约定

当实例化模块或调用结果模块实例上的导出函数时，WebAssembly 代码会被执行。

执行行为是根据一个模拟程序状态的抽象机来定义的。它包括一个堆栈，用于记录操作数的值和控制结构，以及一个包含全局状态的抽象存储。

对于每条指令，都有一个规则指定其执行对程序状态的影响。此外，还有一些规则描述了模块的实例化。与验证一样，所有规则都以两种等效的形式给出

1. 以散文形式，以直观的形式描述执行。

2. 以形式符号形式，以数学形式描述规则。 [1]

注意

与验证一样，散文和形式规则是等效的，因此不需要理解形式符号就可以阅读本规范。形式主义以在编程语言语义中广泛使用的符号提供了更简洁的描述，并且很容易进行数学证明。

散文符号

执行是通过对指令的每条抽象语法的风格化、逐步规则来指定的。在陈述这些规则时采用了以下约定。

• 执行规则隐式地假定给定的存储 $S$。

• 执行规则还假设存在一个隐式堆栈，该堆栈通过推入或弹出值、标签和帧来修改。

• 某些规则要求堆栈至少包含一个帧。最新的帧称为当前帧。

• 存储和当前帧都通过替换它们的某些组件来进行变异。假定这种替换是全局应用的。

• 指令的执行可能会陷阱，在这种情况下，整个计算会被中止，并且不会对其进行任何进一步的存储修改。（之后仍然可以启动其他计算。）

• 指令的执行也可能以跳转到指定的目标而结束，该目标定义了要执行的下一条指令。

• 执行可以进入和退出形成块的指令序列。

• 指令序列隐式地按顺序执行，除非发生陷阱或跳转。

• 在各种地方，规则包含表达程序状态的关键不变式的断言。

形式符号

注意

本节简要说明了正式指定执行的符号。对于感兴趣的读者，可以在相应的教科书中找到更详细的介绍。 [2]

正式执行规则使用一种标准方法来指定操作语义，将其呈现为归约规则。每个规则都具有以下一般形式

$$\mathrm{配}\mathrm{置}\hookrightarrow \mathrm{配}\mathrm{置}$$

配置是程序状态的句法描述。每个规则指定执行的一步。只要最多只有一个归约规则适用于给定的配置，归约（以及由此产生的执行）就是确定性的。WebAssembly 只有很少的例外，在本规范中明确指出了这些例外。

对于 WebAssembly，配置通常是一个元组 $(S;F;{\mathit{instr}}^{\ast })$，它由当前存储 $S$、当前函数的调用帧 $F$ 以及要执行的指令序列组成。（更精确的定义在后面给出。）

为了避免不必要的混乱，存储 $S$ 和帧 $F$ 从不触及它们的归约规则中省略。

没有堆栈的单独表示。相反，它可以方便地表示为配置的指令序列的一部分。特别是，值 被定义为与 $\mathsf{const}$ 指令一致，并且$\mathsf{const}$ 指令的序列可以解释为向右增长的操作数“堆栈”。

注意

例如，$\mathsf{i}\mathsf{32}.\mathsf{add}$ 指令的归约规则 可以给出如下

$$(\mathsf{i}\mathsf{32}.\mathsf{const}{n}_1)(\mathsf{i}\mathsf{32}.\mathsf{const}{n}_2)\mathsf{i}\mathsf{32}.\mathsf{add}\hookrightarrow (\mathsf{i}\mathsf{32}.\mathsf{const}(n_1+n_2)\mathrm{mod}{2}^{32})$$

根据此规则，两个 $\mathsf{const}$ 指令和$\mathsf{add}$ 指令本身从指令流中删除，并替换为一个新的$\mathsf{const}$ 指令。这可以解释为从堆栈中弹出两个值并推入结果。

当没有产生结果时，指令归约为空序列

$$\mathsf{nop}\hookrightarrow ϵ$$

标签 和 帧 类似地定义 为指令序列的一部分。

归约的顺序由适当评估上下文的定义决定。

当不再适用任何归约规则时，归约终止。 WebAssembly 的健全性类型系统保证只有当原始指令序列被归约为 $\mathsf{const}$ 指令的序列时，才会发生这种情况，该序列可以解释为结果操作数堆栈的值，或者如果发生了陷阱。

注意

例如，以下指令序列，

$$(\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_1)(\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_2)\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{neg}(\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_3)\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{add}\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{mul}$$

在三个步骤后终止

$$\begin{array}{r}\begin{array}{ll}& (\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_1)(\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_2)\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{neg}(\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_3)\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{add}\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{mul}\\ \hookrightarrow & (\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_1)(\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_4)(\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_3)\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{add}\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{mul}\\ \hookrightarrow & (\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_1)(\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_5)\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{mul}\\ \hookrightarrow & (\mathsf{f}\mathsf{64}.\mathsf{const}{x}_6)\end{array}\end{array}$$

其中 $x_4=-x_2$ 并且 $x_5=-x_2+x_3$ 并且 $x_6=x_1\cdot (-x_2+x_3)$。

[1]

语义源自以下文章：Andreas Haas、Andreas Rossberg、Derek Schuff、Ben Titzer、Dan Gohman、Luke Wagner、Alon Zakai、JF Bastien、Michael Holman。 使用 WebAssembly 为 Web 提速。第 38 届 ACM SIGPLAN 编程语言设计与实现会议 (PLDI 2017) 论文集。ACM 2017。

[2]

例如：Benjamin Pierce。 类型和编程语言。麻省理工学院出版社 2002 年