里面这样使用：

// file node-add.js
const add_module = require('./add.js');
console.log(add_module.ccall('add', 'number', ['number', 'number'], [2, 3]));

执行node node-add.js会输出5。如果需要在web页面使用的话，执行：

emcc -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_add']" add.c -o add.html

然后在生成的add.html中加入如下代码：

  <button onclick="nativeAdd()">click</button>
  <script type='text/javascript'>
    function nativeAdd() {
      const result = Module.ccall('add', 'number', ['number', 'number'], [2, 3]);
      alert(result);
    }
  </script>

然后点击button，就可以看到执行结果了。

Module.ccall会直接调用C/C++代码的方法，更通用的场景是我们获取到一个包装过的函数，可以在js里面反复调用，这需要用Module.cwrap，具体细节可以参看文档。

const cAdd = add_module.cwrap('add', 'number', ['number', 'number']);
console.log(cAdd(2, 3));
console.log(cAdd(2, 4));

定义函数的时候添加EMSCRIPTEN_KEEPALIVE

添加文件add2.c。

#include <stdio.h>
#include <emscripten.h>

int EMSCRIPTEN_KEEPALIVE add(int a, int b) {
  return a + b;
}

int main() {
  printf("a + b: %d", add(1, 2));
  return 0;
}

执行命令：

emcc add2.c -o add2.html

同样在add2.html中添加代码：

  <button onclick="nativeAdd()">click</button>
  <script type='text/javascript'>
    function nativeAdd() {
      const result = Module.ccall('add', 'number', ['number', 'number'], [2, 3]);
      alert(result);
    }
  </script>

但是，当你点击button的时候，报错：

Assertion failed: the runtime was exited (use NO_EXIT_RUNTIME to keep it alive after main() exits)

可以通过在main()中添加emscripten_exit_with_live_runtime()解决：

#include <stdio.h>
#include <emscripten.h>

int EMSCRIPTEN_KEEPALIVE add(int a, int b) {
  return a + b;
}

int main() {
  printf("a + b: %d", add(1, 2));
  emscripten_exit_with_live_runtime();
  return 0;
}

或者也可以直接在命令行中添加-s NO_EXIT_RUNTIME=1来解决，

emcc add2.c -o add2.js -s NO_EXIT_RUNTIME=1

不过会报一个警告：

exit(0) implicitly called by end of main(), but noExitRuntime, so not exiting the runtime (you can use emscripten_force_exit, if you want to force a true shutdown)

所以建议采用第一种方法。

上述生成的代码都是asm.js，只需要在编译参数中添加-s WASM=1中就可以生成wasm，然后使用方法都一样。

用asm.js和WebAssembly执行耗时计算

前面准备工作都做完了，现在我们来试一下用C代码来优化前一篇中提过的问题。代码很简单：

// file sum.c
#include <stdio.h>
// #include <emscripten.h>

long sum(long start, long end) {
  long total = 0;
  for (long i = start; i <= end; i += 3) {
    total += i;
  }
  for (long i = start; i <= end; i += 3) {
    total -= i;
  }
  return total;
}

int main() {
  printf("sum(0, 1000000000): %ld", sum(0, 1000000000));
  // emscripten_exit_with_live_runtime();
  return 0;
}

注意用gcc编译的时候需要把跟emscriten相关的两行代码注释掉，否则编译不过。我们先直接用gcc编译成native code看看代码运行多块呢？

➜  webasm-study gcc sum.c
➜  webasm-study time ./a.out
sum(0, 1000000000): 0./a.out  5.70s user 0.02s system 99% cpu 5.746 total
➜  webasm-study gcc -O1 sum.c
➜  webasm-study time ./a.out
sum(0, 1000000000): 0./a.out  0.00s user 0.00s system 64% cpu 0.003 total
➜  webasm-study gcc -O2 sum.c
➜  webasm-study time ./a.out
sum(0, 1000000000): 0./a.out  0.00s user 0.00s system 64% cpu 0.003 total

可以看到有没有优化差别还是很大的，优化过的代码执行时间是3ms!。really？仔细想想，我for循环了10亿次啊，每次for执行大概是两次加法，两次赋值，一次比较，而我总共做了两次for循环，也就是说至少是100亿次操作，而我的mac pro是2.5 GHz Intel Core i7，所以1s应该也就执行25亿次CPU指令操作吧，怎么可能逆天到这种程度，肯定是哪里错了。想起之前看到的一篇rust测试性能的文章，说rust直接在编译的时候算出了答案，然后把结果直接写到了编译出来的代码里，不知道gcc是不是也做了类似的事情。在知乎上GCC中-O1 -O2 -O3 优化的原理是什么？这篇文章里，还真有loop-invariant code motion（LICM）针对for的优化，所以我把代码增加了一些if判断，希望能“糊弄”得了gcc的优化。

#include <stdio.h>
// #include <emscripten.h>

// long EMSCRIPTEN_KEEPALIVE sum(long start, long end) {
long sum(long start, long end) {
  long total = 0;
  for (long i = start; i <= end; i += 1) {
    if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {
      total += i;
    } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {
      total += i / 2;
    }
  }
  for (long i = start; i <= end; i += 1) {
    if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {
      total -= i;
    } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {
      total -= i / 2;
    }
  }
  return total;
}

int main() {
  printf("sum(0, 1000000000): %ld", sum(0, 100000000));
  // emscripten_exit_with_live_runtime();
  return 0;
}

执行结果大概要正常一些了。

➜  webasm-study gcc -O2 sum.c
➜  webasm-study time ./a.out
sum(0, 1000000000): 0./a.out  0.32s user 0.00s system 99% cpu 0.324 total

ok，我们来编译成asm.js了。

#include <stdio.h>
#include <emscripten.h>

long EMSCRIPTEN_KEEPALIVE sum(long start, long end) {
// long sum(long start, long end) {
  long total = 0;
  for (long i = start; i <= end; i += 1) {
    if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {
      total += i;
    } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {
      total += i / 2;
    }
  }
  for (long i = start; i <= end; i += 1) {
    if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {
      total -= i;
    } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {
      total -= i / 2;
    }
  }
  return total;
}

int main() {
  printf("sum(0, 1000000000): %ld", sum(0, 100000000));
  emscripten_exit_with_live_runtime();
  return 0;
}

执行：

emcc sum.c -o sum.html

然后在sum.html中添加代码

 <button onclick="nativeSum()">NativeSum</button>
  <button onclick="jsSumCalc()">JSSum</button>
  <script type='text/javascript'>
    function nativeSum() {
      t1 = Date.now();
      const result = Module.ccall('sum', 'number', ['number', 'number'], [0, 100000000]);
      t2 = Date.now();
      console.log(`result: ${result}, cost time: ${t2 - t1}`);
    }
  </script>
  <script type='text/javascript'>
    function jsSum(start, end) {
      let total = 0;
      for (let i = start; i <= end; i += 1) {
        if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {
          total += i;
        } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {
          total += i / 2;
        }
      }
      for (let i = start; i <= end; i += 1) {
        if (i % 2 == 0 || i % 3 == 1) {
          total -= i;
        } else if (i % 5 == 0 || i % 7 == 1) {
          total -= i / 2;
        }
      }

      return total;
    }
    function jsSumCalc() {
      const N = 100000000;// 总次数1亿
      t1 = Date.now();
      result = jsSum(0, N);
      t2 = Date.now();
      console.log(`result: ${result}, cost time: ${t2 - t1}`);
    }
  </script>

另外，我们修改成编译成WebAssembly看看效果呢？

emcc sum.c -o sum.js -s WASM=1

Browser	webassembly	asm.js	js
Chrome61	1300ms	600ms	3300ms
Firefox55	600ms	800ms	700ms
Safari9.1	不支持	2800ms	因不支持ES6我懒得改写没测试

感觉Firefox有点不合理啊，默认的JS太强了吧。然后觉得webassembly也没有特别强啊，突然发现emcc编译的时候没有指定优化选项-O2。再来一次：

emcc -O2 sum.c -o sum.js # for asm.js
emcc -O2 sum.c -o sum.js -s WASM=1 # for webassembly

Browser	webassembly -O2	asm.js -O2	js
Chrome61	1300ms	600ms	3300ms
Firefox55	650ms	630ms	700ms

居然没什么变化，大失所望。号称asm.js可以达到native的50%速度么，这个倒是好像达到了。但是今年Compiling for the Web with WebAssembly (Google I/O '17)里说WebAssembly是1.2x slower than native code，感觉不对呢。asm.js还有一个好处是，它就是js，所以即使浏览器不支持，也能当成不同的js执行，只是没有加速效果。当然WebAssembly受到各大厂商一致推崇，作为一个新的标准，肯定前景会更好，期待会有更好的表现。

Refers

前端高性能计算之三：GPU加速计算

人工智能是最近两年绝对的热点，而这次人工智能的复兴，有一个很重要的原因就是计算能力的提升，主要依赖于GPU。去年Nvidia的股价飙升了几倍，市面上好点的GPU一般都买不到，因为全被做深度学习以及挖比特币的人买光了