【WebAssembly】 WebAssembly 指令集详解

WebAssembly 采用栈式虚拟机模型，指令集设计紧凑、类型安全，共约200 条指令。本文按功能分类详细介绍。

一、数值操作指令

数值操作指令涵盖整数和浮点数的算术运算、比较运算、类型转换等。

1.1 整数算术运算（i32 / i64）

1.2 整数位运算

1.3 浮点算术运算（f32 / f64）

1.4 比较运算

1.5 类型转换

二、变量操作指令

变量包括局部变量（local）和全局变量（global）。

2.1 局部变量指令

WAT 示例：

(func$sum(param$a i32)(param$b i32)(resulti32)(local$temp i32)(local.set $temp(i32.add(local.get $a)(local.get $b)))(local.get $temp))

2.2 全局变量指令

WAT 示例：

(module(global$counter(muti32)(i32.const0))(func$increment(global.set $counter(i32.add(global.get $counter)(i32.const1)))))

三、控制操作指令

控制流指令实现分支、循环、跳转和函数调用。

3.1 基本控制流

3.2 跳转指令

WAT 示例：if-else

(if(resulti32)(local.get $condition)(then(i32.const1))(else(i32.const0)))

WAT 示例：loop 循环

;; 计算 1 到 10 的和(func$sum_to_10(resulti32)(local$i i32)(local$sum i32)(local.set $i(i32.const0))(local.set $sum(i32.const0))(loop$continue(local.set $i(i32.add(local.get $i)(i32.const1)))(local.set $sum(i32.add(local.get $sum)(local.get $i)))(br_if$continue(i32.lt_s(local.get $i)(i32.const10))))(local.get $sum))

WAT 示例：br_table 实现 switch

(func$switch(param$n i32)(resulti32)(block$default(block$case2(block$case1(block$case0(br_table$case0 $case1 $case2 $default(local.get $n)))(return(i32.const100));; case 0)(return(i32.const101));; case 1)(return(i32.const102));; case 2)(i32.const-1);; default)

3.3 函数调用

WAT 示例：

(module(func$add(parami32 i32)(resulti32)(i32.add(local.get0)(local.get1)))(func$main(resulti32)(call$add(i32.const10)(i32.const20));; 直接调用))

四、内存操作指令

WASM 通过线性内存（Linear Memory）访问数据，支持 load/store 操作。

4.1 基本内存访问

4.2 扩展内存访问

4.3 内存管理指令

4.4 批量内存操作（MVP 后扩展）

WAT 示例：

(module(memory1)(data(i32.const0)"Hello, World!")(func$print_string(local$i i32)(local.set $i(i32.const0))(loop$loop(i32.load8_u(local.get $i));; 读取字符(br_if$loop(i32.ne(i32.const0));; 非空继续))))

五、表格操作指令

表格（Table）存储函数引用，实现间接调用和动态分发。

5.1 表格类型

5.2 表格指令

5.3 完整示例：间接调用

(module;; 定义表格：存储 10 个函数引用(table$dispatch10funcref);; 定义三个函数(func$add(parami32 i32)(resulti32)(i32.add(local.get0)(local.get1)))(func$sub(parami32 i32)(resulti32)(i32.sub(local.get0)(local.get1)))(func$mul(parami32 i32)(resulti32)(i32.mul(local.get0)(local.get1)));; 初始化表格(elem(i32.const0)$add $sub $mul);; 间接调用函数(func$call_dispatch(param$op i32)(param$x i32)(param$y i32)(resulti32)(call_indirect(type$func_type)(local.get $x)(local.get $y)(local.get $op)))(type$func_type(func(parami32 i32)(resulti32)))(export"call_dispatch"(func$call_dispatch)))

5.4 JavaScript 使用

const{instance}=awaitWebAssembly.instantiate(wasmBytes);// 间接调用：op=0 加法，1 减法，2 乘法console.log(instance.exports.call_dispatch(0,10,20));// 30console.log(instance.exports.call_dispatch(1,20,10));// 10console.log(instance.exports.call_dispatch(2,10,20));// 200

六、SIMD 指令（扩展）

SIMD（单指令多数据流）通过v128类型实现并行计算，操作码前缀为0xFD。

6.1 加载/存储

6.2 整数 SIMD

6.3 浮点 SIMD

WAT 示例：向量加法

(func$vector_add(param$a v128)(param$b v128)(resultv128)(f32x4.add(local.get $a)(local.get $b)))

七、原子操作指令（多线程扩展）

原子操作实现共享内存的线程安全访问，前缀为0xFE。

八、指令集总结

分类统计

设计哲学

1. 栈式模型：简化解码器和 JIT 实现
2. 类型安全：每条指令都验证操作数类型
3. 结构化控制流：block/loop 保证可验证性
4. 显式内存管理：无 GC，直接操作线性内存
5. 可扩展性：SIMD、多线程等作为扩展渐进增强