第3章　WebAssembly バイナリ表現

この章ではwasmモジュールのバイナリ表現について解説します。まずは内部で使用されるデータ型、次にモジュールの構造について見ていきます。この章の内容は公式の資料[5]を翻訳、補足したものです。

3.1　データ型

3.1.1　数値（Numbers）

uintN

符号なしの N bitの整数値、リトルエンディアンで表現されます。uint8、 uint16、 uint32 の3種類が使用されています。

varuintN

LEB128[6]で表現される N bitの符号なし整数です。

varintN

符号付きLEB128で表現される N bitの整数です。

3.1.2　オペコード（Instruction Opcodes）

MVPでは、オペコードの個数はは256以下であるため1バイトで表現されます。将来的にSIMDやアトミック操作の命令を追加すると256を超えるため、拡張スキーマが必要になります。マルチバイトオペコード用に1バイトのプレフィックス値を策定中です。

3.1.3　言語型（Language Types）

全ての型（型コンストラクタを表す）は先頭の負のvarint7値によって識別されます。

この中でいくつかは追加のフィールドが続くものがあります（後述）。

value_type

値型を表すvarint7値。i32、i64、f32、f64の中の一つです。

block_type

ブロック（後述）が返す型を表すvarint7値。ブロックが値を返す場合はvalue_type、何も返さない場合は-0x40が設定されます。

elem_type

テーブル（後述）中の要素の型を表すvarint7値。MVPではanyfuncのみ有効です。

func_type

関数シグネチャーを表します。この型コンストラクタには以下の記述が追加されます。

3.1.4　他の型（Other Types）

global_type

グローバル変数の情報を表します。

table_type

テーブルの情報を表します。

memory_type

メモリーの情報を表します。

external_kind

インポートまたはモジュール内で定義された定義の種類を表す1バイトの符号なし整数値。

resizable_limits

テーブル、メモリーの初期、最大サイズを表します。テーブルの場合は要素数、メモリーの場合は64KBを1単位とします。

init_expr

イニシャライザー。code section（後述）で用いられている式とendオペコードによって構成されます。

3.2　モジュール構造（Module structure）

WebAssemblyモジュールの高レベルな構造（セクションの集合）と各セクションについて解説します。wast2wasmでモジュールの詳細情報を確認できるので、合わせて見てもらえると理解の助けになると思われます。

$ wast2wasm -v add.wast

図3.1: wast2wasm -v の実行例

3.2.1　高レベルな構造（High-level structure）

図3.2: wasmモジュール概要図

モジュールは以下の2つのフィールドから開始します。

モジュールプリアンブルのあとに一連のセクションが続きます。各セクションは既知のセクションまたはカスタムセクションを表す1バイトのセクションコードによって識別されます。そして、セクションの長さ、ペイロードが次に続きます。既知のセクションは非ゼロなidを持ちます。カスタムセクションのidは0で、その後にペイロードの一部として識別文字列が続きます。カスタムセクションはWebAssemblyの実装では無視されるので内部でのバリデーションエラーがあってもモジュールが無効になるわけではありません。

既知のセクションはオプショナルで最大で1個だけです。カスタムセクションは全て同じidを持ちユニークでない名前をつけることができます。以下の表で定義される既知のセクションは順不同で現れない場合もあります。各セクションのpayload_dataにエンコードされた内容が入ります。

最後のセクションの最終バイトはモジュールの最終バイトと一致する必要があります。最小のモジュールは8バイトです（magic number, versionのあとに何もない状態）。

3.2.2　Type section

Type sectionでは、モジュールで使用されている全ての関数シグネチャーを宣言します。

3.2.3　Import section

Import sectionではモジュールで使用されている全てのインポートを宣言します。

各import_entryは以下のような構造を持ちます。

kindの種類によって以下の項目が続きます。kindがFunctionの場合は

kindがTableの場合は

kindがMemoryの場合は

kindがGlobalの場合は

3.2.4　Function section

Function sectionではモジュール内のすべての関数シグネチャーを宣言します（関数の定義はcode sectionに置かれます）。

3.2.5　Table section

Table sectionではモジュール内で使用するテーブル（参照を要素として持つ型付き配列）を定義します。

3.2.6　Memory section

Memory sectionではモジュール内で使用する線形メモリーを定義します。

3.2.7　Global section

Global sectionではモジュール内で使用するグローバル変数を定義します。

各global_variableは以下のような構造を持ちます。

global_typeによって型とミュータビリティー、init_exprによって初期値が与えられます。

3.2.8　Export section

Export sectionではモジュール外にエクスポートするエントリーを宣言します。

export_entryは以下のような構造を持ちます。

例えば、kindがFunctionのときはindexはfunction section中でのインデックス(function index)になります。MVPではメモリ、テーブルは0だけです。

3.2.9　Start section

Start sectionではモジュールのインスタンス化が完了したときに呼ばれる関数を宣言します。

3.2.10　Element section

Element sectionではモジュールをインスタンス化するときに初期値としてテーブルに設定する要素を宣言します。

elem_segmentは以下ような構造を持ちます。

3.2.11　Code section

Code sectionにはモジュール内の全ての関数の本体が含まれています。function sectionで宣言された関数の数と関数本体の定義は必ず一致しなければいけません。i番目の関数宣言はi番目の関数本体に対応しています。

3.2.12　Data section

Data sectionではモジュールをインスタンス化するときにロードされる初期化データを宣言します。

data_segmentは以下のような構造を持ちます。

3.2.13　Name section

Name sectionはカスタムセクションの1つです。nameフィールドに"name"が設定されています。全てのカスタムセクション同様、このセクションでのバリデーションエラーは全体のモジュールには影響しません。Name sectionは（あれば）データセクションのあとに1回だけ現れます。wasmモジュールやその他、開発環境で表示する場合、Name sectionで定義される関数名やローカル変数名はWebAssemblyのテキスト表現などで使用されることが期待されます。影響しないのでここでは構造についての説明は省略します。

3.3　関数本体（Function Bodies）

関数本体は一連のローカル変数宣言の後にバイトコード命令が続きます。これは構造化されたスタックマシンの命令列とみなすことができます。命令はオペコードと0個以上の即値オペランド（immediates）にエンコードされます。各関数本体はendオペコードで終わらなければなりません。

3.3.1　Local entry

各ローカルエントリーは与えられた型のローカル変数リストを宣言します。同じ型のエントリーを複数持つことができます。

3.4　オペコード一覧

wasmで定義されているオペコードを紹介します。オペコードがオペランドを受け取る場合はN番目のオペランドをopNとします。

3.4.1　Control flow operators

分岐命令について

br, br_if, br_table は分岐命令を行う対象のブロックによって挙動が変わります。block, if ブロックでは、対応する end に、loop ブロックではブロックの先頭に飛びます。

br

relative_depth のイメージ

block ;; 2
  block ;; 1
    block ;; 0
      br 1 ;; 現在のブロックからの深さを指定して分岐
    end
  end
end

blockが値をpushしない場合、オペランドを受け取りません。blockが値をpushする場合、op1をpushします。

br_if

blockが値をpushしない場合、op1 != 0 のとき分岐します。blockが値をpushする場合、op2 != 0 のとき分岐して、op1 をpushします。

br_table

br_tableオペコードは以下のような即値オペランドを持っています。

ブロックが値をpushしない場合、target_tableのop1番目のブロックに対して分岐命令を行います。ブロックが値をpushする場合はbr_ifなどと同様に最初のオペランドがpushされます。入力値が範囲外の場合、br_tableはdefault_targetに指定されているブロックに対して分岐命令を行います。

3.4.2　Call operators

call_indirectは入力として、関数の引数分のオペランド（type_indexから型を参照して引数の数を決定）とテーブルへのindexを受け取ります。テーブルのindex位置のelem_segmentの中で指定されているfunction indexから関数を参照して呼び出します。reservedは将来的に使うので予約されてます。MVPでは0です。

3.4.3　Parametric operators

3.4.4　Variable access

3.4.5　Memory-related operators

memory_immediate は以下のようにエンコードされます。

flagsはlog2(alignment)でエンコードされるので2の累乗である必要があります。追加のバリデーション基準として、アライメントは元々のアライメント以下でないといけません。log(memory-access-size)より下位のbitsは0である必要があります。これは将来のために予約されてます（例えば、共有メモリーの順序のために必要）。

current_memory、grow_memoryオペコードのreservedは将来的に使われる予定です（MVPでは0）。

3.4.6　Constants

3.4.7　Comparison operators

真の場合は1、偽の場合は0をpushします。

3.4.8　Numeric operators

3.4.9　Conversions

型変換を行います。

f64.convert_s/i32では最近接偶数へ丸められます。そして、IEEE 754-2008で定義された無限大、負の無限大にオーバーフローする可能性があります。

浮動小数点数から整数に変換する命令（trunc）の場合、0方向に丸められた整数値となります。オーバーフローするような数値を変換しようとするとエラーとなります。

3.4.10　Reinterpretations

変換前の数値をただのbit列として扱って変換後の型として再解釈します。