WebAssembly与WebGPU：游戏开发的新时代

WebAssembly简介

• 界说: WebAssembly是一种二进制指令格式，旨在为高性能应用程序提供一种可移植的目标平台。
  
• 特点:
  
  
  
  • 小而快加载
    
  • 运行速度快
    
  • 支持多种编程语言编译
    
  
  
• 用途: 紧张用于加速网页应用性能，特别是在盘算密集型任务上。
  

WebGPU简介

• 界说: WebGPU API 是一个用于访问现代图形和盘算硬件的新 JavaScript API。
  
• 特点:
  
  
  
  • 基于现代图形API (如DirectX 12, Metal)
    
  • 提供低级别访问GPU的本事
    
  • 支持并行盘算
    
  
  
• 用途: 实用于复杂3D渲染、物理模仿等高性能需求场景。
  

Wasm + WebGPU 在游戏开发中的上风

• 高性能: 利用Wasm的高效执行情况联合WebGPU对GPU的直接控制，可以实现接近原生应用的性能体现。
  
• 跨平台: 由于Wasm自己的设计就是跨平台的，加上WebGPU也支持多种硬件后端，使得游戏能够更容易地摆设到不同设备上。
  
• 易维护与更新: 基于Web技术栈，开发者可以利用现有的工具链进行开发、调试及维护。
  

创建一个简单的WebAssembly模块

1. // 定义Wasm模块接口
2. const importObject = {
3.   env: {
4.     memoryBase: 0,
5.     tableBase: 0,
6.     memory: new WebAssembly.Memory({initial: 1}),
7.     table: new WebAssembly.Table({initial: 0, element: 'anyfunc'}),
8.   }
9. };
11. // 加载Wasm模块
12. fetch('example.wasm')
13.   .then(response => response.arrayBuffer())
14.   .then(bytes => WebAssembly.instantiate(bytes, importObject))
15.   .then(results => {
16.     const instance = results.instance;
17.     // 调用Wasm模块中的函数
18.     instance.exports.add(1, 2); // 假设该函数接收两个参数并返回它们的和
19.   });

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利用WebGPU绘制一个三角形

1. // 获取WebGPU设备
2. navigator.gpu.requestAdapter().then(adapter => {
3.   return adapter.requestDevice();
4. }).then(device => {
5.   // 创建渲染管线
6.   const pipeline = device.createRenderPipeline({
7.     layout: device.createPipelineLayout({ bindGroupLayouts: [] }),
8.     vertexStage: {
9.       module: device.createShaderModule({
10.         code: `
11.           [[stage(vertex)]] fn main() -> [[builtin(position)]] vec4<f32> {
12.             var positions : array<vec2<f32>, 3> = array<vec2<f32>, 3>(
13.               vec2<f32>(-0.5, -0.5),
14.               vec2<f32>(0.5, -0.5),
15.               vec2<f32>(0.0, 0.5)
16.             );
17.             var position = positions[0u]; // 简化起见，这里只取第一个顶点位置
18.             return vec4<f32>(position, 0.0, 1.0);
19.           }
20.         `,
21.       }),
22.       entryPoint: 'main',
23.     },
24.     primitiveTopology: 'triangle-list',
25.     colorStates: [{ format: 'bgra8unorm' }],
26.   });
28.   // 创建帧缓冲区
29.   const swapChain = device.createSwapChain(canvas, {
30.     usage: GPUTextureUsage.RENDER_ATTACHMENT,
31.     format: 'bgra8unorm',
32.   });
34.   // 渲染循环
35.   function render() {
36.     const context = device.getContext();
37.     const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
38.     const textureView = swapChain.getCurrentTexture().createView();
39.     const renderPassDescriptor = {
40.       colorAttachments: [{
41.         attachment: textureView,
42.         loadValue: { r: 0.1, g: 0.2, b: 0.3, a: 1.0 },
43.       }],
44.     };
45.     const passEncoder = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor);
46.     passEncoder.setPipeline(pipeline);
47.     passEncoder.draw(3, 1, 0, 0);
48.     passEncoder.endPass();
49.     device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);
50.     requestAnimationFrame(render);
51.   }
53.   requestAnimationFrame(render);
54. });

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WebAssembly 的高级特性

内存管理

• 内存布局: WebAssembly 利用线性内存布局，可以通过 memory 对象进行访问。
  
• 内存操作: 可以通过 get 和 set 方法读写内存。
  
• 内存增长: 可以动态增加内存大小。
  

1. const memory = new WebAssembly.Memory({ initial: 1, maximum: 10 });
2. console.log(memory.buffer.byteLength); // 输出 65536 (1 MB)
4. // 扩展内存
5. memory.grow(1);
6. console.log(memory.buffer.byteLength); // 输出 131072 (2 MB)

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异步加载与多线程

• 异步加载: 可以通过 fetch 或其他异步方法加载 Wasm 模块。
  
• 多线程: 利用 WebAssembly.Threading API 支持多线程操作。
  

1. // 异步加载 Wasm 模块
2. fetch('example.wasm')
3.   .then(response => response.arrayBuffer())
4.   .then(bytes => WebAssembly.compileAsync(bytes))
5.   .then(module => {
6.     WebAssembly.instantiate(module, importObject).then(results => {
7.       const instance = results.instance;
8.       // 调用 Wasm 函数
9.       instance.exports.add(1, 2);
10.     });
11.   });
13. // 多线程支持
14. if ('workerGlobalScope' in self) {
15.   self.importScripts('wasm_worker.js');
16.   const worker = new Worker('wasm_worker.js');
17.   worker.postMessage({ type: 'run', data: [1, 2] });
18. }

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WebGPU 的高级特性

着色器编程

• 顶点着色器: 处理顶点数据。
  
• 片段着色器: 处理像素颜色。
  

1. [[block]]
2. struct VertexInput {
3.   @builtin(position) pos: vec4<f32>,
4. };
6. [[block]]
7. struct VertexOutput {
8.   @builtin(position) pos: vec4<f32>,
9. };
11. [[stage(vertex)]]
12. fn vs_main(@builtin(vertex_index) vertex_index: u32) -> VertexOutput {
13.   var input: VertexInput = VertexInput(pos: vec4<f32>(0.0, 0.0, 0.0, 1.0));
14.   var output: VertexOutput = VertexOutput(pos: input.pos);
15.   return output;
16. }
18. [[stage(fragment)]]
19. fn fs_main() -> @location(0) vec4<f32> {
20.   return vec4<f32>(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
21. }

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盘算着色器

盘算着色器: 执行并行盘算任务。

1. [[block]]
2. struct ComputeData {
3.   result: array<i32, 1>,
4. };
6. [[group(0), binding(0)]]
7. var<storage, read_write> data: array<i32, 1>;
9. [[stage(compute), workgroup_size(1)]]
10. fn cs_main([[builtin(global_invocation_id)]] global_id: vec3<u32>) {
11.   data[0] = global_id.x * global_id.y * global_id.z;
12. }

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实战案例：创建一个简单的 2D 游戏

游戏逻辑设计

• 状态管理: 利用对象或类来管理游戏状态。
  
• 事件处理: 监听键盘和鼠标事件。
  

1. class Game {
2.   constructor(canvas) {
3.     this.canvas = canvas;
4.     this.context = canvas.getContext('2d');
5.     this.width = canvas.width;
6.     this.height = canvas.height;
8.     this.player = { x: 100, y: 100 };
9.     this.enemies = [];
11.     this.init();
12.   }
14.   init() {
15.     this.enemies.push({ x: 200, y: 200 });
16.     this.enemies.push({ x: 300, y: 300 });
18.     window.addEventListener('keydown', event => {
19.       if (event.key === 'ArrowUp') {
20.         this.player.y -= 10;
21.       } else if (event.key === 'ArrowDown') {
22.         this.player.y += 10;
23.       } else if (event.key === 'ArrowLeft') {
24.         this.player.x -= 10;
25.       } else if (event.key === 'ArrowRight') {
26.         this.player.x += 10;
27.       }
28.     });
30.     this.animate();
31.   }
33.   animate() {
34.     requestAnimationFrame(() => this.animate());
35.     this.update();
36.     this.render();
37.   }
39.   update() {
40.     // 更新敌人位置
41.     for (let enemy of this.enemies) {
42.       enemy.x += Math.random() * 10 - 5;
43.       enemy.y += Math.random() * 10 - 5;
44.     }
45.   }
47.   render() {
48.     this.context.clearRect(0, 0, this.width, this.height);
49.     this.context.fillStyle = 'blue';
50.     this.context.fillRect(this.player.x, this.player.y, 20, 20);
52.     this.context.fillStyle = 'red';
53.     for (let enemy of this.enemies) {
54.       this.context.fillRect(enemy.x, enemy.y, 20, 20);
55.     }
56.   }
57. }
59. const canvas = document.getElementById('gameCanvas');
60. const game = new Game(canvas);

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联合 WebAssembly

• 加载 Wasm 模块: 在游戏初始化时加载 Wasm 模块。
  
• 调用 Wasm 函数: 在游戏更新和渲染过程中调用 Wasm 函数。
  

1. class Game {
2.   constructor(canvas) {
3.     this.canvas = canvas;
4.     this.context = canvas.getContext('2d');
5.     this.width = canvas.width;
6.     this.height = canvas.height;
8.     this.player = { x: 100, y: 100 };
9.     this.enemies = [];
11.     this.init();
12.   }
14.   async init() {
15.     const importObject = {
16.       env: {
17.         memoryBase: 0,
18.         tableBase: 0,
19.         memory: new WebAssembly.Memory({ initial: 1 }),
20.         table: new WebAssembly.Table({ initial: 0, element: 'anyfunc' }),
21.       }
22.     };
24.     const response = await fetch('game_wasm.wasm');
25.     const bytes = await response.arrayBuffer();
26.     const { instance } = await WebAssembly.instantiate(bytes, importObject);
27.     this.wasm = instance.exports;
29.     this.enemies.push({ x: 200, y: 200 });
30.     this.enemies.push({ x: 300, y: 300 });
32.     window.addEventListener('keydown', event => {
33.       if (event.key === 'ArrowUp') {
34.         this.player.y -= 10;
35.       } else if (event.key === 'ArrowDown') {
36.         this.player.y += 10;
37.       } else if (event.key === 'ArrowLeft') {
38.         this.player.x -= 10;
39.       } else if (event.key === 'ArrowRight') {
40.         this.player.x += 10;
41.       }
42.     });
44.     this.animate();
45.   }
47.   animate() {
48.     requestAnimationFrame(() => this.animate());
49.     this.update();
50.     this.render();
51.   }
53.   update() {
54.     // 更新敌人位置
55.     for (let enemy of this.enemies) {
56.       enemy.x += this.wasm.randomMove(10);
57.       enemy.y += this.wasm.randomMove(10);
58.     }
59.   }
61.   render() {
62.     this.context.clearRect(0, 0, this.width, this.height);
63.     this.context.fillStyle = 'blue';
64.     this.context.fillRect(this.player.x, this.player.y, 20, 20);
66.     this.context.fillStyle = 'red';
67.     for (let enemy of this.enemies) {
68.       this.context.fillRect(enemy.x, enemy.y, 20, 20);
69.     }
70.   }
71. }
73. const canvas = document.getElementById('gameCanvas');
74. const game = new Game(canvas);

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